Evoluzione delle operazioni di controllo del processoModifica
Il controllo del processo di grandi impianti industriali si è evoluto attraverso molte fasi. Inizialmente, il controllo sarebbe da pannelli locali all’impianto di processo. Tuttavia questo richiedeva una grande risorsa di manodopera per occuparsi di questi pannelli dispersi, e non c’era una visione globale del processo. Il successivo sviluppo logico fu la trasmissione di tutte le misure dell’impianto a una sala di controllo centrale permanentemente presidiata. In effetti, questo era la centralizzazione di tutti i pannelli localizzati, con i vantaggi di livelli di personale più bassi e una visione d’insieme più facile del processo. Spesso i controllori erano dietro i pannelli della sala di controllo, e tutte le uscite di controllo automatico e manuale venivano trasmesse all’impianto. Tuttavia, pur fornendo un punto centrale di controllo, questa disposizione era poco flessibile, poiché ogni ciclo di controllo aveva il proprio hardware di controllo, ed era necessario un continuo movimento dell’operatore all’interno della sala di controllo per vedere le diverse parti del processo.
Con l’avvento dei processori elettronici e dei display grafici è stato possibile sostituire questi controllori discreti con algoritmi basati su computer, ospitati su una rete di rack di input/output con i propri processori di controllo. Questi potevano essere distribuiti nell’impianto e comunicare con il display grafico nella o nelle sale di controllo. Era nato il sistema di controllo distribuito.
L’introduzione dei DCS permise una facile interconnessione e riconfigurazione dei controlli dell’impianto, come loop in cascata e interblocchi, e una facile interfaccia con altri sistemi informatici di produzione. Permetteva una gestione sofisticata degli allarmi, introduceva la registrazione automatica degli eventi, rimuoveva la necessità di registrazioni fisiche come i registratori grafici, permetteva ai rack di controllo di essere collegati in rete e quindi situati localmente all’impianto per ridurre i percorsi di cablaggio, e forniva panoramiche di alto livello dello stato dell’impianto e dei livelli di produzione.
OriginiModifica
I primi minicomputer furono usati nel controllo dei processi industriali dall’inizio degli anni 60. L’IBM 1800, per esempio, era un primo computer che aveva un hardware di input/output per raccogliere i segnali di processo in un impianto per la conversione dai livelli di contatto del campo (per i punti digitali) e i segnali analogici al dominio digitale.
Il primo sistema di computer di controllo industriale fu costruito nel 1959 alla raffineria Texaco Port Arthur, Texas, con un RW-300 della Ramo-Wooldridge Company.
Nel 1975, sia Honeywell che la società giapponese di ingegneria elettrica Yokogawa hanno introdotto i loro DCS di produzione indipendente – rispettivamente i sistemi TDC 2000 e CENTUM. Anche la statunitense Bristol introdusse il suo controller universale UCS 3000 nel 1975. Nel 1978 Valmet introdusse il proprio sistema DCS chiamato Damatic (l’ultima generazione si chiama Valmet DNA). Nel 1980, Bailey (ora parte di ABB) introdusse il sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ora parte di Emerson Electric) introdusse il sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ora anche parte di ABB) introdusse il DCI-4000 (DCI sta per Distributed Control Instrumentation).
Il DCS è nato in gran parte grazie alla maggiore disponibilità di microcomputer e alla proliferazione di microprocessori nel mondo del controllo di processo. I computer erano già stati applicati all’automazione di processo da un po’ di tempo sotto forma di controllo digitale diretto (DDC) e di controllo del setpoint. Nei primi anni 70 Taylor Instrument Company, (ora parte di ABB) sviluppò il sistema 1010, Foxboro il sistema FOX1, Fisher Controls il sistema DC2 e Bailey Controls il sistema 1055. Tutte queste erano applicazioni DDC implementate all’interno di minicomputer (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP ecc.) e collegate a un hardware proprietario di Input/Output. Sofisticato (per l’epoca) controllo continuo e batch è stato implementato in questo modo. Un approccio più conservativo era il controllo del setpoint, dove i computer di processo supervisionavano cluster di controllori di processo analogici. Una stazione di lavoro forniva visibilità sul processo usando testo e grafica a caratteri grezzi. La disponibilità di un’interfaccia grafica completamente funzionale era lontana.
SviluppoModifica
Centrale nel modello DCS era l’inclusione dei blocchi funzione di controllo. I blocchi funzione si sono evoluti dai primi e più primitivi concetti DDC di software “Table Driven”. Una delle prime incarnazioni del software orientato agli oggetti, i blocchi funzione erano “blocchi” di codice autonomi che emulavano i componenti di controllo dell’hardware analogico ed eseguivano compiti essenziali per il controllo del processo, come l’esecuzione degli algoritmi PID. I blocchi funzione continuano a resistere come il metodo predominante di controllo per i fornitori di DCS, e sono supportati da tecnologie chiave come Foundation Fieldbus oggi.
