Udvikling af processtyringsoperationerRediger
Processtyring af store industrianlæg har udviklet sig gennem mange faser. Oprindeligt ville styringen ske fra paneler lokalt på procesanlægget. Dette krævede imidlertid en stor arbejdskraftressource til at tage sig af disse spredte paneler, og der var ingen overordnet oversigt over processen. Den næste logiske udvikling var at overføre alle målinger fra anlægget til et centralt kontrolrum med permanent bemanding. Dette var i realiteten en centralisering af alle de lokaliserede paneler med fordelene af et lavere bemandingsniveau og et lettere overblik over processen. Ofte var kontrollørerne placeret bag kontrolrumspanelerne, og alle automatiske og manuelle kontroludgange blev transmitteret tilbage til anlægget. Selv om dette arrangement gav et centralt kontrolfokus, var det imidlertid ufleksibelt, da hvert kontrolkredsløb havde sin egen styringshardware, og det var nødvendigt for operatøren at bevæge sig hele tiden i kontrolrummet for at se forskellige dele af processen.
Med fremkomsten af elektroniske processorer og grafiske skærme blev det muligt at erstatte disse diskrete styringer med computerbaserede algoritmer, der var placeret på et netværk af input/output-racks med deres egne styringsprocessorer. Disse kunne fordeles rundt omkring på anlægget og kommunikere med den grafiske skærm i kontrolrummet eller -rummene. Det distribuerede styresystem var født.
Indførelsen af DCS’er muliggjorde nem sammenkobling og omkonfigurering af anlæggets kontrolsystemer, f.eks. kaskadeformede sløjfer og interlocks, samt nem grænseflade med andre produktionsdatasystemer. Det muliggjorde sofistikeret alarmhåndtering, indførte automatisk logning af hændelser, fjernede behovet for fysiske optegnelser som f.eks. diagramoptagere, gjorde det muligt at forbinde styringsracks i netværk og dermed placere dem lokalt i anlægget for at reducere kabelføringen og gav overblik på højt niveau over anlæggets status og produktionsniveau.
OprindelseRediger
De tidlige minicomputere er blevet anvendt til styring af industrielle processer siden begyndelsen af 1960’erne. IBM 1800 var f.eks. en tidlig computer, der havde input/output-hardware til at indsamle processignaler i et anlæg med henblik på konvertering fra feltkontaktniveauer (til digitale punkter) og analoge signaler til det digitale domæne.
Det første industrielle styringscomputer-system blev bygget 1959 på Texaco Port Arthur, Texas, raffinaderiet med en RW-300 fra Ramo-Wooldridge Company.
I 1975 introducerede både Honeywell og det japanske elektrotekniske firma Yokogawa deres egne uafhængigt producerede DCS’er – henholdsvis TDC 2000- og CENTUM-systemer. Det amerikanske Bristol introducerede også deres universalcontroller UCS 3000 i 1975. I 1978 introducerede Valmet sit eget DCS-system kaldet Damatic (den seneste generation hedder Valmet DNA). I 1980 introducerede Bailey (nu en del af ABB) NETWORK 90-systemet, Fisher Controls (nu en del af Emerson Electric) introducerede PROVoX-systemet, Fischer & Porter Company (nu også en del af ABB) introducerede DCI-4000 (DCI står for Distributed Control Instrumentation).
DCS’et opstod i høj grad som følge af den øgede tilgængelighed af mikrocomputere og udbredelsen af mikroprocessorer i verdenen af processtyring. Computere havde allerede i nogen tid været anvendt til procesautomatisering i form af både direkte digital styring (DDC) og setpunktstyring. I begyndelsen af 1970’erne udviklede Taylor Instrument Company (nu en del af ABB) 1010-systemet, Foxboro FOX1-systemet, Fisher Controls DC2-systemet og Bailey Controls 1055-systemet. Alle disse var DDC-applikationer, der blev implementeret i minicomputere (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP osv.) og forbundet med proprietær input/output-hardware. På denne måde blev der gennemført en sofistikeret (for den tid) kontinuerlig styring såvel som batchstyring. En mere konservativ fremgangsmåde var setpointstyring, hvor procescomputere overvågede klynger af analoge procesregulatorer. En arbejdsstation sørgede for synlighed i processen ved hjælp af tekst og grov karaktergrafik. Der var et stykke vej til en fuldt funktionel grafisk brugergrænseflade.
DevelopmentEdit
Den centrale del af DCS-modellen var inddragelse af kontrolfunktionsblokke. Funktionsblokke udviklede sig fra tidlige, mere primitive DDC-koncepter af “tabelstyret” software. Funktionsblokke, som var en af de første udførelser af objektorienteret software, var selvstændige “blokke” af kode, der emulerede analoge hardwarekontrolkomponenter og udførte opgaver, som var væsentlige for processtyring, f.eks. udførelse af PID-algoritmer. Funktionsblokke er fortsat den fremherskende styringsmetode for DCS-leverandører og understøttes i dag af nøgleteknologier som Foundation Fieldbus.
