Rozproszony system sterowania - Distributed control system

Rozproszony system sterowania ( DCS ) jest skomputeryzowany system sterowania dla procesu lub rośliny, zazwyczaj z wielu pętli sterowania , w której autonomiczne sterowniki są rozmieszczone w całym układzie, ale nie ma żadnego centralnego sterowania nadzorujący. Jest to w przeciwieństwie do systemów, które używają scentralizowanych kontrolerów; sterowniki dyskretne zlokalizowane w centralnej sterowni lub w centralnym komputerze. Koncepcja DCS zwiększa niezawodność i zmniejsza koszty instalacji dzięki lokalizacji funkcji sterowania w pobliżu zakładu przetwórczego, ze zdalnym monitoringiem i nadzorem.

Rozproszone systemy sterowania pojawiły się po raz pierwszy w dużych, wartościowych, krytycznych dla bezpieczeństwa branżach procesowych i były atrakcyjne, ponieważ producent DCS dostarczał zarówno lokalny poziom sterowania, jak i centralny sprzęt nadzorczy jako zintegrowany pakiet, zmniejszając w ten sposób ryzyko integracji projektu. Obecnie funkcjonalność systemów SCADA i DCS jest bardzo podobna, ale DCS jest zwykle używany w dużych zakładach przetwarzania ciągłego, gdzie ważna jest wysoka niezawodność i bezpieczeństwo, a sterownia nie jest odległa geograficznie.

Struktura

Poziomy funkcjonalne operacji kontroli produkcji

Kluczowym atrybutem systemu DCS jest jego niezawodność ze względu na rozmieszczenie przetwarzania sterowania wokół węzłów w systemie. To łagodzi awarię pojedynczego procesora. Jeśli procesor ulegnie awarii, wpłynie to tylko na jedną część procesu produkcyjnego, w przeciwieństwie do awarii centralnego komputera, która wpłynęłaby na cały proces. Taka dystrybucja mocy obliczeniowej lokalnie w stosunku do pól w szafach połączeniowych wejścia/wyjścia (I/O) zapewnia również szybkie czasy przetwarzania kontrolera poprzez eliminację ewentualnych opóźnień przetwarzania sieciowego i centralnego.

Załączony diagram jest ogólnym modelem, który pokazuje funkcjonalne poziomy produkcji przy użyciu skomputeryzowanego sterowania.

Odnosząc się do schematu;

  • Poziom 0 zawiera urządzenia polowe, takie jak czujniki przepływu i temperatury oraz końcowe elementy sterujące, takie jak zawory regulacyjne
  • Poziom 1 zawiera uprzemysłowione moduły wejścia/wyjścia (I/O) i związane z nimi rozproszone procesory elektroniczne.
  • Poziom 2 obejmuje komputery nadzorcze, które zbierają informacje z węzłów procesorowych w systemie i udostępniają ekrany kontrolne operatora.
  • Poziom 3 to poziom kontroli produkcji, który nie kontroluje bezpośrednio procesu, ale dotyczy monitorowania produkcji i monitorowania celów
  • Poziom 4 to poziom planowania produkcji.

Poziomy 1 i 2 to poziomy funkcjonalne tradycyjnego systemu DCS, w którym wszystkie urządzenia są częścią zintegrowanego systemu jednego producenta.

Poziomy 3 i 4 nie są ściśle kontrolą procesu w tradycyjnym sensie, ale mają miejsce kontroli produkcji i harmonogramowania.

Punkty techniczne

Przykład ciągłej pętli sterowania przepływem. Sygnalizacja odbywa się za pomocą standardowych pętli prądowych 4–20 mA, a „inteligentny” pozycjoner zaworu zapewnia prawidłowe działanie zaworu sterującego .

Węzły procesora i wyświetlacze graficzne operatora są połączone przez sieci zastrzeżone lub zgodne ze standardami przemysłowymi, a niezawodność sieci zwiększa się dzięki podwójnemu okablowaniu nadmiarowemu na różnych trasach. Ta rozproszona topologia zmniejsza również ilość okablowania obiektowego, umieszczając moduły we/wy i powiązane z nimi procesory w pobliżu zakładu przetwórczego.

