البنية الأساسية ومراحل تطور نظام التحكم الموزع

يتألف نظام التحكم الموزع من ثلاثة مكوّنات رئيسية: وحدات التحكم في العمليات الموزعة (DCS)، ووحدات التشغيل والإدارة المركزية (COM)، وأنظمة الاتصالات.
تُعد وحدات التحكم الموزعة في العمليات (DCSs) بمثابة الوسيط بين نظام التحكم الموزع والعملية الإنتاجية، ويمكن تصنيفها وفقًا لوظيفتها إلى محطات تحكم ميدانية ومحطات جمع البيانات. أما وحدات التشغيل والإدارة المركزية (COMs)، فتعمل كواجهة بين العاملين ونظام التحكم الموزع، ويمكن تصنيفها وفقًا لوظيفتها إلى محطات عمل المشغلين، ومحطات عمل المهندسين، وأجهزة الحاسوب الخاصة بالمراقبة. ويُعد نظام الاتصالات عصب نظام التحكم الموزع، إذ يربط جميع مكوّناته لتشكيل منظومة متكاملة.

لذلك، تُعدّ محطة المشغّل، ومحطة المهندس، وحاسوب المراقبة، ومحطة التحكم الميدانية، ومحطة جمع البيانات، ونظام الاتصالات، المكوّنات الأساسية لمنظومة التحكم الرقمي (DCS).
1. محطة المشغل. تعد محطة المشغل الجهاز الأساسي الذي يستخدمه المشغلون لعرض ورصد وتشغيل والتحكم وإدارة عملية الإنتاج، وتوفّر واجهة ممتازة بين الإنسان والحاسوب.
2. محطة المهندس. تُستخدم محطة المهندس لتكوين نظام التحكم الموزع (DCS) في وضع عدم الاتصال، ولمراقبة النظام وتحكمه وصيانته أثناء التشغيل.
3. حاسوب المراقبة. يجمع حاسوب المراقبة البيانات من كل وحدة في النظام عبر الشبكة، ويقوم بإجراء الحسابات الخلفية والتحكم الأمثل استنادًا إلى النماذج الرياضية ومؤشرات التحكم الأمثل. كما يوفّر إدارة شاملة للمعلومات على مستوى النظام بأكمله.
4. محطة التحكم الميدانية. تتصل محطة التحكم الميدانية مباشرةً بعملية الإنتاج عبر أجهزة القياس الميدانية، وتجمع معلومات المتغيرات العملية، وتُجري عمليات التحويل والحسابات، كما تولّد إشارات التحكم لتشغيل المشغلات الموجودة في الموقع، مما يتيح التحكم في عملية الإنتاج. ويمكن لمحطة التحكم الميدانية إنجاز مهام التحكم الحلقي بشكل مستقل، إذ تُنفّذ وظائف مثل التحكم بالاسترجاع، والتحكم المنطقي، والتحكم التسلسلي، والتحكم بالدفعة.
5. محطة جمع البيانات. تقوم محطة جمع البيانات بجمع ومعالجة مسبقًا متغيرات العمليات غير المُتحكم فيها، كما تُعالج بيانات الوقت الفعلي. وتزوّد محطة التشغيل بالبيانات اللازمة لمراقبة العملية وتخزين المعلومات، كما توفر بيانات ومعلومات داعمة لعمليات حلقات التحكم.
6. نظام الاتصالات. يربط نظام الاتصالات بين مختلف مكونات نظام التحكم الموزع، حيث ينقل البيانات والتعليمات وغيرها من المعلومات بين محطات العمل، بما يضمن التشغيل المتناسق للنظام بأكمله.

لقد تطورت نظم التحكم الموزعة عمومًا عبر أربع مراحل.

1. شهدت الفترة من 1975 إلى 1980 مرحلة التطوير الأولية. وقد انصبّ التركيز التقني لنظم التحكم الموزّع (DCS) خلال هذه المرحلة على تحقيق التحكم اللامركزي، بما يتيح تجاوز الضعف الجوهري في نظم التحكم الحاسوبي المركزية، التي غالباً ما تعاني من تركز عالٍ للمخاطر، ويعزّز موثوقيتها. ومن أبرز المنتجات النموذجية: نظام TDC-2000 من هانيويل، ونظام SPECTRUM من فوكسبورو، ونظام CENTUM من يوكوجاوا، ونظام TELEPERMM من سيمنس.
2. شهدت الفترة من 1980 إلى 1985 مرحلة النضج في تطور أنظمة التحكم الموزعة (DCS). وقد ركزت التقنيات خلال هذه المرحلة على تحقيق إدارة متكاملة للمعلومات على مستوى النظام بأكمله. ولتحقيق ذلك، كانت تقنيات الشبكات المحلية المتقدمة ضرورية لتعزيز أنظمة الاتصالات. ومن أبرز المنتجات التي ظهرت في تلك الفترة: نظام TDC-3000 من هانيويل، ونظام CENTUM من يوكوجاوا، ونظام MOD-300 من تايلور.
3. شهدت الفترة من 1985 إلى 1990 مرحلة التوسع. وقد تمثل التغيير الهيكلي الرئيسي في أنظمة التحكم الموزعة خلال هذه المرحلة في اعتماد بروتوكولات اتصال موحدة ومفتوحة للشبكات المحلية. فعلى سبيل المثال، تستخدم هذه الأنظمة بروتوكول أتمتة التصنيع (MAP) المستند إلى نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة، وهي متوافقة مع بروتوكول MA، أو تُعدّ بحد ذاتها شبكة محلية تعمل وفق بروتوكول MAP في الوقت الحقيقي. كما شهدت الوحدات الأخرى تحسينات كبيرة على صعيدي العتاد والبرمجيات، إلا أن مكوّنات النظام الأساسية ظلّت إلى حد كبير دون تغيير. ومن السمات الأخرى لأنظمة التحكم الموزعة الموسّعة توسيع نطاق الذكاء النظامي ليشمل المجال الميداني، وذلك من خلال إدخال أجهزة الإرسال الذكية وتكنولوجيا الناقل الميداني. تتمتع أجهزة الإرسال الذكية بإمكانات اتصال رقمي، وتتصل بمحطات التحكم في العمليات أو بعقد الشبكة المحلية عبر الناقل الميداني. ويمكن تنفيذ عمليات مثل ضبط الصفر، وضبط المدى، والتهيئة، والمعايرة التلقائية، والتشخيص الآلي، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها تلقائيًا، مباشرةً على أجهزة الإرسال الذكية في الميدان، سواء من غرفة التحكم أو من محطة العمل الخاصة بالعقدة. ومن أبرز المنتجات: TDC-3000/PM من هانيويل، وCENTUM-XL من يوكوجاوا، وI/AS من فوكسبورو، وINFI-90 من بيلي كونترول.

4. منذ تسعينيات القرن الماضي، ومع التطور السريع لتقنيات الحوسبة والاتصالات والتحكم، ولا سيما تقنيات الشبكات، وازدياد الحاجة إلى أنظمة التحكم والإدارة، ظهرت أنظمة تحكم موزعة جديدة (DCs) تتميز بالتكامل بين الإدارة والتحكم. تعتمد هذه الأنظمة بنية عميل/خادم، وتضم شبكة معلومات لإدارة المصنع (إنترانت) بالإضافة إلى الاتصال بالإنترنت. ومن أبرز المنتجات النموذجية نظام TPS من هانيويل، ونظام CENTUM CS من يوكوجاوا، وأنظمة التحكم من سلسلة I/A S5051 من فوكسبورو.