Évolution des opérations de contrôle des processusEdit
Le contrôle des processus des grandes usines industrielles a évolué à travers de nombreuses étapes. Initialement, le contrôle se faisait à partir de panneaux locaux à l’usine de traitement. Cependant, cela nécessitait une grande ressource en main-d’œuvre pour s’occuper de ces panneaux dispersés, et il n’y avait pas de vue d’ensemble du processus. L’évolution logique suivante a été la transmission de toutes les mesures de l’installation à une salle de contrôle centrale surveillée en permanence. En fait, il s’agissait de la centralisation de tous les panneaux localisés, avec les avantages d’une main-d’œuvre réduite et d’une vue d’ensemble plus facile du processus. Souvent, les contrôleurs se trouvaient derrière les panneaux de la salle de contrôle, et toutes les sorties de contrôle automatiques et manuelles étaient transmises à l’usine. Cependant, tout en fournissant un centre de contrôle central, cet arrangement était inflexible car chaque boucle de contrôle avait son propre matériel de contrôleur, et un mouvement continuel de l’opérateur dans la salle de contrôle était nécessaire pour voir différentes parties du processus.
Avec l’arrivée des processeurs électroniques et des écrans graphiques, il est devenu possible de remplacer ces contrôleurs discrets par des algorithmes basés sur ordinateur, hébergés sur un réseau de racks d’entrée/sortie avec leurs propres processeurs de contrôle. Ceux-ci pouvaient être répartis dans l’usine et communiquer avec l’affichage graphique dans la ou les salles de contrôle. Le système de contrôle distribué était né.
L’introduction des DCS a permis une interconnexion et une reconfiguration faciles des commandes de l’usine, telles que les boucles en cascade et les interlocks, ainsi qu’une interface facile avec d’autres systèmes informatiques de production. Il a permis un traitement sophistiqué des alarmes, a introduit l’enregistrement automatique des événements, a supprimé le besoin d’enregistrements physiques tels que les enregistreurs de graphiques, a permis aux racks de contrôle d’être mis en réseau et ainsi situés localement à l’usine pour réduire les parcours de câblage, et a fourni des aperçus de haut niveau de l’état de l’usine et des niveaux de production.
OriginesEdit
Les premiers mini-ordinateurs ont été utilisés dans le contrôle des processus industriels depuis le début des années 1960. L’IBM 1800, par exemple, était un des premiers ordinateurs qui disposait d’un matériel d’entrée/sortie permettant de rassembler les signaux de processus dans une usine pour les convertir des niveaux de contact sur le terrain (pour les points numériques) et des signaux analogiques dans le domaine numérique.
Le premier système informatique de contrôle industriel a été construit 1959 à la raffinerie Texaco Port Arthur, Texas, avec un RW-300 de la Ramo-Wooldridge Company.
En 1975, Honeywell et la société japonaise d’ingénierie électrique Yokogawa ont introduit leurs propres systèmes DCS produits indépendamment – respectivement les systèmes TDC 2000 et CENTUM. La société américaine Bristol a également présenté son contrôleur universel UCS 3000 en 1975. En 1978, Valmet a introduit son propre système DCS appelé Damatic (la dernière génération est appelée Valmet DNA). En 1980, Bailey (qui fait maintenant partie d’ABB) a présenté le système NETWORK 90, Fisher Controls (qui fait maintenant partie d’Emerson Electric) a présenté le système PROVoX, Fischer & Porter Company (qui fait maintenant aussi partie d’ABB) a présenté le DCI-4000 (DCI signifie Distributed Control Instrumentation).
