Prosessinohjaustoimintojen kehittyminenMuutos
Suurten teollisuuslaitosten prosessinohjaus on kehittynyt monien vaiheiden kautta. Aluksi ohjaus tapahtui prosessilaitoksen paikallisista paneeleista. Tämä vaati kuitenkin suuria henkilöresursseja näiden hajautettujen paneelien hoitamiseen, eikä prosessista ollut kokonaisnäkemystä. Seuraava looginen kehitysaskel oli kaikkien laitoksen mittausten siirtäminen pysyvästi miehitettyyn keskusvalvomoon. Tämä merkitsi käytännössä kaikkien paikallisten paneelien keskittämistä, ja sen etuna oli alhaisempi henkilöstömäärä ja helpompi yleiskuva prosessista. Usein ohjaimet olivat valvomon paneelien takana, ja kaikki automaattiset ja manuaaliset ohjaustulokset siirrettiin takaisin laitokseen. Vaikka tämä järjestely tarjosi keskitetyn ohjauksen, se oli kuitenkin joustamaton, koska jokaisella ohjaussilmukalla oli oma ohjainlaitteistonsa, ja käyttäjän oli jatkuvasti liikuttava ohjaushuoneessa nähdäkseen prosessin eri osat.
Elektronisten prosessoreiden ja graafisten näyttöjen myötä nämä erilliset säätimet voitiin korvata tietokonepohjaisilla algoritmeilla, jotka sijaitsivat tulo- ja lähtötelineiden verkossa, jossa oli omat ohjausprosessorit. Nämä prosessorit voitiin sijoittaa eri puolille laitosta, ja ne saattoivat kommunikoida ohjaushuoneessa tai -huoneissa olevan graafisen näytön kanssa. Hajautettu ohjausjärjestelmä oli syntynyt.
DCS-järjestelmien käyttöönotto mahdollisti laitoksen ohjausjärjestelmien, kuten kaskadoitujen silmukoiden ja lukitusten, helpon yhteenliittämisen ja uudelleenkonfiguroinnin sekä helpon liittämisen muihin tuotannon tietokonejärjestelmiin. Se mahdollisti kehittyneen hälytysten käsittelyn, otti käyttöön automaattisen tapahtumien kirjaamisen, poisti fyysisten tallenteiden, kuten taulukkonauhureiden, tarpeen, mahdollisti ohjaustelineiden verkottamisen ja siten niiden sijoittamisen paikallisesti laitokselle kaapelointimatkojen vähentämiseksi sekä tarjosi korkean tason yleiskatsauksen laitoksen tilasta ja tuotantotasosta.
AlkuperäMuutos
Varhaisia minitietokoneita käytettiin teollisten prosessien ohjauksessa 1960-luvun alusta lähtien. Esimerkiksi IBM 1800 oli varhainen tietokone, jossa oli tulo-/lähtölaitteisto, jolla voitiin kerätä prosessisignaaleja laitoksessa muunnettavaksi kentän kosketustasoista (digitaalisille pisteille) ja analogisista signaaleista digitaaliselle alueelle.
Ensimmäinen teollinen ohjaustietokonejärjestelmä rakennettiin vuonna 1959 Texacon Port Arthurin jalostamoon Teksasissa Ramo-Wooldridge Companyn RW-300:lla.
Vuonna 1975 sekä Honeywell että japanilainen sähkötekniikkayritys Yokogawa toivat markkinoille omat itsenäisesti tuotetut DCS-järjestelmänsä – TDC 2000:n ja CENTUM:n järjestelmät. Myös yhdysvaltalainen Bristol esitteli UCS 3000 -yleisohjaimensa vuonna 1975. Vuonna 1978 Valmet esitteli oman DCS-järjestelmänsä nimeltä Damatic (uusin sukupolvi nimeltään Valmet DNA). Vuonna 1980 Bailey (nykyisin osa ABB:tä) esitteli NETWORK 90 -järjestelmän, Fisher Controls (nykyisin osa Emerson Electriciä) esitteli PROVoX-järjestelmän, Fischer & Porter Company (nykyisin myös osa ABB:tä) esitteli DCI-4000-järjestelmän (DCI on lyhenne sanoista Distributed Control Instrumentation).
