Vývoj operací řízení procesůUpravit
Řízení procesů velkých průmyslových zařízení prošlo mnoha etapami vývoje. Zpočátku se ovládání provádělo z panelů umístěných v místě technologického zařízení. To však vyžadovalo velké lidské zdroje pro obsluhu těchto rozptýlených panelů a neexistoval celkový pohled na proces. Dalším logickým vývojem byl přenos všech měření zařízení do centrálního dispečinku se stálou obsluhou. V podstatě se jednalo o centralizaci všech lokalizovaných panelů, jejíž výhodou bylo snížení počtu pracovníků a snazší přehled o procesu. Řídicí jednotky se často nacházely za panely ve velínu a všechny automatické a manuální řídicí výstupy byly přenášeny zpět do závodu. Toto uspořádání však sice poskytovalo centrální zaměření řízení, ale bylo nepružné, protože každá řídicí smyčka měla svůj vlastní řídicí hardware a pro zobrazení různých částí procesu byl nutný neustálý pohyb obsluhy ve velínu.
S příchodem elektronických procesorů a grafických displejů bylo možné nahradit tyto diskrétní regulátory počítačovými algoritmy, umístěnými na síti vstupně-výstupních stojanů s vlastními řídicími procesory. Ty mohly být rozmístěny po celém závodě a komunikovat s grafickým displejem v řídicí místnosti nebo místnostech. Zrodil se distribuovaný řídicí systém.
Zavedení DCS umožnilo snadné propojení a rekonfiguraci řídicích systémů závodu, jako jsou kaskádové smyčky a blokády, a snadné propojení s jinými výrobními počítačovými systémy. Umožnil sofistikované zpracování alarmů, zavedl automatické zaznamenávání událostí, odstranil potřebu fyzických záznamů, jako jsou grafické zapisovače, umožnil propojení řídicích stojanů do sítě, a tím i jejich lokální umístění v závodě, aby se zkrátily kabelové trasy, a poskytl přehled o stavu závodu a úrovni výroby na vysoké úrovni.
PočátkyEdit
Počáteční minipočítače se používaly při řízení průmyslových procesů od počátku 60. let 20. století. Například IBM 1800 byl raný počítač, který měl vstupně-výstupní hardware pro sběr signálů z procesů v závodě pro převod z kontaktních úrovní v terénu (pro digitální body) a analogových signálů do digitální oblasti.
První průmyslový řídicí počítačový systém byl postaven 1959 v texaské rafinérii Texaco Port Arthur s počítačem RW-300 společnosti Ramo-Wooldridge.
V roce 1975 představila společnost Honeywell i japonská elektrotechnická firma Yokogawa vlastní nezávisle vyráběné DCS – systémy TDC 2000, respektive CENTUM. Americká společnost Bristol v roce 1975 rovněž představila svůj univerzální řídicí systém UCS 3000. V roce 1978 představila společnost Valmet svůj vlastní systém DCS s názvem Damatic (poslední generace s názvem Valmet DNA). V roce 1980 představila společnost Bailey (nyní součást ABB) systém NETWORK 90, Fisher Controls (nyní součást Emerson Electric) systém PROVoX, Fischer & Porter Company (nyní rovněž součást ABB) uvedla DCI-4000 (DCI je zkratka pro Distributed Control Instrumentation).
Systémy DCS vznikly z velké části díky větší dostupnosti mikropočítačů a rozšíření mikroprocesorů ve světě řízení procesů. Počítače se již nějakou dobu uplatňovaly v automatizaci procesů v podobě přímého digitálního řízení (DDC) i řízení podle žádané hodnoty. Na počátku 70. let vyvinula společnost Taylor Instrument Company (nyní součást ABB) systém 1010, Foxboro systém FOX1, Fisher Controls systém DC2 a Bailey Controls systém 1055. Ve všech případech se jednalo o aplikace DDC implementované v minipočítačích (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP atd.) a připojené k vlastnímu vstupně-výstupnímu hardwaru. Tímto způsobem bylo realizováno sofistikované (na tehdejší dobu) spojité i dávkové řízení. Konzervativnějším přístupem bylo řízení podle žádané hodnoty, kdy procesní počítače dohlížely na klastry analogových procesních regulátorů. Pracovní stanice poskytovala přehled o procesu pomocí textu a hrubé znakové grafiky. Dostupnost plně funkčního grafického uživatelského rozhraní byla ještě daleko.
VývojEdit
Ústředním prvkem modelu DCS bylo začlenění řídicích funkčních bloků. Funkční bloky se vyvinuly z raných, primitivnějších koncepcí DDC softwaru „řízeného tabulkami“. Funkční bloky, jedno z prvních ztělesnění objektově orientovaného softwaru, byly samostatné „bloky“ kódu, které emulovaly analogové hardwarové řídicí komponenty a prováděly úlohy, které byly nezbytné pro řízení procesu, například provádění algoritmů PID. Funkční bloky nadále přetrvávají jako převládající metoda řízení u dodavatelů DCS a jsou dnes podporovány klíčovými technologiemi, jako je Foundation Fieldbus.