Le DCS est en grande partie né de la disponibilité accrue des micro-ordinateurs et de la prolifération des microprocesseurs dans le monde du contrôle des processus. Les ordinateurs avaient déjà été appliqués à l’automatisation des processus depuis un certain temps sous la forme de la commande numérique directe (DDC) et de la commande par points de consigne. Au début des années 1970, Taylor Instrument Company (qui fait maintenant partie d’ABB) a développé le système 1010, Foxboro le système FOX1, Fisher Controls le système DC2 et Bailey Controls les systèmes 1055. Toutes ces applications DDC étaient mises en œuvre dans des mini-ordinateurs (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) et connectées à un matériel d’entrée/sortie propriétaire. Des contrôles sophistiqués (pour l’époque) en continu et par lots étaient mis en œuvre de cette manière. Une approche plus conservatrice était le contrôle des points de consigne, où les ordinateurs de processus supervisaient des groupes de contrôleurs de processus analogiques. Une station de travail permettait de visualiser le processus à l’aide de texte et de graphiques de caractères grossiers. La disponibilité d’une interface utilisateur graphique entièrement fonctionnelle était loin d’être acquise.
DéveloppementEdit
L’inclusion de blocs fonctionnels de contrôle était au cœur du modèle DCS. Les blocs fonctionnels ont évolué à partir des premiers concepts plus primitifs du SDC de logiciels » pilotés par des tables « . Une des premières incarnations du logiciel orienté objet, les blocs fonctionnels étaient des « blocs » de code autonomes qui émulaient les composants de contrôle du matériel analogique et exécutaient des tâches essentielles au contrôle du processus, comme l’exécution des algorithmes PID. Les blocs fonctionnels continuent de perdurer en tant que méthode de contrôle prédominante pour les fournisseurs de DCS, et sont soutenus par des technologies clés telles que Foundation Fieldbus aujourd’hui.
Midac Systems, de Sydney, Australie, a développé un système de contrôle numérique direct distribué orienté objet en 1982. Le système central exécutait 11 microprocesseurs partageant les tâches et la mémoire commune et connectés à un réseau de communication série de contrôleurs distribués exécutant chacun deux Z80. Le système était installé à l’université de Melbourne.
La communication numérique entre les contrôleurs distribués, les stations de travail et les autres éléments informatiques (accès de pair à pair) était l’un des principaux avantages du DCS. L’attention a été dûment portée sur les réseaux, qui fournissaient les lignes de communication indispensables qui, pour les applications de processus, devaient intégrer des fonctions spécifiques telles que le déterminisme et la redondance. C’est ainsi que de nombreux fournisseurs ont adopté la norme de réseau IEEE 802.4. Cette décision a préparé le terrain pour la vague de migrations nécessaires lorsque la technologie de l’information s’est déplacée vers l’automatisation des processus et que l’IEEE 802.3 plutôt que l’IEEE 802.4 a prévalu comme réseau local de contrôle.
L’ère centrée sur le réseau des années 1980Éditer
Dans les années 1980, les utilisateurs ont commencé à considérer les SNCC comme plus qu’un simple contrôle de processus de base. Un exemple très précoce de DCS à commande numérique directe a été réalisé par l’entreprise australienne Midac en 1981-82 en utilisant du matériel conçu par R-Tec Australian. Le système installé à l’Université de Melbourne utilisait un réseau de communication série, reliant les bâtiments du campus à une salle de contrôle « frontale ». Chaque unité distante exécutait deux microprocesseurs Z80, tandis que le frontal exécutait onze Z80 dans une configuration de traitement parallèle avec une mémoire commune paginée pour partager les tâches et qui pouvait exécuter jusqu’à 20 000 objets de contrôle simultanés.
On pensait que si l’ouverture pouvait être réalisée et que de plus grandes quantités de données pouvaient être partagées dans toute l’entreprise, des choses encore plus grandes pourraient être réalisées. Les premières tentatives pour accroître l’ouverture des SCD se sont traduites par l’adoption du système d’exploitation prédominant de l’époque : UNIX. UNIX et la technologie de mise en réseau qui l’accompagne, TCP-IP, ont été développés par le ministère américain de la Défense dans un souci d’ouverture, ce qui était précisément le problème que les industries de transformation cherchaient à résoudre.