DCS-järjestelmät syntyivät suurelta osin mikrotietokoneiden lisääntyneen saatavuuden ja mikroprosessoreiden yleistymisen ansiosta prosessinohjauksen maailmassa. Tietokoneita oli jo jonkin aikaa sovellettu prosessiautomaatiossa sekä suoran digitaalisen ohjauksen (DDC) että asetusarvoohjauksen muodossa. Taylor Instrument Company (nykyisin osa ABB:tä) kehitti 1970-luvun alussa 1010-järjestelmän, Foxboro FOX1-järjestelmän, Fisher Controls DC2-järjestelmän ja Bailey Controls 1055-järjestelmän. Kaikki nämä olivat DDC-sovelluksia, jotka oli toteutettu minitietokoneissa (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP jne.) ja liitetty omaan tulo-/lähtölaitteistoon. Tällä tavoin toteutettiin (tuohon aikaan) pitkälle kehitetty jatkuva ja eräohjaus. Konservatiivisempi lähestymistapa oli asetuspisteohjaus, jossa prosessitietokoneet valvoivat analogisten prosessisäätimien klustereita. Työasema tarjosi näkyvyyttä prosessiin tekstin ja karkean merkkigrafiikan avulla. Täysin toimivan graafisen käyttöliittymän saatavuus oli vielä kaukana.
DevelopmentEdit
Keskeistä DCS-mallissa oli ohjaustoimintolohkojen sisällyttäminen. Toimintolohkot kehittyivät varhaisista, alkeellisemmista DDC:n ”taulukkopohjaisten” ohjelmistojen käsitteistä. Toimintolohkot olivat yksi ensimmäisistä objektisuuntautuneista ohjelmistoista, ja ne olivat itsenäisiä koodin ”lohkoja”, jotka jäljittelivät analogisia laitteiston ohjauskomponentteja ja suorittivat prosessinohjauksen kannalta olennaisia tehtäviä, kuten PID-algoritmien suorittamisen. Toimintolohkot säilyvät edelleen DCS-toimittajien vallitsevana ohjausmenetelmänä, ja niitä tukevat nykyään keskeiset teknologiat, kuten Foundation Fieldbus.
Midac Systems, Sydney, Australia, kehitti vuonna 1982 oliosuuntautuneen hajautetun suoran digitaalisen ohjausjärjestelmän. Keskusjärjestelmässä oli 11 mikroprosessoria, jotka jakoivat tehtäviä ja yhteistä muistia, ja se oli kytketty sarjaliikenneverkkoon, joka koostui hajautetuista ohjaimista, joissa kussakin oli kaksi Z80-ohjainta. Järjestelmä asennettiin Melbournen yliopistoon.
Digitaalinen tiedonsiirto hajautettujen ohjainten, työasemien ja muiden laskentaelementtien välillä (peer to peer -yhteys) oli yksi DCS:n tärkeimmistä eduista. Huomio kiinnitettiin asianmukaisesti verkkoihin, jotka tarjosivat kaikki tärkeät tietoliikenneyhteydet, joihin prosessisovelluksissa oli sisällytettävä erityistoimintoja, kuten determinismi ja redundanssi. Tämän seurauksena monet toimittajat ottivat käyttöön IEEE 802.4 -verkkostandardin. Tämä päätös loi pohjan sille siirtymäaallolle, joka oli välttämätön, kun tietotekniikka siirtyi prosessiautomaatioon ja IEEE 802.3 eikä IEEE 802.4 vallitsi ohjauksen lähiverkkona.
Verkkokeskeinen aikakausi 1980-luvulla Muokkaa
Käyttäjät alkoivat 1980-luvulla tarkastella DCS-järjestelmiä muuhunkin kuin prosessinohjauksen perusasioihin. Hyvin varhaisen esimerkin suoran digitaalisen ohjauksen DCS:stä valmisti australialainen Midac-yritys vuosina 1981-82 käyttäen australialaisen R-Tecin suunnittelemaa laitteistoa. Melbournen yliopistoon asennetussa järjestelmässä käytettiin sarjaliikenneverkkoa, joka yhdisti kampuksen rakennukset valvomoon. Jokaisessa etäyksikössä toimi kaksi Z80-mikroprosessoria, kun taas etupäässä toimi yksitoista Z80-mikroprosessoria rinnakkaisprosessointikokoonpanossa, jossa oli sivutettua yhteistä muistia tehtävien jakamista varten ja joka pystyi suorittamaan jopa 20 000 samanaikaista ohjauskohdetta.
Es uskottiin, että jos avoimuus saataisiin toteutettua ja suuremmat tietomäärät jaettua koko yrityksessä, niin voitaisiin saada aikaan vieläkin suurempia asioita. Ensimmäiset yritykset lisätä DCS-järjestelmien avoimuutta johtivat sen ajan vallitsevan käyttöjärjestelmän käyttöönottoon: UNIX. UNIXin ja siihen liittyvän TCP-IP-verkkoteknologian oli kehittänyt Yhdysvaltain puolustusministeriö avoimuutta varten, mikä oli juuri se ongelma, jonka prosessiteollisuus halusi ratkaista.