Procesory odbierają informacje z modułów wejściowych, przetwarzają informacje i decydują o działaniach kontrolnych, które mają być sygnalizowane przez moduły wyjściowe. Wejścia i wyjścia obiektowe mogą być sygnałami analogowymi, np. pętlą prądową 4–20 mA DC lub sygnałami dwustanowymi, które włączają lub wyłączają, np. styki przekaźnika lub przełącznik półprzewodnikowy.

DCS są połączone z czujnikami i siłownikami i wykorzystują sterowanie wartością zadaną do sterowania przepływem materiału przez instalację. Typowym zastosowaniem jest regulator PID zasilany z przepływomierza i wykorzystujący zawór regulacyjny jako końcowy element regulacyjny. DCS wysyła wartość zadaną wymaganą przez proces do sterownika, który instruuje zawór, aby działał tak, aby proces osiągnął i pozostał na żądanej wartości zadanej. (patrz np. schemat 4–20 mA).

Duże rafinerie ropy naftowej i zakłady chemiczne mają kilka tysięcy punktów I/O i stosują bardzo duże DCS. Procesy nie ograniczają się jednak do przepływu płynu przez rury i mogą również obejmować takie rzeczy, jak maszyny papiernicze i związane z nimi kontrole jakości, napędy o zmiennej prędkości i centra sterowania silnikami , piece cementowe , operacje wydobywcze , zakłady przetwarzania rudy i wiele innych .

Systemy DCS w aplikacjach o bardzo wysokiej niezawodności mogą mieć podwójne procesory nadmiarowe z przełączaniem „gorącym” w przypadku awarii, aby zwiększyć niezawodność systemu sterowania.

Chociaż 4–20 mA jest głównym standardem sygnalizacji w terenie, nowoczesne systemy DCS mogą również obsługiwać protokoły cyfrowe fieldbus , takie jak Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus , PC Link itp.

Nowoczesne systemy DCS obsługują również sieci neuronowe i aplikacje wykorzystujące logikę rozmytą . Ostatnie badania koncentrują się na syntezie optymalnych sterowników rozproszonych, które optymalizują pewne kryterium H-nieskończoności lub H2.

Typowe aplikacje

Rozproszone systemy sterowania (DCS) to dedykowane systemy stosowane w procesach produkcyjnych, które są ciągłe lub zorientowane na partie.

Procesy, w których można zastosować DCS, obejmują:

Historia

Centralna dyspozytornia sprzed ery DCS. Chociaż elementy sterujące są scentralizowane w jednym miejscu, nadal są dyskretne i nie są zintegrowane w jednym systemie.
Pomieszczenie kontrolne DCS, w którym informacje i elementy sterujące zakładu są wyświetlane na ekranach graficznych komputerów. Operatorzy siedzą, ponieważ mogą oglądać i kontrolować dowolną część procesu ze swoich ekranów, zachowując jednocześnie ogólny obraz zakładu.

Ewolucja operacji sterowania procesem

Sterowanie procesami w dużych zakładach przemysłowych ewoluowało przez wiele etapów. Początkowo sterowanie odbywałoby się z paneli lokalnych w zakładzie przetwórczym. Wymagało to jednak dużego zasobu siły roboczej, aby zająć się tymi rozproszonymi panelami i nie było ogólnego obrazu całego procesu. Kolejnym logicznym rozwiązaniem było przesłanie wszystkich pomiarów zakładu do stałej obsady centralnej dyspozytorni. W efekcie była to centralizacja wszystkich zlokalizowanych paneli, z zaletami niższych poziomów obsady i łatwiejszego przeglądu procesu. Często sterowniki znajdowały się za panelami sterowni, a wszystkie wyjścia sterowania automatycznego i ręcznego były przesyłane z powrotem do zakładu. Jednakże, zapewniając centralne sterowanie, ten układ był nieelastyczny, ponieważ każda pętla sterowania miała swój własny sterownik, a ciągły ruch operatora w sterowni był wymagany, aby zobaczyć różne części procesu.