En conséquence, les fournisseurs ont également commencé à adopter des réseaux basés sur Ethernet avec leurs propres couches de protocole propriétaires. La norme TCP/IP complète n’a pas été mise en œuvre, mais l’utilisation d’Ethernet a permis de mettre en œuvre les premières instances de la technologie de gestion d’objets et d’accès global aux données. Les années 1980 ont également été marquées par l’intégration des premiers automates programmables dans l’infrastructure DCS. Les historiens à l’échelle de l’usine sont également apparus pour tirer parti de la portée étendue des systèmes d’automatisation. Le premier fournisseur de DCS à adopter les technologies de réseau UNIX et Ethernet a été Foxboro, qui a lancé le système I/A Series en 1987.
L’ère centrée sur les applications des années 1990Edit
L’élan vers l’ouverture des années 1980 a pris de l’ampleur tout au long des années 1990 avec l’adoption accrue de composants commerciaux prêts à l’emploi (COTS) et de normes informatiques. La plus grande transition entreprise à cette époque a probablement été le passage du système d’exploitation UNIX à l’environnement Windows. Alors que le domaine du système d’exploitation en temps réel (RTOS) pour les applications de contrôle reste dominé par des variantes commerciales en temps réel d’UNIX ou des systèmes d’exploitation propriétaires, tout ce qui dépasse le contrôle en temps réel a fait la transition vers Windows.
L’introduction de Microsoft au niveau des couches de bureau et de serveur a entraîné le développement de technologies telles que OLE pour le contrôle des processus (OPC), qui est maintenant une norme de connectivité industrielle de facto. La technologie Internet a également commencé à s’imposer dans l’automatisation et dans le monde, la plupart des IHM DCS prenant en charge la connectivité Internet. Les années 1990 ont également été marquées par la « guerre des bus de terrain », au cours de laquelle des organisations rivales se sont affrontées pour définir ce qui allait devenir la norme de bus de terrain CEI pour la communication numérique avec l’instrumentation de terrain au lieu des communications analogiques 4-20 milliampères. Les premières installations de bus de terrain ont eu lieu dans les années 1990. Vers la fin de la décennie, la technologie a commencé à prendre de l’ampleur, avec un marché consolidé autour d’Ethernet I/P, Foundation Fieldbus et Profibus PA pour les applications d’automatisation des processus. Certains fournisseurs ont construit de nouveaux systèmes à partir de zéro pour maximiser la fonctionnalité avec le bus de terrain, comme le système PlantPAx de Rockwell, Honeywell avec les systèmes SCADA Experion & Plantscape, ABB avec le système 800xA, Emerson Process Management avec le système de contrôle Emerson Process Management DeltaV, Siemens avec le SPPA-T3000 ou Simatic PCS 7, Forbes Marshall avec le système de contrôle Microcon+ et Azbil Corporation avec le système Harmonas-DEO. Les techniques de bus de terrain ont été utilisées pour intégrer les applications de surveillance des machines, des entraînements, de la qualité et des conditions à un seul DCS avec le système Valmet DNA.
L’impact des COTS, cependant, a été plus prononcé au niveau de la couche matérielle. Pendant des années, l’activité principale des fournisseurs de DCS a été la fourniture de grandes quantités de matériel, en particulier les E/S et les contrôleurs. La prolifération initiale des SNCC a nécessité l’installation de quantités prodigieuses de ce matériel, dont la plupart ont été fabriqués de A à Z par les fournisseurs de SNCC. Les composants informatiques standard de fabricants tels qu’Intel et Motorola, cependant, ont rendu le coût prohibitif pour les fournisseurs de DCS de continuer à fabriquer leurs propres composants, stations de travail et matériel de mise en réseau.