Midac Systems i Sydney, Australien, udviklede i 1982 et objektorienteret distribueret direkte digitalt styringssystem. Det centrale system kørte 11 mikroprocessorer, der delte opgaver og fælles hukommelse og var forbundet med et serielt kommunikationsnetværk af distribuerede controllere, der hver kørte to Z80’ere. Systemet blev installeret på University of Melbourne.
Digital kommunikation mellem distribuerede controllere, arbejdsstationer og andre computerelementer (peer to peer-adgang) var en af DCS’ets primære fordele. Opmærksomheden blev behørigt rettet mod nettene, som leverede de vigtige kommunikationslinjer, der for procesapplikationer skulle indeholde specifikke funktioner som determinisme og redundans. Som følge heraf tog mange leverandører IEEE 802.4-netværksstandarden til sig. Denne beslutning lagde grunden til den bølge af migreringer, der var nødvendig, da informationsteknologien flyttede ind i procesautomatisering, og IEEE 802.3 snarere end IEEE 802.4 sejrede som styrings-LAN.
Den netværkscentrerede æra i 1980’erneRediger
I 1980’erne begyndte brugerne at se på DCS’er som mere end blot grundlæggende processtyring. Et meget tidligt eksempel på et DCS med direkte digital styring blev færdiggjort af den australske virksomhed Midac i 1981-82 ved hjælp af hardware designet af R-Tec Australian. Systemet, der blev installeret på University of Melbourne, anvendte et serielt kommunikationsnetværk, der forbandt campusbygningerne tilbage til et kontrolrums “front end”. Hver fjernstyret enhed kørte to Z80-mikroprocessorer, mens front-end’en kørte elleve Z80’ere i en parallelbehandlingskonfiguration med fælles hukommelse, der kunne dele opgaverne, og som kunne køre op til 20.000 samtidige kontrolobjekter.
Det var opfattelsen, at hvis der kunne opnås åbenhed, og større datamængder kunne deles i hele virksomheden, kunne der opnås endnu større ting. De første forsøg på at øge DCS’ernes åbenhed resulterede i vedtagelsen af det fremherskende styresystem på det tidspunkt: UNIX. UNIX og den tilhørende netværksteknologi TCP-IP blev udviklet af det amerikanske forsvarsministerium med henblik på åbenhed, hvilket var netop det problem, som procesindustrierne søgte at løse.
Dermed begyndte leverandørerne også at indføre Ethernet-baserede netværk med deres egne proprietære protokollag. Den fulde TCP/IP-standard blev ikke implementeret, men brugen af Ethernet gjorde det muligt at implementere de første eksempler på objektstyring og global dataadgangsteknologi. I 1980’erne blev også de første PLC’er integreret i DCS-infrastrukturen. Der opstod også historikere for hele fabrikken for at udnytte automatiseringssystemernes udvidede rækkevidde. Den første DCS-leverandør, der indførte UNIX- og Ethernet-netværksteknologier, var Foxboro, som introducerede I/A Series-systemet i 1987.
Den applikationscentrerede æra i 1990’erneRediger
Den indsats mod åbenhed i 1980’erne fik momentum gennem 1990’erne med den øgede indførelse af kommercielle off-the-shelf-komponenter (COTS) og it-standarder. Den nok største overgang, der blev gennemført i denne periode, var overgangen fra UNIX-styresystemet til Windows-miljøet. Mens realtidsoperativsystemet (RTOS) til kontrolapplikationer fortsat er domineret af kommercielle realtidsvarianter af UNIX eller proprietære operativsystemer, er alt andet end realtidsstyring overgået til Windows.
Indførelsen af Microsoft på desktop- og serverlagene resulterede i udviklingen af teknologier såsom OLE til processtyring (OPC), som nu er en de facto-standard for forbindelsesmuligheder i industrien. Internetteknologien begyndte også at sætte sit præg på automatisering og verden, og de fleste DCS HMI’er understøtter internetforbindelse. 1990’erne var også kendt for “feltbuskrigene”, hvor rivaliserende organisationer konkurrerede om at definere det, der skulle blive IEC-feltbusstandarden for digital kommunikation med feltinstrumenter i stedet for 4-20 milliamps analog kommunikation. De første feltbusinstallationer fandt sted i 1990’erne. Mod slutningen af årtiet begyndte teknologien at udvikle et betydeligt momentum, og markedet blev konsolideret omkring Ethernet I/P, Foundation Fieldbus og Profibus PA til procesautomatiseringsapplikationer. Nogle leverandører byggede nye systemer helt fra bunden for at maksimere funktionaliteten med feltbus, f.eks. Rockwell PlantPAx System, Honeywell med Experion & Plantscape SCADA-systemer, ABB med System 800xA, Emerson Process Management med Emerson Process Management DeltaV-kontrolsystemet, Siemens med SPPA-T3000 eller Simatic PCS 7, Forbes Marshall med Microcon+-kontrolsystemet og Azbil Corporation med Harmonas-DEO-systemet. Feltbusteknikker er blevet anvendt til at integrere maskin-, drev-, kvalitets- og tilstandsovervågningsapplikationer i ét DCS-system med Valmet DNA-systemet.