Wraz z pojawieniem się procesorów elektronicznych i wyświetlaczy graficznych stało się możliwe zastąpienie tych dyskretnych kontrolerów algorytmami komputerowymi, hostowanymi w sieci racków wejścia/wyjścia z własnymi procesorami sterującymi. Mogłyby one być rozmieszczone w całym zakładzie i komunikować się z wyświetlaczem graficznym w sterowni lub pomieszczeniach. Narodził się rozproszony system sterowania.

Wprowadzenie systemów DCS umożliwiło łatwe łączenie i rekonfigurację elementów sterujących zakładu, takich jak kaskadowe pętle i blokady, oraz łatwe połączenie z innymi produkcyjnymi systemami komputerowymi. Umożliwił zaawansowaną obsługę alarmów, wprowadził automatyczne rejestrowanie zdarzeń, wyeliminował potrzebę fizycznych zapisów, takich jak rejestratory wykresów, umożliwił połączenie w sieć szaf sterowniczych, a tym samym lokalną lokalizację w zakładzie w celu zmniejszenia przebiegów okablowania oraz zapewnił wysoki poziom przeglądu stanu zakładu i produkcji poziomy.

Początki

Wczesne minikomputery były wykorzystywane do sterowania procesami przemysłowymi od początku lat 60-tych. IBM 1800 , na przykład, był jednym z pierwszych sprzęt komputerowy, który miał wejścia / wyjścia do zbierania sygnałów procesu w instalacji do przejścia z poziomu pola styku (na punkty) i cyfrowych sygnałów analogowych do domeny cyfrowej.

Pierwszy komputerowy system sterowania przemysłowego został zbudowany w 1959 roku w rafinerii Texaco Port Arthur w Teksasie za pomocą RW-300 firmy Ramo-Wooldridge .

W 1975 roku zarówno Honeywell , jak i japońska firma elektrotechniczna Yokogawa wprowadziły własne, niezależnie produkowane systemy DCS - odpowiednio TDC 2000 i CENTUM. Brystol z siedzibą w Stanach Zjednoczonych również wprowadził swój uniwersalny sterownik UCS 3000 w 1975 roku. W 1978 roku firma Valmet wprowadziła własny system DCS o nazwie Damatic (najnowsza generacja o nazwie Valmet DNA). W 1980 roku Bailey (obecnie część ABB) wprowadziła system NETWORK 90, Fisher Controls (obecnie część Emerson Electric ) wprowadziła system PROVoX, Fischer & Porter Company (obecnie część ABB) wprowadziła DCI-4000 (DCI to skrót od Distributed oprzyrządowanie kontrolne).

DCS powstał w dużej mierze dzięki zwiększonej dostępności mikrokomputerów i rozprzestrzenianiu się mikroprocesorów w świecie sterowania procesami. Komputery były już od jakiegoś czasu stosowane w automatyzacji procesów, zarówno w postaci bezpośredniego sterowania cyfrowego (DDC), jak i sterowania wartościami zadanymi. Na początku lat 70. firma Taylor Instrument Company (obecnie część ABB) opracowała system 1010, Foxboro system FOX1, Fisher Controls system DC 2 i Bailey Controls system 1055. Wszystko to były aplikacje DDC zaimplementowane w minikomputerach ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP itp.) i podłączone do zastrzeżonego sprzętu wejścia/wyjścia. W ten sposób realizowano wyrafinowaną (jak na tamte czasy) kontrolę ciągłą oraz wsadową. Bardziej konserwatywnym podejściem było sterowanie wartościami zadanymi, gdzie komputery procesu nadzorowały klastry analogowych sterowników procesów. Stacja robocza zapewniała wgląd w proces za pomocą tekstu i prymitywnej grafiki znakowej. Dostępność w pełni funkcjonalnego graficznego interfejsu użytkownika była daleko.

