A folyamatirányítási műveletek fejlődéseSzerkesztés
A nagy ipari üzemek folyamatirányítása számos szakaszon keresztül fejlődött. Kezdetben a vezérlés a folyamatüzemben helyileg elhelyezett panelekről történt. Ez azonban nagy emberierőforrást igényelt ezeknek a szétszórt paneleknek a kezeléséhez, és nem volt átfogó rálátás a folyamatra. A következő logikus fejlemény az összes üzemi mérés továbbítása volt egy állandó személyzetű központi vezérlőterembe. Ez gyakorlatilag az összes lokalizált panel központosítását jelentette, amelynek előnye a kisebb létszámú személyzet és a folyamat könnyebb áttekinthetősége volt. A vezérlők gyakran a vezérlőterem paneljei mögött voltak, és az összes automatikus és kézi vezérlési kimenetet visszaküldték az üzembe. Ez az elrendezés azonban, bár központi vezérlési fókuszt biztosított, rugalmatlan volt, mivel minden vezérlőhuroknak saját vezérlő hardvere volt, és a kezelőnek folyamatosan mozognia kellett a vezérlőteremben a folyamat különböző részeinek megtekintéséhez.
Az elektronikus processzorok és a grafikus kijelzők megjelenésével lehetővé vált, hogy ezeket a diszkrét vezérlőket számítógép-alapú algoritmusokkal váltsák fel, amelyeket saját vezérlőprocesszorokkal rendelkező be- és kimeneti állványok hálózatán tároltak. Ezeket el lehetett osztani az üzemben, és kommunikálni lehetett a vezérlőteremben vagy -termekben lévő grafikus kijelzővel. Megszületett az elosztott vezérlőrendszer.
A DCS-ek bevezetése lehetővé tette az üzemi vezérlések egyszerű összekapcsolását és újrakonfigurálását, például a kaszkádhurkokat és a reteszeléseket, valamint a más termelési számítógépes rendszerekkel való egyszerű összekapcsolást. Lehetővé tette a kifinomult riasztáskezelést, bevezette az automatikus eseménynaplózást, megszüntette a fizikai nyilvántartások, például a diagramrögzítők szükségességét, lehetővé tette a vezérlőállványok hálózatba kapcsolását és ezáltal az üzemen belüli lokális elhelyezését a kábelezés csökkentése érdekében, valamint magas szintű áttekintést nyújtott az üzem állapotáról és a termelési szintekről.
EredeteSzerkesztés
A korai miniszámítógépeket az 1960-as évek eleje óta használták az ipari folyamatok vezérlésében. Az IBM 1800 például egy korai számítógép volt, amely bemeneti/kimeneti hardverrel rendelkezett, hogy összegyűjtse a folyamatjeleket egy üzemben a terepi érintkezési szintekről (a digitális pontokhoz) és az analóg jelekről a digitális tartományba való átalakításhoz.
Az első ipari vezérlő számítógépes rendszert 1959-ben a texasi Texaco Port Arthur-i finomítójában építették a Ramo-Wooldridge Company RW-300-asával.
1975-ben a Honeywell és a japán Yokogawa elektrotechnikai cég is bevezette saját, független gyártású DCS-eit – a TDC 2000, illetve a CENTUM rendszereket. Az amerikai Bristol szintén 1975-ben mutatta be az UCS 3000 univerzális vezérlőjét. 1978-ban a Valmet bevezette saját DCS rendszerét Damatic néven (a legújabb generáció Valmet DNA néven). 1980-ban a Bailey (ma az ABB része) bemutatta a NETWORK 90 rendszert, a Fisher Controls (ma az Emerson Electric része) a PROVoX rendszert, a Fischer & Porter Company (ma szintén az ABB része) a DCI-4000 rendszert (a DCI a Distributed Control Instrumentation rövidítése).