Midac Systems, di Sydney, Australia, ha sviluppato un sistema di controllo digitale diretto distribuito orientato agli oggetti nel 1982. Il sistema centrale faceva funzionare 11 microprocessori che condividevano i compiti e la memoria comune ed era collegato a una rete di comunicazione seriale di controllori distribuiti che utilizzavano ciascuno due Z80. Il sistema era installato all’Università di Melbourne.
La comunicazione digitale tra controllori distribuiti, stazioni di lavoro e altri elementi di calcolo (accesso peer to peer) era uno dei vantaggi principali del DCS. L’attenzione era debitamente concentrata sulle reti, che fornivano le importantissime linee di comunicazione che, per le applicazioni di processo, dovevano incorporare funzioni specifiche come il determinismo e la ridondanza. Di conseguenza, molti fornitori abbracciarono lo standard di rete IEEE 802.4. Questa decisione ha posto le basi per l’ondata di migrazioni necessarie quando la tecnologia dell’informazione si è spostata nell’automazione di processo e IEEE 802.3 piuttosto che IEEE 802.4 ha prevalso come LAN di controllo.
L’era network-centrica degli anni ’80Modifica
Negli anni ’80, gli utenti hanno iniziato a guardare ai DCS come qualcosa di più del semplice controllo di processo di base. Un esempio molto precoce di DCS a controllo digitale diretto fu completato dall’azienda australiana Midac nel 1981-82 usando l’hardware progettato da R-Tec Australian. Il sistema installato all’Università di Melbourne usava una rete di comunicazione seriale, collegando gli edifici del campus ad una sala di controllo “front end”. Ogni unità remota utilizzava due microprocessori Z80, mentre il front end utilizzava undici Z80 in una configurazione di elaborazione parallela con memoria comune paginata per condividere i compiti e che poteva eseguire fino a 20.000 oggetti di controllo concorrenti.
Si credeva che se si fosse potuta raggiungere l’apertura e si fossero potute condividere maggiori quantità di dati in tutta l’impresa, si sarebbero potute ottenere cose ancora più grandi. I primi tentativi di aumentare l’apertura dei DCS hanno portato all’adozione del sistema operativo predominante dell’epoca: UNIX. UNIX e la sua tecnologia di networking TCP-IP erano stati sviluppati dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per l’apertura, che era esattamente il problema che le industrie di processo stavano cercando di risolvere.
Come risultato, i fornitori iniziarono anche ad adottare reti basate su Ethernet con i loro livelli di protocollo proprietari. Lo standard TCP/IP completo non fu implementato, ma l’uso di Ethernet rese possibile l’implementazione delle prime istanze di gestione degli oggetti e della tecnologia di accesso globale ai dati. Gli anni ’80 hanno anche visto i primi PLC integrati nell’infrastruttura DCS. Anche gli storici a livello di impianto emersero per capitalizzare la portata estesa dei sistemi di automazione. Il primo fornitore DCS ad adottare le tecnologie di rete UNIX ed Ethernet fu Foxboro, che introdusse il sistema I/A Series nel 1987.
L’era applicazione-centrica degli anni ’90Modifica
La spinta verso l’apertura negli anni ’80 ha guadagnato slancio attraverso gli anni ’90 con la maggiore adozione di componenti commerciali off-the-shelf (COTS) e standard IT. Probabilmente la più grande transizione intrapresa durante questo periodo fu il passaggio dal sistema operativo UNIX all’ambiente Windows. Mentre il regno del sistema operativo in tempo reale (RTOS) per le applicazioni di controllo rimane dominato da varianti commerciali in tempo reale di UNIX o sistemi operativi proprietari, tutto ciò che è al di sopra del controllo in tempo reale ha fatto la transizione a Windows.
L’introduzione di Microsoft a livello di desktop e server ha portato allo sviluppo di tecnologie come OLE per il controllo di processo (OPC), che ora è uno standard di connettività industriale de facto. Anche la tecnologia Internet ha iniziato a lasciare il segno nell’automazione e nel mondo, con la maggior parte dei DCS HMI che supportano la connettività Internet. Gli anni ’90 sono stati anche noti per le “guerre dei bus di campo”, dove organizzazioni rivali hanno gareggiato per definire quello che sarebbe diventato lo standard IEC fieldbus per la comunicazione digitale con la strumentazione di campo invece delle comunicazioni analogiche 4-20 milliampere. Le prime installazioni di bus di campo si sono verificate negli anni ’90. Verso la fine del decennio, la tecnologia ha cominciato a sviluppare uno slancio significativo, con il mercato consolidato intorno a Ethernet I/P, Foundation Fieldbus e Profibus PA per applicazioni di automazione di processo. Alcuni fornitori hanno costruito nuovi sistemi da zero per massimizzare la funzionalità con il bus di campo, come Rockwell PlantPAx System, Honeywell con i sistemi SCADA Experion & Plantscape, ABB con System 800xA, Emerson Process Management con il sistema di controllo Emerson Process Management DeltaV, Siemens con SPPA-T3000 o Simatic PCS 7, Forbes Marshall con il sistema di controllo Microcon+ e Azbil Corporation con il sistema Harmonas-DEO. Le tecniche del bus di campo sono state usate per integrare le applicazioni di macchine, azionamenti, qualità e monitoraggio delle condizioni in un DCS con il sistema Valmet DNA.