Den store effekt af COTS var imidlertid mest udtalt i hardwarelaget. I årevis havde DCS-leverandørernes primære forretning været levering af store mængder hardware, især I/O og controllere. Den første udbredelse af DCS’er krævede installation af enorme mængder af denne hardware, hvoraf det meste blev fremstillet fra bunden af DCS-leverandørerne. Standardcomputerkomponenter fra producenter som Intel og Motorola gjorde det imidlertid uoverkommeligt for DCS-leverandørerne at fortsætte med at fremstille deres egne komponenter, arbejdsstationer og netværkshardware.
Da leverandørerne overgik til COTS-komponenter, opdagede de også, at hardwaremarkedet skrumpede hurtigt. COTS resulterede ikke blot i lavere produktionsomkostninger for leverandøren, men også i stadigt faldende priser for slutbrugerne, som også blev mere og mere højlydte over det, de opfattede som urimeligt høje hardwareomkostninger. Nogle leverandører, der tidligere var stærkere på PLC-området, f.eks. Rockwell Automation og Siemens, var i stand til at udnytte deres ekspertise inden for fremstilling af styringshardware til at komme ind på DCS-markedet med omkostningseffektive tilbud, mens disse nye systemers stabilitet/skalérbarhed/pålidelighed og funktionalitet stadig er ved at blive forbedret. De traditionelle DCS-leverandører introducerede en ny generation af DCS-systemer baseret på de nyeste kommunikations- og IEC-standarder, hvilket resulterede i en tendens til at kombinere de traditionelle koncepter/funktioner for PLC og DCS i en samlet løsning med navnet “Process Automation System” (PAS). Der er stadig mangler mellem de forskellige systemer på områder som f.eks. databaseintegritet, funktionalitet forud for ingeniørarbejde, systemets modenhed, kommunikationsgennemskuelighed og pålidelighed. Selv om det forventes, at omkostningsforholdet er relativt ens (jo kraftigere systemerne er, jo dyrere er de), er virkeligheden i automatiseringsbranchen ofte, at der opereres strategisk fra sag til sag. Det nuværende næste udviklingstrin kaldes Collaborative Process Automation Systems.
For at forværre problemet var leverandørerne også ved at indse, at hardwaremarkedet var ved at være mættet. Livscyklussen for hardwarekomponenter som I/O og ledninger er også typisk på 15 til over 20 år, hvilket gør udskiftningsmarkedet udfordrende. Mange af de ældre systemer, der blev installeret i 1970’erne og 1980’erne, er stadig i brug i dag, og der er en betydelig installeret base af systemer på markedet, som nærmer sig slutningen af deres levetid. I de udviklede industriøkonomier i Nordamerika, Europa og Japan var der allerede installeret mange tusinde DCS’er, og da der kun blev bygget få eller ingen nye anlæg, flyttede markedet for ny hardware sig hurtigt til mindre, men hurtigere voksende regioner som Kina, Latinamerika og Østeuropa.
På grund af den faldende hardwareforretning begyndte leverandørerne at foretage den udfordrende overgang fra en hardwarebaseret forretningsmodel til en baseret på software og værdiskabende tjenester. Det er en overgang, der stadig er undervejs i dag. Den applikationsportefølje, som leverandørerne tilbyder, blev udvidet betydeligt i 90’erne til at omfatte områder som produktionsstyring, modelbaseret styring, realtidsoptimering, plant asset management (PAM), Real-time performance management (RPM)-værktøjer, alarmstyring og mange andre. For at opnå den virkelige værdi af disse applikationer kræves der imidlertid ofte et betydeligt serviceindhold, som leverandørerne også leverer.
Moderne systemer (2010 og fremefter)Rediger
Den seneste udvikling inden for DCS omfatter følgende nye teknologier:
- Trådløse systemer og protokoller
- Fjerntransmission, logning og datahistoriker
- Mobile grænseflader og styringer
- Indlejrede web-servere
I stigende grad, og ironisk nok, bliver DCS centraliseret på anlægsniveau med mulighed for at logge ind på det fjerntliggende udstyr. Dette giver operatøren mulighed for at styre både på virksomhedsniveau ( makro ) og på udstyrsniveau (mikro), både inden for og uden for anlægget, fordi betydningen af den fysiske placering falder på grund af sammenkobling primært takket være trådløs og fjernadgang.
Desto mere trådløse protokoller udvikles og forfines, jo mere indgår de i DCS. DCS-controllere er nu ofte udstyret med indbyggede servere og giver webadgang undervejs. Det er endnu uvist, om DCS vil føre an i Industrial Internet of Things (IIOT) eller låne nøgleelementer fra.
Mange leverandører giver mulighed for en mobil HMI, der er klar til både Android og iOS. Med disse grænseflader er truslen om sikkerhedsbrud og mulig skade på anlæg og proces nu meget reel.