A DCS nagyrészt a mikroszámítógépek növekvő elérhetőségének és a mikroprocesszorok elterjedésének köszönhetően jött létre a folyamatirányítás világában. A számítógépeket már egy ideje alkalmazták a folyamatautomatizálásban a közvetlen digitális vezérlés (DDC) és a beállítási pontszabályozás formájában. Az 1970-es évek elején a Taylor Instrument Company (ma az ABB része) kifejlesztette az 1010 rendszert, a Foxboro a FOX1 rendszert, a Fisher Controls a DC2 rendszert és a Bailey Controls az 1055 rendszert. Ezek mind DDC alkalmazások voltak, amelyeket miniszámítógépeken (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP stb.) valósítottak meg, és saját fejlesztésű be- és kimeneti hardverhez csatlakoztak. A kifinomult (az akkori időkben) folyamatos és szakaszos vezérlést is így valósították meg. Konzervatívabb megközelítés volt a setpoint-szabályozás, ahol a folyamatszámítógépek felügyelték az analóg folyamatszabályozók csoportjait. A munkaállomás szöveges és durva karakteres grafikával biztosította a folyamat áttekinthetőségét. A teljesen működőképes grafikus felhasználói felület elérhetősége még messze volt.
DevelopmentEdit
A DCS-modell központi eleme a vezérlőfunkciós blokkok beépítése volt. A funkcióblokkok a korai, kezdetlegesebb DDC koncepciókból, a “táblázatvezérelt” szoftverekből fejlődtek ki. Az objektumorientált szoftver egyik első megtestesülése, a funkcióblokkok olyan önálló “kódblokkok” voltak, amelyek analóg hardveres vezérlőelemeket emuláltak, és a folyamatszabályozáshoz elengedhetetlen feladatokat hajtottak végre, például a PID-algoritmusok végrehajtását. A funkcióblokkok továbbra is a DCS-szállítók uralkodó vezérlési módszereként maradnak fenn, és ma is támogatják az olyan kulcsfontosságú technológiák, mint a Foundation Fieldbus.
Az ausztráliai Sydneyben működő Midac Systems 1982-ben kifejlesztett egy objektumorientált elosztott közvetlen digitális vezérlőrendszert. A központi rendszer 11 mikroprocesszort működtetett, amelyek megosztották a feladatokat és a közös memóriát, és egy soros kommunikációs hálózathoz csatlakoztak az elosztott vezérlők, amelyek mindegyike két Z80-at futtatott. A rendszert a Melbourne-i Egyetemen telepítették.
A digitális kommunikáció az elosztott vezérlők, munkaállomások és más számítási elemek között (peer to peer hozzáférés) volt a DCS egyik fő előnye. A figyelem kellőképpen a hálózatokra összpontosult, amelyek biztosították a mindent eldöntő kommunikációs vonalakat, amelyeknek a folyamatalkalmazások esetében olyan különleges funkciókat kellett tartalmazniuk, mint a determinizmus és a redundancia. Ennek eredményeképpen számos beszállító elfogadta az IEEE 802.4 hálózati szabványt. Ez a döntés megalapozta a szükséges migrációs hullámot, amikor az informatika beköltözött a folyamatautomatizálásba, és az IEEE 802.4 helyett az IEEE 802.3 vált uralkodóvá vezérlő LAN-ként.
Az 1980-as évek hálózatközpontú korszakaSzerkesztés
A 80-as években a felhasználók a DCS-eket többnek kezdték tekinteni, mint egyszerű folyamatirányításnak. A közvetlen digitális vezérlésű DCS egy nagyon korai példáját az ausztrál Midac vállalat készítette el 1981-82-ben az ausztrál R-Tec által tervezett hardver felhasználásával. A Melbourne-i Egyetemen telepített rendszer soros kommunikációs hálózatot használt, amely az egyetemi épületeket összekötötte a vezérlőterem “front end”-jével. Minden egyes távoli egység két Z80-as mikroprocesszort futtatott, míg a front end tizenegy Z80-ast párhuzamos feldolgozási konfigurációban, a feladatok megosztása érdekében lapozható közös memóriával, amely akár 20 000 egyidejű vezérlőobjektumot is képes volt futtatni.
Hittek abban, hogy ha a nyitottságot el lehet érni, és nagyobb mennyiségű adatot lehet megosztani a vállalaton belül, akkor még nagyobb dolgokat lehet elérni. A DCS-ek nyitottságának növelésére tett első kísérletek az akkoriban uralkodó operációs rendszer bevezetését eredményezték: UNIX. A UNIX-ot és a hozzá tartozó TCP-IP hálózati technológiát az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztette ki a nyitottság érdekében, ami pontosan az a probléma volt, amit a feldolgozóipar meg akart oldani.