Rozwój

Centralnym elementem modelu DCS było włączenie bloków funkcyjnych sterowania. Bloki funkcyjne wyewoluowały z wczesnych, bardziej prymitywnych koncepcji DDC oprogramowania „Table Driven”. Jednym z pierwszych przykładów wykonania oprogramowania obiektowego, bloki funkcyjne były samodzielnymi „blokami” kodu, które emulowały komponenty sterowania sprzętem analogowym i wykonywały zadania niezbędne do sterowania procesem, takie jak wykonywanie algorytmów PID. Bloki funkcyjne są nadal dominującą metodą kontroli dostawców DCS i są wspierane przez kluczowe technologie, takie jak obecnie Foundation Fieldbus.

Firma Midac Systems z Sydney w Australii opracowała w 1982 roku rozproszony, rozproszony cyfrowy system sterowania zorientowany na obiekt. Centralny system obsługiwał 11 mikroprocesorów współdzielących zadania i wspólną pamięć oraz połączonych z siecią komunikacji szeregowej rozproszonych kontrolerów, z których każdy działał z dwoma Z80s. System został zainstalowany na Uniwersytecie w Melbourne.

Cyfrowa komunikacja między rozproszonymi kontrolerami, stacjami roboczymi i innymi elementami obliczeniowymi (dostęp peer to peer) była jedną z głównych zalet DCS. Uwagę należycie skoncentrowano na sieciach, które zapewniały wszystkie ważne linie komunikacji, które w zastosowaniach procesowych musiały zawierać określone funkcje, takie jak determinizm i redundancja. W rezultacie wielu dostawców przyjęło standard sieciowy IEEE 802.4. Ta decyzja przygotowała grunt pod falę migracji niezbędnych, gdy technologia informacyjna przeszła na automatyzację procesów, a jako kontrolną sieć LAN dominował IEEE 802.3 zamiast IEEE 802.4.

Era sieciocentryczna lat 80.

W latach 80. użytkownicy zaczęli postrzegać DCS jako coś więcej niż tylko podstawową kontrolę procesu. Bardzo wczesny przykład DCS Direct Digital Control został ukończony przez australijską firmę Midac w latach 1981-82 przy użyciu australijskiego sprzętu zaprojektowanego przez R-Tec. System zainstalowany na Uniwersytecie w Melbourne wykorzystywał sieć komunikacji szeregowej, łącząc budynki kampusu z „frontendem” sterowni. Każda jednostka zdalna obsługiwała dwa mikroprocesory Z80 , podczas gdy front-end obsługiwał jedenaście procesorów Z80 w konfiguracji przetwarzania równoległego ze wspólną pamięcią stronicowaną do współdzielenia zadań i która mogła obsługiwać do 20 000 jednoczesnych obiektów sterujących.

Uważano, że gdyby można było osiągnąć otwartość i udostępniać większe ilości danych w całym przedsiębiorstwie, można by osiągnąć jeszcze większe rzeczy. Pierwsze próby zwiększenia otwartości systemów DCS zaowocowały przyjęciem dominującego wówczas systemu operacyjnego: UNIX . UNIX i towarzysząca mu technologia sieciowa TCP-IP zostały opracowane przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych z myślą o otwartości, która była właśnie kwestią, którą branże przetwórcze chciały rozwiązać.

W rezultacie dostawcy zaczęli również stosować sieci oparte na Ethernet z własnymi, zastrzeżonymi warstwami protokołów. Nie zaimplementowano pełnego standardu TCP/IP, ale wykorzystanie Ethernetu umożliwiło wdrożenie pierwszych instancji technologii zarządzania obiektami i globalnego dostępu do danych. W latach 80. pojawiły się również pierwsze sterowniki PLC zintegrowane z infrastrukturą DCS. Wyłonili się również historycy z całego zakładu, aby wykorzystać rozszerzony zasięg systemów automatyki. Pierwszym dostawcą DCS, który zaadoptował technologie sieciowe UNIX i Ethernet, był Foxboro, który wprowadził system I/A Series w 1987 roku.

Era aplikacji w latach 90.