Midac Systems ze Sydney v Austrálii vyvinula v roce 1982 objektově orientovaný distribuovaný systém přímého digitálního řízení. V centrálním systému pracovalo 11 mikroprocesorů, které sdílely úlohy a společnou paměť a byly připojeny k sériové komunikační síti distribuovaných řídicích jednotek, z nichž každá pracovala se dvěma Z80. Systém byl instalován na univerzitě v Melbourne.
Digitální komunikace mezi distribuovanými řadiči, pracovními stanicemi a dalšími výpočetními prvky (peer to peer přístup) byla jednou z hlavních výhod DCS. Pozornost byla náležitě zaměřena na sítě, které zajišťovaly veledůležité komunikační linky, jež pro procesní aplikace musely zahrnovat specifické funkce, jako je determinismus a redundance. Mnoho dodavatelů proto přijalo síťový standard IEEE 802.4. Toto rozhodnutí připravilo půdu pro vlnu migrací, která byla nutná, když se informační technologie přesunuly do automatizace procesů a jako řídicí síť LAN převládl standard IEEE 802.3, nikoliv IEEE 802.4.
Síťově orientovaná éra osmdesátých letEdit
V osmdesátých letech se uživatelé začali dívat na DCS více než jen jako na základní řízení procesů. Velmi raný příklad DCS s přímým digitálním řízením dokončila australská firma Midac v letech 1981-82 s použitím hardwaru navrženého australskou firmou R-Tec. Systém instalovaný na univerzitě v Melbourne využíval sériovou komunikační síť, která propojovala budovy kampusu zpět s „front endem“ ve velínu. Na každé vzdálené jednotce běžely dva mikroprocesory Z80, zatímco na front-endu běželo jedenáct procesorů Z80 v konfiguraci paralelního zpracování se stránkovanou společnou pamětí pro sdílení úloh a které mohly spustit až 20 000 souběžných řídicích objektů.
Věřilo se, že pokud se podaří dosáhnout otevřenosti a sdílení většího množství dat v celém podniku, bude možné dosáhnout ještě větších věcí. První pokusy o zvýšení otevřenosti DCS vyústily v přijetí tehdy převládajícího operačního systému: UNIX. UNIX a jeho doprovodná síťová technologie TCP-IP byly vyvinuty americkým ministerstvem obrany pro otevřenost, což byl přesně ten problém, který se snažil vyřešit zpracovatelský průmysl.
V důsledku toho začali dodavatelé také přijímat sítě založené na Ethernetu s vlastními proprietárními vrstvami protokolů. Úplný standard TCP/IP sice nebyl implementován, ale použití Ethernetu umožnilo zavést první instance technologie správy objektů a globálního přístupu k datům. V osmdesátých letech se také objevily první PLC integrované do infrastruktury DCS. Vznikly také celopodnikové historické systémy, které využívaly rozšířeného dosahu automatizačních systémů. Prvním dodavatelem DCS, který přijal síťové technologie UNIX a Ethernet, byla společnost Foxboro, která v roce 1987 představila systém řady I/A.
Aplikačně orientovaná éra devadesátých letEdit
Snaha o otevřenost v osmdesátých letech nabrala na síle v devadesátých letech s větším přijetím komerčních hotových komponent (COTS) a IT standardů. Pravděpodobně největším přechodem uskutečněným v této době byl přechod od operačního systému UNIX k prostředí Windows. Zatímco v oblasti operačního systému reálného času (RTOS) pro řídicí aplikace nadále dominují komerční varianty operačních systémů UNIX nebo proprietární operační systémy reálného času, vše nad rámec řízení v reálném čase přešlo na systém Windows.
Zavedení systému Microsoft na úrovni desktopu a serveru vedlo k rozvoji technologií, jako je OLE pro řízení procesů (OPC), který je nyní de facto průmyslovým standardem připojení. Internetové technologie se také začaly prosazovat v automatizaci a ve světě, přičemž většina DCS HMI podporuje připojení k internetu. Devadesátá léta byla také známá „válkami o průmyslové sběrnice“, kdy soupeřící organizace soupeřily o definici toho, co se stane standardem průmyslových sběrnic IEC pro digitální komunikaci s provozními přístroji namísto analogové komunikace 4-20 miliampér. První sběrnicové instalace se objevily v 90. letech 20. století. Ke konci desetiletí se tato technologie začala výrazně prosazovat a trh se konsolidoval kolem sběrnic Ethernet I/P, Foundation Fieldbus a Profibus PA pro aplikace procesní automatizace. Někteří dodavatelé vytvořili od základu nové systémy s cílem maximalizovat funkčnost sběrnice Fieldbus, například Rockwell PlantPAx System, Honeywell se systémy SCADA Experion & Plantscape, ABB se systémem 800xA, Emerson Process Management s řídicím systémem Emerson Process Management DeltaV, Siemens s SPPA-T3000 nebo Simatic PCS 7, Forbes Marshall s řídicím systémem Microcon+ a Azbil Corporation se systémem Harmonas-DEO. Sběrnicová technika byla použita k integraci aplikací strojů, pohonů, kvality a monitorování stavu do jednoho DCS se systémem Valmet DNA.