Az eredményeképpen a beszállítók is elkezdtek Ethernet-alapú hálózatokat bevezetni, saját szabadalmaztatott protokollrétegekkel. A teljes TCP/IP szabványt nem valósították meg, de az Ethernet használata lehetővé tette az objektumkezelés és a globális adatelérési technológia első példányainak megvalósítását. Az 1980-as években jelentek meg az első PLC-k is, amelyeket integráltak a DCS-infrastruktúrába. Az automatizálási rendszerek kiterjesztett hatókörének kihasználására megjelentek az egész üzemre kiterjedő történetírók is. Az első DCS-szállító, aki UNIX és Ethernet hálózati technológiákat alkalmazott, a Foxboro volt, amely 1987-ben bevezette az I/A Series rendszert.
Az 1990-es évek alkalmazásközpontú korszakaSzerkesztés
A nyolcvanas évek nyitottságra való törekvése az 1990-es években a kereskedelmi forgalomban kapható, készleten kívüli (COTS) komponensek és informatikai szabványok fokozott elfogadásával lendületet kapott. Az ebben az időszakban végrehajtott talán legnagyobb átmenet a UNIX operációs rendszerről a Windows környezetre való áttérés volt. Míg az irányítási alkalmazások valós idejű operációs rendszerének (RTOS) területét továbbra is a UNIX valós idejű kereskedelmi változatai vagy a szabadalmaztatott operációs rendszerek uralják, a valós idejű irányításon felüli minden átállt a Windowsra.
A Microsoft bevezetése az asztali és szerverszinten olyan technológiák kifejlesztését eredményezte, mint az OPC (OLE for process control), amely ma már de facto ipari csatlakozási szabvány. Az internetes technológia is kezdett teret nyerni az automatizálásban és a világban, a legtöbb DCS HMI támogatja az internetkapcsolatot. Az 1990-es évek a “terepbusz-háborúkról” is ismertek voltak, amikor a rivális szervezetek versengtek annak meghatározásáért, hogy mi lesz az IEC terepbusz-szabvány a terepi műszerekkel való digitális kommunikációra a 4-20 milliamperes analóg kommunikáció helyett. Az első fieldbus telepítésekre az 1990-es években került sor. Az évtized vége felé a technológia jelentős lendületet vett, és a piac az Ethernet I/P, a Foundation Fieldbus és a Profibus PA körül konszolidálódott a folyamatautomatizálási alkalmazásokban. Néhány beszállító az alapoktól kezdve új rendszereket épített, hogy maximalizálja a fieldbus funkciót, mint például a Rockwell PlantPAx System, a Honeywell az Experion & Plantscape SCADA rendszerekkel, az ABB a System 800xA-val, az Emerson Process Management az Emerson Process Management DeltaV vezérlőrendszerrel, a Siemens az SPPA-T3000 vagy a Simatic PCS 7 rendszerrel, a Forbes Marshall a Microcon+ vezérlőrendszerrel és az Azbil Corporation a Harmonas-DEO rendszerrel. A Valmet DNA rendszerével a Fieldbus technikát használták a gép, a hajtások, a minőség- és állapotfigyelő alkalmazások egyetlen DCS-be történő integrálására.
A COTS hatása azonban a hardveres szinten volt a legkifejezettebb. A DCS-szállítók fő tevékenysége évekig a nagy mennyiségű hardver, különösen az I/O és a vezérlők szállítása volt. A DCS-ek kezdeti elterjedése óriási mennyiségű ilyen hardver telepítését tette szükségessé, amelynek nagy részét a DCS-szállítók alulról felfelé gyártották. Az olyan gyártók, mint az Intel és a Motorola szabványos számítógép-alkatrészei azonban megfizethetetlenné tették a DCS-szállítók számára, hogy továbbra is saját alkatrészeket, munkaállomásokat és hálózati hardvert készítsenek.