Sen seurauksena myös toimittajat alkoivat ottaa käyttöön Ethernet-pohjaisia verkkoja, joissa oli niiden omat protokollakerrokset. Täydellistä TCP/IP-standardia ei toteutettu, mutta Ethernetin käyttö mahdollisti ensimmäisten kohteiden hallinnan ja globaalin tiedonsaantitekniikan käyttöönoton. 1980-luvulla integroitiin myös ensimmäiset PLC:t DCS-infrastruktuuriin. Myös koko laitoksen laajuiset historiatietokoneet tulivat markkinoille hyödyntämään automaatiojärjestelmien laajentunutta ulottuvuutta. Ensimmäinen DCS-toimittaja, joka otti käyttöön UNIX- ja Ethernet-verkkotekniikat, oli Foxboro, joka esitteli I/A-sarjan järjestelmän vuonna 1987.
1990-luvun sovelluskeskeinen aikakausiEdit
1980-luvun pyrkimys avoimuuteen sai vauhtia 1990-luvulla, kun kaupalliset valmiskomponentit ja tietotekniikkastandardit yleistyivät. Luultavasti suurin tänä aikana toteutettu muutos oli siirtyminen UNIX-käyttöjärjestelmästä Windows-ympäristöön. Vaikka ohjaussovellusten reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän (RTOS) aluetta hallitsevat edelleen UNIXin kaupalliset reaaliaikaiset versiot tai omat käyttöjärjestelmät, kaikki reaaliaikaisen ohjauksen yläpuolella oleva on siirtynyt Windowsiin.
Microsoftin käyttöönotto työpöytä- ja palvelinkerroksilla johti sellaisten tekniikoiden kehittymiseen kuin prosessinvalvonnan OLE-järjestelmä (OPC), joka on nykyään alan tosiasiallinen liitäntästandardi. Internet-teknologia alkoi myös tehdä tuloaan automaatiossa ja maailmalla, ja useimmat DCS HMI:t tukevat Internet-yhteyksiä. 1990-luku tunnettiin myös ”kenttäväyläsodista”, jossa kilpailevat organisaatiot kilpailivat siitä, mikä tulisi IEC-kenttäväylästandardiksi digitaalista viestintää varten kenttälaitteiden kanssa 4-20 milliampeerin analogisen viestinnän sijasta. Ensimmäiset kenttäväyläasennukset tehtiin 1990-luvulla. Vuosikymmenen loppupuolella tekniikka alkoi saada merkittävää vauhtia, ja markkinat vakiintuivat Ethernet I/P:n, Foundation Fieldbusin ja Profibus PA:n ympärille prosessiautomaatiosovelluksissa. Jotkin toimittajat rakensivat uusia järjestelmiä alusta alkaen maksimoidakseen toiminnallisuuden kenttäväylän kanssa, kuten Rockwell PlantPAx System, Honeywell Experion & Plantscape SCADA -järjestelmillä, ABB System 800xA:lla, Emerson Process Management Emerson Process Management DeltaV -ohjausjärjestelmällä, Siemens SPPA-T3000:lla tai Simatic PCS 7:llä, Forbes Marshall Microcon+ -ohjausjärjestelmällä ja Azbil Corporation Harmonas-DEO -järjestelmällä. Kenttäväylätekniikkaa on käytetty kone-, taajuusmuuttaja-, laatu- ja kunnonvalvontasovellusten integroimiseen yhteen DCS-järjestelmään Valmetin DNA-järjestelmän avulla.
COTS:n vaikutus oli kuitenkin selvin laitteistokerroksessa. Vuosien ajan DCS-toimittajien pääasiallinen liiketoiminta oli ollut suurten laitteistomäärien, erityisesti I/O:n ja ohjainten, toimittaminen. DCS-järjestelmien alkuvaiheen yleistyminen edellytti, että näitä laitteita asennettiin valtavia määriä, ja suurin osa niistä oli DCS-toimittajien alhaalta ylöspäin valmistamia. Intelin ja Motorolan kaltaisten valmistajien standarditietokonekomponentit tekivät DCS-toimittajille kuitenkin kustannuksiltaan mahdottomaksi jatkaa omien komponenttien, työasemien ja verkkolaitteistojen valmistusta.