L’impatto del COTS, tuttavia, è stato più pronunciato a livello di hardware. Per anni, l’attività principale dei fornitori di DCS era stata la fornitura di grandi quantità di hardware, in particolare I/O e controllori. La proliferazione iniziale dei DCS ha richiesto l’installazione di quantità prodigiose di questo hardware, la maggior parte di esso prodotto dal basso verso l’alto dai fornitori DCS. I componenti standard dei computer di produttori come Intel e Motorola, tuttavia, hanno reso proibitivo il costo per i fornitori di DCS di continuare a produrre i propri componenti, workstation e hardware di rete.
Come i fornitori hanno fatto la transizione ai componenti COTS, hanno anche scoperto che il mercato dell’hardware si stava riducendo velocemente. COTS non solo ha portato a costi di produzione più bassi per il fornitore, ma anche a prezzi sempre più bassi per gli utenti finali, che stavano anche diventando sempre più vocali su ciò che percepivano come costi dell’hardware indebitamente alti. Alcuni fornitori che erano precedentemente più forti nel settore PLC, come Rockwell Automation e Siemens, sono stati in grado di sfruttare la loro esperienza nella produzione di hardware di controllo per entrare nel mercato DCS con offerte convenienti, mentre la stabilità/scalabilità/affidabilità e funzionalità di questi sistemi emergenti stanno ancora migliorando. I fornitori DCS tradizionali hanno introdotto un sistema DCS di nuova generazione basato sugli ultimi standard IEC e di comunicazione, che ha portato a una tendenza a combinare i concetti/funzionalità tradizionali per PLC e DCS in una soluzione unica per tutti, chiamata “Process Automation System” (PAS). Le lacune tra i vari sistemi rimangono in aree come: l’integrità del database, la funzionalità di pre-ingegneria, la maturità del sistema, la trasparenza della comunicazione e l’affidabilità. Mentre ci si aspetta che il rapporto dei costi sia relativamente lo stesso (più potenti sono i sistemi, più costosi saranno), la realtà del business dell’automazione è spesso operare strategicamente caso per caso. L’attuale passo evolutivo successivo si chiama Collaborative Process Automation Systems.
Per aggravare il problema, i fornitori si stavano anche rendendo conto che il mercato dell’hardware stava diventando saturo. Il ciclo di vita dei componenti hardware come l’I/O e il cablaggio è tipicamente nell’intervallo da 15 a oltre 20 anni, il che rende il mercato della sostituzione difficile. Molti dei vecchi sistemi che sono stati installati negli anni ’70 e ’80 sono ancora in uso oggi, e c’è una notevole base installata di sistemi sul mercato che si sta avvicinando alla fine della loro vita utile. Le economie industriali sviluppate in Nord America, Europa e Giappone avevano già molte migliaia di DCS installati, e con pochi o nessun nuovo impianto in costruzione, il mercato per il nuovo hardware si stava spostando rapidamente verso regioni più piccole, anche se in rapida crescita come la Cina, l’America Latina e l’Europa dell’Est.
A causa della contrazione del business dell’hardware, i fornitori hanno iniziato a fare la difficile transizione da un modello di business basato sull’hardware a uno basato su software e servizi a valore aggiunto. È una transizione che si sta facendo ancora oggi. Il portafoglio di applicazioni offerto dai fornitori si è espanso considerevolmente negli anni ’90 per includere aree come la gestione della produzione, il controllo basato su modelli, l’ottimizzazione in tempo reale, la gestione delle risorse dell’impianto (PAM), gli strumenti di gestione delle prestazioni in tempo reale (RPM), la gestione degli allarmi e molte altre. Per ottenere il vero valore da queste applicazioni, tuttavia, spesso è necessario un notevole contenuto di servizio, che i fornitori forniscono anche.
Sistemi moderni (dal 2010 in poi)Edit
Gli ultimi sviluppi del DCS comprendono le seguenti nuove tecnologie:
- Sistemi e protocolli wireless
- Trasmissione remota, registrazione e storico dei dati
- Interfacce e controlli mobili
- Server web integrati
Sempre più spesso, e ironicamente, i DCS stanno diventando centralizzati a livello di impianto, con la possibilità di accedere alle apparecchiature remote. Questo permette all’operatore di controllare sia a livello di impresa (macro) che a livello di attrezzatura (micro), sia all’interno che all’esterno dell’impianto, perché l’importanza della posizione fisica diminuisce a causa dell’interconnettività soprattutto grazie all’accesso wireless e remoto.
Più i protocolli wireless sono sviluppati e raffinati, più sono inclusi nei DCS. I controllori DCS sono ora spesso dotati di server incorporati e forniscono un accesso web on-the-go. Resta da vedere se il DCS guiderà l’Industrial Internet of Things (IIOT) o ne prenderà in prestito gli elementi chiave.
Molti fornitori forniscono l’opzione di un HMI mobile, pronto sia per Android che per iOS. Con queste interfacce, la minaccia di violazioni della sicurezza e possibili danni all’impianto e al processo sono ora molto reali.