Amint a beszállítók áttértek a COTS-alkatrészekre, azt is felfedezték, hogy a hardverpiac gyorsan zsugorodik. A COTS nem csak a beszállító számára eredményezett alacsonyabb gyártási költségeket, hanem a végfelhasználók számára is folyamatosan csökkenő árakat, akik egyre hangosabbá váltak a szerintük indokolatlanul magas hardverköltségek miatt. Néhány, korábban a PLC-üzletágban erősebb beszállító, mint például a Rockwell Automation és a Siemens, a vezérlőhardverek gyártásában szerzett szakértelmét kihasználva költséghatékony ajánlatokkal tudott belépni a DCS-piacra, miközben e feltörekvő rendszerek stabilitása/skálázhatósága/megbízhatósága és funkcionalitása még mindig javul. A hagyományos DCS-szállítók a legújabb kommunikációs és IEC-szabványokon alapuló új generációs DCS-rendszereket vezettek be, ami azt a tendenciát eredményezte, hogy a PLC és a DCS hagyományos koncepcióit/funkcióit egy mindenre kiterjedő, “folyamatautomatizálási rendszer” (PAS) elnevezésű megoldássá egyesítették. A különböző rendszerek közötti hiányosságok továbbra is fennmaradnak az olyan területeken, mint az adatbázis integritása, a tervezést megelőző funkcionalitás, a rendszer érettsége, a kommunikáció átláthatósága és megbízhatósága. Bár elvárható, hogy a költségarány viszonylag azonos legyen (minél nagyobb teljesítményűek a rendszerek, annál drágábbak), a valóságban az automatizálási üzletág gyakran stratégiai szempontból esetről esetre működik. A jelenlegi következő evolúciós lépcsőfokot kollaboratív folyamatautomatizálási rendszereknek nevezik.
A probléma súlyosbítására a beszállítók is felismerték, hogy a hardverpiac kezd telítődni. A hardverkomponensek, például az I/O és a kábelezés életciklusa is jellemzően 15 és több mint 20 év közötti, ami kihívást jelent a cserepiacon. Az 1970-es és 1980-as években telepített régebbi rendszerek közül sok még ma is használatban van, és a piacon jelentős számú olyan rendszer van telepítve, amelyek hasznos élettartamuk végéhez közelednek. Észak-Amerika, Európa és Japán fejlett ipari gazdaságaiban már sok ezer DCS-t telepítettek, és mivel kevés vagy egyáltalán nem épült új üzem, az új hardverek piaca gyorsan eltolódott a kisebb, bár gyorsabban növekvő régiókba, például Kínába, Latin-Amerikába és Kelet-Európába.
A hardverüzlet zsugorodása miatt a beszállítók elkezdték a hardveralapú üzleti modellről a szoftverre és értéknövelt szolgáltatásokra épülő, kihívást jelentő átmenetet. Ez az átmenet még ma is tart. A szállítók által kínált alkalmazásportfólió a 90-es években jelentősen kibővült, és olyan területeket foglalt magában, mint a termelésirányítás, a modellalapú vezérlés, a valós idejű optimalizálás, az üzemi eszközkezelés (PAM), a valós idejű teljesítménykezelő (RPM) eszközök, a riasztáskezelés és sok más. Ahhoz azonban, hogy ezekből az alkalmazásokból valódi értéket lehessen kihozni, gyakran jelentős szolgáltatási tartalomra van szükség, amelyet a szállítók szintén biztosítanak.
Modern rendszerek (2010-től kezdődően)Edit
A DCS legújabb fejlesztései közé tartoznak a következő új technológiák:
- Vezeték nélküli rendszerek és protokollok
- Távoli átvitel, naplózás és adattörténész
- Mobil interfészek és vezérlések
- Embedded web-szerverek
A DCS egyre inkább – ironikus módon – az üzem szintjén központosítottá válik, a távoli berendezésekbe való bejelentkezés lehetőségével. Ez lehetővé teszi, hogy a kezelő mind vállalati szinten ( makro ), mind a berendezések szintjén (mikro), az üzemen belül és kívül egyaránt irányíthasson, mivel a fizikai hely jelentősége csökken az összekapcsolhatóság miatt, elsősorban a vezeték nélküli és távoli hozzáférésnek köszönhetően.
Minél több vezeték nélküli protokollt fejlesztenek és finomítanak, annál inkább beépülnek a DCS-be. A DCS-vezérlők ma már gyakran beágyazott szerverekkel vannak felszerelve, és útközbeni webes hozzáférést biztosítanak. Hogy a DCS a dolgok ipari internetének (IIOT) vezetője lesz-e, vagy kulcsfontosságú elemeket kölcsönöz tőle, még nem tudni.
Más gyártók mobil HMI-t kínálnak, amely Android és iOS rendszerre is készen áll. Ezekkel az interfészekkel a biztonság megsértésének és az üzem és a folyamat esetleges károsodásának veszélye már nagyon is valós.