Kun toimittajat siirtyivät COTS-komponentteihin, ne huomasivat myös, että laitteistomarkkinat kutistuivat nopeasti. COTS ei ainoastaan alentanut toimittajan valmistuskustannuksia, vaan myös loppukäyttäjien hinnat laskivat tasaisesti, ja loppukäyttäjät alkoivat myös yhä äänekkäämmin puuttua heidän mielestään kohtuuttoman korkeisiin laitteistokustannuksiin. Jotkin aiemmin vahvemmin PLC-liiketoiminnassa toimineet toimittajat, kuten Rockwell Automation ja Siemens, pystyivät hyödyntämään asiantuntemustaan ohjauslaitteistojen valmistuksessa tullakseen DCS-markkinoille kustannustehokkailla tarjouksilla, vaikka näiden uusien järjestelmien vakaus/skaalautuvuus/luotettavuus ja toiminnallisuus paranevat edelleen. Perinteiset DCS-toimittajat toivat markkinoille uuden sukupolven DCS-järjestelmän, joka perustuu uusimpiin tietoliikenne- ja IEC-standardeihin, mikä johti siihen, että perinteiset PLC- ja DCS-käsitteet/toiminnot yhdistettiin yhdeksi kokonaisratkaisuksi, jota kutsutaan nimellä ”prosessiautomaatiojärjestelmä” (PAS). Eri järjestelmien välillä on edelleen puutteita esimerkiksi seuraavilla aloilla: tietokannan eheys, esisuunnittelutoiminnot, järjestelmän kypsyys, viestinnän avoimuus ja luotettavuus. Vaikka oletetaan, että kustannussuhde on suhteellisen sama (mitä tehokkaampia järjestelmät ovat, sitä kalliimpia ne ovat), todellisuudessa automaatioalalla toimitaan usein strategisesti tapauskohtaisesti. Tämänhetkinen seuraava kehitysaskel on nimeltään Collaborative Process Automation Systems.
Kaiken lisäksi toimittajat huomasivat, että laitteistomarkkinat olivat kyllästymässä. Laitteistokomponenttien, kuten I/O:n ja johdotuksen, elinkaari on tyypillisesti 15-20 vuotta, mikä tekee korvaavista markkinoista haastavat. Monet 1970- ja 1980-luvuilla asennetuista vanhemmista järjestelmistä ovat edelleen käytössä, ja markkinoilla on huomattava määrä järjestelmiä, joiden käyttöikä lähestyy loppuaan. Pohjois-Amerikan, Euroopan ja Japanin kehittyneissä teollisuustalouksissa oli jo asennettu useita tuhansia DCS-järjestelmiä, ja koska uusia laitoksia rakennettiin vain vähän tai ei lainkaan, uusien laitteistojen markkinat siirtyivät nopeasti pienemmille, vaikkakin nopeammin kasvaville alueille, kuten Kiinaan, Latinalaiseen Amerikkaan ja Itä-Eurooppaan.
Laitteistoliiketoiminnan supistumisen vuoksi toimittajat alkoivat siirtyä haastavalla tavalla laitteistopohjaisesta liiketoimintamallista ohjelmistoihin ja lisäarvopalveluihin perustuvaan malliin. Tätä siirtymää tehdään yhä tänä päivänä. Toimittajien tarjoama sovellusvalikoima laajeni huomattavasti 90-luvulla sisältäen muun muassa tuotannonhallinnan, mallipohjaisen ohjauksen, reaaliaikaisen optimoinnin, laitosomaisuuden hallinnan (Plant Asset Management, PAM), reaaliaikaiset suorituskyvyn hallintatyökalut (Real-time Performance Management, RPM), hälytysten hallinnan ja monia muita aloja. Todellisen arvon saaminen näistä sovelluksista edellyttää kuitenkin usein huomattavaa palvelusisältöä, jota toimittajat myös tarjoavat.
Nykyaikaiset järjestelmät (vuodesta 2010 lähtien)Edit
DCS:n viimeisimpään kehitykseen kuuluvat seuraavat uudet teknologiat:
- Langattomat järjestelmät ja protokollat
- Etälähetys, kirjaaminen ja datahistorioitsija
- Mobiililiitännät ja -ohjaukset
- Sisäänrakennetut web-palvelimet
Yhä useammin ja ironisemmin DCS-järjestelmistä tulee keskitettyjä laitostasolla, jolloin etälaitteistoihin voidaan kirjautua. Tämä antaa operaattorille mahdollisuuden valvoa sekä yritystasolla ( makro ) että laitetasolla ( mikro ) sekä laitoksen sisällä että sen ulkopuolella, koska fyysisen sijainnin merkitys vähenee ensisijaisesti langattomuuden ja etäyhteyksien ansiosta tapahtuvan yhteenliitettävyyden vuoksi.
Mitä enemmän langattomia protokollia kehitetään ja hiotaan, sitä enemmän niitä sisällytetään DCS:ään. DCS-ohjaimet on nykyään usein varustettu sulautetuilla palvelimilla, ja ne mahdollistavat verkkoyhteyden paikan päällä. Nähtäväksi jää, tuleeko DCS johtamaan esineiden teollista internetiä (Industrial Internet of Things, IIOT) vai lainaako se siitä keskeisiä elementtejä.
Monet toimittajat tarjoavat mahdollisuuden mobiiliin HMI:hen, joka on valmis sekä Androidille että iOS:lle. Näiden käyttöliittymien myötä tietoturvaloukkausten ja mahdollisten laitos- ja prosessivahinkojen uhka on nyt hyvin todellinen.