Dążenie do otwartości w latach 80. nabrało rozpędu w latach 90. wraz ze wzrostem przyjęcia gotowych komponentów komercyjnych (COTS) i standardów IT. Prawdopodobnie największym przejściem, jakie miało miejsce w tym czasie, było przejście z systemu operacyjnego UNIX do środowiska Windows. Podczas gdy sfera systemu operacyjnego czasu rzeczywistego ( RTOS ) dla aplikacji sterujących pozostaje zdominowana przez komercyjne warianty systemu UNIX w czasie rzeczywistym lub zastrzeżone systemy operacyjne, wszystko, co wykracza poza kontrolę w czasie rzeczywistym, przeszło do systemu Windows.

Wprowadzenie Microsoftu w warstwie desktopowej i serwerowej zaowocowało rozwojem takich technologii jak OLE do sterowania procesami (OPC) , który jest obecnie de facto standardem łączności w branży. Technologia internetowa również zaczęła zaznaczać swoją obecność w automatyce i na świecie, przy czym większość interfejsów DCS HMI obsługuje łączność z Internetem. W latach 1990 znane były także na „Fieldbus Wars”, gdzie rywalizujące ze sobą organizacje konkurowały określić, co stanie się IEC magistrali standard komunikacji cyfrowej z aparatury zamiast 4-20 komunikacji miliamperów analogowych. Pierwsze instalacje fieldbus miały miejsce w latach 90-tych. Pod koniec dekady technologia zaczęła nabierać rozpędu, a rynek skonsolidował się wokół Ethernet I/P, Foundation Fieldbus i Profibus PA do zastosowań automatyzacji procesów. Niektórzy dostawcy budowali nowe systemy od podstaw, aby zmaksymalizować funkcjonalność z magistralą fieldbus, np. Rockwell PlantPAx System, Honeywell z systemami Experion i Plantscape SCADA , ABB z systemem 800xA, Emerson Process Management z systemem sterowania Emerson Process Management DeltaV , Siemens z SPPA -T3000 lub Simatic PCS 7 , Forbes Marshall z systemem sterowania Microcon+ oraz Azbil Corporation z systemem Harmonas-DEO . Do integracji maszyn, napędów, aplikacji monitorowania jakości i stanu z jednym systemem DCS z systemem Valmet DNA wykorzystano technologię Fieldbus .

Wpływ COTS był jednak najbardziej wyraźny w warstwie sprzętowej. Przez lata podstawową działalnością dostawców DCS było dostarczanie dużej ilości sprzętu, w szczególności I/O i kontrolerów. Początkowe rozprzestrzenianie się systemów DCS wymagało zainstalowania ogromnych ilości tego sprzętu, w większości produkowanego oddolnie przez dostawców DCS. Jednak standardowe komponenty komputerowe producentów takich jak Intel i Motorola sprawiły, że dalsze wytwarzanie własnych komponentów, stacji roboczych i sprzętu sieciowego dla dostawców DCS było zbyt wysokie.

Gdy dostawcy przeszli na komponenty COTS, odkryli również, że rynek sprzętu szybko się kurczy. COTS skutkowało nie tylko niższymi kosztami produkcji dla dostawcy, ale także stale obniżającymi się cenami dla użytkowników końcowych, którzy również coraz bardziej głośniej wyrażali to, co postrzegali jako nadmiernie wysokie koszty sprzętu. Niektórzy dostawcy, którzy wcześniej byli silniejsi w branży PLC , tacy jak Rockwell Automation i Siemens, byli w stanie wykorzystać swoją wiedzę w zakresie sprzętu do sterowania produkcją, aby wejść na rynek DCS z opłacalnymi ofertami, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności/skalowalności/niezawodności i funkcjonalności tych wschodzących systemy wciąż się poprawiają. Tradycyjni dostawcy DCS wprowadzili system DCS nowej generacji oparty na najnowszych normach komunikacyjnych i IEC, co spowodowało tendencję do łączenia tradycyjnych koncepcji/funkcjonalności PLC i DCS w jedno rozwiązanie dla wszystkich – o nazwie „ System Automatyzacji Procesów ” (PAS). . Luki pomiędzy różnymi systemami pozostają w obszarach takich jak: integralność bazy danych, funkcjonalność przedinżynieryjna, dojrzałość systemu, przejrzystość komunikacji i niezawodność. Chociaż oczekuje się, że stosunek kosztów jest względnie taki sam (im mocniejsze są systemy, tym będą droższe), rzeczywistość branży automatyzacji często działa strategicznie dla każdego przypadku. Obecny kolejny etap ewolucji nosi nazwę Collaborative Process Automation Systems .