Lorsque les fournisseurs ont fait la transition vers les composants COTS, ils ont également découvert que le marché du matériel se rétrécissait rapidement. Le COTS a non seulement entraîné une baisse des coûts de fabrication pour le fournisseur, mais aussi une baisse constante des prix pour les utilisateurs finaux, qui se faisaient de plus en plus entendre sur ce qu’ils percevaient comme des coûts de matériel indûment élevés. Certains fournisseurs qui étaient auparavant plus forts dans le domaine des PLC, tels que Rockwell Automation et Siemens, ont pu tirer parti de leur expertise dans la fabrication de matériel de contrôle pour entrer sur le marché des DCS avec des offres rentables, alors que la stabilité, l’évolutivité, la fiabilité et la fonctionnalité de ces systèmes émergents continuent de s’améliorer. Les fournisseurs traditionnels de systèmes DCS ont introduit une nouvelle génération de systèmes DCS basés sur les dernières normes de communication et de la CEI, ce qui a entraîné une tendance à combiner les concepts/fonctionnalités traditionnels des PLC et DCS en une solution unique appelée « système d’automatisation des processus » (PAS). Les écarts entre les différents systèmes subsistent dans des domaines tels que l’intégrité de la base de données, la fonctionnalité de préingénierie, la maturité du système, la transparence de la communication et la fiabilité. Bien que l’on s’attende à ce que le rapport de coût soit relativement le même (plus les systèmes sont puissants, plus ils sont chers), la réalité du secteur de l’automatisation consiste souvent à opérer de manière stratégique au cas par cas. La prochaine étape d’évolution actuelle s’appelle les systèmes d’automatisation des processus collaboratifs.
Pour aggraver le problème, les fournisseurs réalisaient également que le marché du matériel devenait saturé. Le cycle de vie des composants matériels tels que les E/S et le câblage est aussi généralement de l’ordre de 15 à plus de 20 ans, ce qui rend le marché de remplacement difficile. Un grand nombre des anciens systèmes installés dans les années 1970 et 1980 sont encore utilisés aujourd’hui, et il existe une base installée considérable de systèmes sur le marché qui approchent de la fin de leur vie utile. Les économies industrielles développées d’Amérique du Nord, d’Europe et du Japon avaient déjà plusieurs milliers de DCS installés, et avec peu ou pas de nouvelles usines construites, le marché du nouveau matériel se déplaçait rapidement vers des régions plus petites, mais à croissance plus rapide, comme la Chine, l’Amérique latine et l’Europe de l’Est.
En raison du rétrécissement du marché du matériel, les fournisseurs ont commencé à faire la transition difficile d’un modèle commercial basé sur le matériel à un modèle basé sur les logiciels et les services à valeur ajoutée. C’est une transition qui se fait encore aujourd’hui. Le portefeuille d’applications proposé par les fournisseurs s’est considérablement élargi dans les années 90 pour inclure des domaines tels que la gestion de la production, le contrôle par modèle, l’optimisation en temps réel, la gestion des actifs de l’usine (PAM), les outils de gestion des performances en temps réel (RPM), la gestion des alarmes et bien d’autres encore. Cependant, pour obtenir la véritable valeur de ces applications, il faut souvent un contenu de service considérable, que les fournisseurs fournissent également.
Systèmes modernes (à partir de 2010)Edit
Les derniers développements en matière de DCS incluent les nouvelles technologies suivantes :
- Systèmes et protocoles sans fil
- Transmission à distance, enregistrement et historien de données
- Interfaces et commandes mobiles
- Serveurs web intégrés
De plus en plus, et ironiquement, les DCS deviennent centralisés au niveau de l’usine, avec la possibilité de se connecter à l’équipement distant. Cela permet à l’opérateur de contrôler à la fois au niveau de l’entreprise ( macro ) et au niveau de l’équipement ( micro ), à l’intérieur et à l’extérieur de l’usine, car l’importance de l’emplacement physique diminue en raison de l’interconnectivité principalement grâce au sans fil et à l’accès à distance.
Plus les protocoles sans fil sont développés et affinés, plus ils sont inclus dans les DCS. Les contrôleurs DCS sont désormais souvent équipés de serveurs embarqués et offrent un accès web en déplacement. Il reste à voir si le DCS sera à l’avant-garde de l’Internet industriel des objets (IIOT) ou s’il en empruntera des éléments clés.
De nombreux fournisseurs offrent l’option d’une IHM mobile, prête pour Android et iOS. Avec ces interfaces, la menace de brèches de sécurité et de dommages éventuels à l’usine et au processus est maintenant très réelle.