Vliv COTS se však nejvýrazněji projevil na hardwarové vrstvě. Po dlouhá léta byla hlavní činností dodavatelů DCS dodávka velkého množství hardwaru, zejména I/O a řadičů. Počáteční rozšíření DCS vyžadovalo instalaci obrovského množství tohoto hardwaru, který byl většinou vyráběn zdola dodavateli DCS. Standardní počítačové komponenty od výrobců, jako jsou Intel a Motorola, však způsobily, že pro dodavatele DCS bylo nákladově neúnosné pokračovat ve výrobě vlastních komponent, pracovních stanic a síťového hardwaru.
Při přechodu na komponenty COTS dodavatelé také zjistili, že trh s hardwarem se rychle zmenšuje. COTS vedl nejen k nižším výrobním nákladům pro dodavatele, ale také k neustále klesajícím cenám pro koncové uživatele, kteří se také stále více ozývali kvůli tomu, co považovali za nepřiměřeně vysoké náklady na hardware. Někteří dodavatelé, kteří byli dříve silnější v oblasti PLC, jako například Rockwell Automation a Siemens, dokázali využít své zkušenosti s výrobou řídicího hardwaru a vstoupit na trh DCS s cenově výhodnými nabídkami, přičemž stabilita/škálovatelnost/spolehlivost a funkčnost těchto nově vznikajících systémů se stále zlepšuje. Tradiční dodavatelé DCS představili novou generaci systému DCS založenou na nejnovějších komunikačních a IEC standardech, což vedlo k trendu spojování tradičních koncepcí/funkcí pro PLC a DCS do jednoho řešení pro všechny – nazvaného „Process Automation System“ (PAS). Rozdíly mezi jednotlivými systémy přetrvávají v oblastech, jako jsou: integrita databáze, předinženýrské funkce, vyspělost systému, transparentnost komunikace a spolehlivost. I když se očekává, že poměr nákladů je relativně stejný (čím výkonnější systémy, tím dražší), realita automatizačního byznysu často funguje strategicky případ od případu. Současný další vývojový stupeň se nazývá Collaborative Process Automation Systems.
K tomu se přidává i fakt, že dodavatelé si uvědomovali, že trh s hardwarem začíná být nasycen. Životní cyklus hardwarových komponent, jako jsou vstupy/výstupy a kabeláž, se také obvykle pohybuje v rozmezí 15 až více než 20 let, což vytváří náročný trh pro výměnu. Mnoho starších systémů, které byly instalovány v 70. a 80. letech minulého století, se používá dodnes a na trhu je značná základna instalovaných systémů, jejichž životnost se blíží ke konci. Vyspělé průmyslové ekonomiky v Severní Americe, Evropě a Japonsku již měly nainstalováno mnoho tisíc systémů DCS a vzhledem k tomu, že se stavělo jen málo nových závodů, pokud vůbec nějaké, trh s novým hardwarem se rychle přesouval do menších, i když rychleji rostoucích regionů, jako je Čína, Latinská Amerika a východní Evropa.
Z důvodu zmenšování obchodu s hardwarem začali dodavatelé provádět náročný přechod od obchodního modelu založeného na hardwaru k modelu založenému na softwaru a službách s přidanou hodnotou. Tento přechod probíhá dodnes. Portfolio aplikací nabízených dodavateli se v 90. letech značně rozšířilo a zahrnuje oblasti, jako je řízení výroby, řízení na základě modelů, optimalizace v reálném čase, správa provozních prostředků (PAM), nástroje pro řízení výkonnosti v reálném čase (RPM), správa alarmů a mnoho dalších. Získání skutečné hodnoty těchto aplikací však často vyžaduje značný obsah služeb, které dodavatelé rovněž poskytují.
Moderní systémy (od roku 2010)Edit
Nejnovější vývoj v oblasti DCS zahrnuje následující nové technologie:
- Bezdrátové systémy a protokoly
- Vzdálený přenos, protokolování a historie dat
- Mobilní rozhraní a ovládání
- Vestavěné webové servery
Stále častěji a paradoxně se DCS centralizují na úrovni závodu s možností přihlášení ke vzdálenému zařízení. To umožňuje operátorovi řídit jak na úrovni podniku ( makro ), tak na úrovni zařízení ( mikro ), a to jak v rámci závodu, tak mimo něj, protože význam fyzického umístění klesá díky propojení především díky bezdrátovému a vzdálenému přístupu.
Čím více jsou bezdrátové protokoly vyvíjeny a zdokonalovány, tím více jsou začleňovány do DCS. Řídicí jednotky DCS jsou nyní často vybaveny vestavěnými servery a poskytují webový přístup na cestách. Zda se DCS stane lídrem průmyslového internetu věcí (IIOT), nebo si od něj vypůjčí klíčové prvky, se teprve uvidí.
Mnoho dodavatelů nabízí možnost mobilního HMI, připraveného pro systémy Android i iOS. S těmito rozhraními je nyní hrozba narušení bezpečnosti a možného poškození zařízení a procesu velmi reálná.