Aby pogłębić problem, dostawcy zdawali sobie również sprawę z nasycenia rynku sprzętu. Cykl życia komponentów sprzętowych, takich jak wejścia/wyjścia i okablowanie, również zwykle mieści się w przedziale od 15 do ponad 20 lat, co sprawia, że ​​rynek wymiany jest wymagający. Wiele starszych systemów, które zostały zainstalowane w latach 70. i 80., jest nadal w użyciu, a na rynku istnieje znaczna baza zainstalowanych systemów, których okres użytkowania zbliża się do końca. W rozwiniętych gospodarkach przemysłowych w Ameryce Północnej, Europie i Japonii zainstalowano już wiele tysięcy systemów DCS, a ponieważ budowano niewiele nowych fabryk, rynek nowego sprzętu szybko przesuwał się do mniejszych, choć szybciej rozwijających się regionów, takich jak Chiny, Ameryka Łacińska i Europy Wschodniej.

Ze względu na kurczący się biznes związany ze sprzętem dostawcy zaczęli dokonywać trudnego przejścia od modelu biznesowego opartego na sprzęcie do modelu opartego na oprogramowaniu i usługach o wartości dodanej. To przejście, które trwa do dziś. Portfolio aplikacji oferowanych przez dostawców znacznie rozszerzyło się w latach 90. o takie obszary, jak zarządzanie produkcją, sterowanie oparte na modelach, optymalizacja w czasie rzeczywistym, zarządzanie majątkiem zakładu (PAM), narzędzia do zarządzania wydajnością w czasie rzeczywistym (RPM), zarządzanie alarmami , i wiele innych. Uzyskanie prawdziwej wartości z tych aplikacji wymaga jednak często znacznej zawartości usługi, którą dostarczają również dostawcy.

Nowoczesne systemy (od 2010)

Najnowsze osiągnięcia w DCS obejmują następujące nowe technologie:

  1. Systemy i protokoły bezprzewodowe
  2. Zdalna transmisja , logowanie i historia danych
  3. Mobilne interfejsy i sterowanie
  4. Wbudowane serwery internetowe

Coraz częściej, i jak na ironię, DCS stają się scentralizowane na poziomie zakładu, z możliwością logowania się do zdalnego sprzętu. Umożliwia to operatorowi kontrolę zarówno na poziomie przedsiębiorstwa (makro), jak i na poziomie sprzętu (mikro), zarówno w obrębie zakładu, jak i poza nim, ponieważ znaczenie fizycznej lokalizacji spada ze względu na łączność, głównie dzięki dostępowi bezprzewodowemu i zdalnemu.

Im więcej protokołów bezprzewodowych zostanie opracowanych i udoskonalonych, tym bardziej zostaną uwzględnione w DCS. Kontrolery DCS są obecnie często wyposażone we wbudowane serwery i zapewniają dostęp do sieci w czasie rzeczywistym. To, czy DCS będzie przewodzić Przemysłowemu Internetowi Rzeczy (IIOT), czy zapożyczy kluczowe elementy od tego, okaże się jeszcze.

Wielu dostawców oferuje opcję mobilnego interfejsu HMI, gotowego na systemy Android i iOS . Dzięki tym interfejsom zagrożenie naruszenia bezpieczeństwa i możliwe uszkodzenie zakładu i procesu jest teraz bardzo realne.

Zobacz też

Bibliografia