Evolutie van de procesbesturingEdit
De procesbesturing van grote industriële installaties heeft vele stadia doorgemaakt. Aanvankelijk gebeurde de besturing vanaf panelen die zich in de buurt van de procesinstallatie bevonden. Dit vereiste echter veel mankracht om deze verspreide panelen te bedienen, en er was geen totaaloverzicht van het proces. De volgende logische ontwikkeling was de transmissie van alle metingen van de installatie naar een permanent bemande centrale controlekamer. Dit betekende in feite de centralisatie van alle plaatselijke panelen, met als voordelen dat er minder personeel nodig was en er een gemakkelijker overzicht van het proces was. Vaak bevonden de controllers zich achter de panelen van de controlekamer, en werden alle automatische en handmatige controleoutputs naar de fabriek teruggestuurd. Hoewel deze regeling een centraal controlepunt bood, was zij niet flexibel omdat elke regelkring zijn eigen regelaarhardware had en de bediener zich voortdurend binnen de controlekamer moest verplaatsen om verschillende delen van het proces te kunnen bekijken.
Met de komst van elektronische processoren en grafische displays werd het mogelijk deze discrete regelaars te vervangen door computergebaseerde algoritmen, ondergebracht in een netwerk van input/output-racks met hun eigen regelprocessoren. Deze konden over de fabriek worden verspreid en communiceren met het grafische display in de controlekamer of -kamers. Het gedistribueerde besturingssysteem was geboren.
De invoering van DCS’en maakte een gemakkelijke interconnectie en herconfiguratie van fabrieksbesturingen mogelijk, zoals cascade-lussen en vergrendelingen, en een gemakkelijke interfacing met andere productiecomputersystemen. Het maakte geavanceerde alarmverwerking mogelijk, introduceerde automatische logging van gebeurtenissen, nam de noodzaak weg van fysieke registraties zoals kaartrecorders, maakte het mogelijk de regelrekken in een netwerk op te nemen en daardoor lokaal in de fabriek te plaatsen om bekabeling te verminderen, en bood overzichten op hoog niveau van de fabrieksstatus en productieniveaus.
OriginsEdit
Vroegere minicomputers werden al sinds het begin van de jaren zestig gebruikt bij de regeling van industriële processen. De IBM 1800, bijvoorbeeld, was een vroege computer die input/output hardware had om processignalen in een fabriek te verzamelen voor conversie van veldcontactniveaus (voor digitale punten) en analoge signalen naar het digitale domein.
Het eerste industriële besturingscomputersysteem werd in 1959 gebouwd in de Texaco Port Arthur, Texas, raffinaderij met een RW-300 van de Ramo-Wooldridge Company.
In 1975 introduceerden zowel Honeywell als het Japanse elektrotechnische bedrijf Yokogawa hun eigen onafhankelijk geproduceerde DCS’en – respectievelijk TDC 2000 en CENTUM systemen. Het Amerikaanse Bristol introduceerde in 1975 ook hun universele controller UCS 3000. In 1978 introduceerde Valmet hun eigen DCS-systeem onder de naam Damatic (de laatste generatie heet Valmet DNA). In 1980 introduceerde Bailey (nu onderdeel van ABB) het NETWORK 90 systeem, Fisher Controls (nu onderdeel van Emerson Electric) introduceerde het PROVoX systeem, Fischer & Porter Company (nu ook onderdeel van ABB) introduceerde DCI-4000 (DCI staat voor Distributed Control Instrumentation).
Het DCS kwam grotendeels tot stand door de toegenomen beschikbaarheid van microcomputers en de proliferatie van microprocessoren in de wereld van de procesbesturing. Computers werden al enige tijd toegepast in de procesautomatisering in de vorm van zowel directe digitale regeling (DDC) als setpointregeling. In het begin van de jaren zeventig ontwikkelde Taylor Instrument Company (nu onderdeel van ABB) het 1010-systeem, Foxboro het FOX1-systeem, Fisher Controls het DC2-systeem en Bailey Controls het 1055-systeem. Dit waren allemaal DDC-toepassingen die werden geïmplementeerd in minicomputers (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP enz.) en verbonden met eigen Input/Output hardware. Op deze manier werd zowel een (voor die tijd) geavanceerde continue als batchregeling geïmplementeerd. Een meer conservatieve benadering was setpointbesturing, waarbij procescomputers toezicht hielden op clusters van analoge procesregelaars. Een werkstation verschafte inzicht in het proces door middel van tekst en grove karakterafbeeldingen. De beschikbaarheid van een volledig functionele grafische gebruikersinterface was nog ver weg.
DevelopmentEdit
Centraal in het DCS-model was het opnemen van besturingsfunctieblokken. Functieblokken zijn voortgekomen uit de eerste, meer primitieve DDC-concepten van “tabelgestuurde” software. Functieblokken, een van de eerste belichamingen van objectgeoriënteerde software, waren op zichzelf staande “blokken” code die analoge hardwarebesturingscomponenten nabootsten en taken uitvoerden die essentieel waren voor de procesbesturing, zoals de uitvoering van PID-algoritmen. Functieblokken zijn nog steeds de belangrijkste besturingsmethode voor DCS leveranciers en worden vandaag de dag ondersteund door belangrijke technologieën zoals Foundation Fieldbus.
Midac Systems, uit Sydney, Australië, ontwikkelde in 1982 een object-georiënteerd gedistribueerd direct digitaal besturingssysteem. Het centrale systeem had 11 microprocessoren die taken en een gemeenschappelijk geheugen deelden en verbonden waren met een serieel communicatienetwerk van gedistribueerde controllers die elk twee Z80’s hadden. Het systeem werd geïnstalleerd aan de universiteit van Melbourne.
Digitale communicatie tussen gedistribueerde controllers, werkstations en andere computerelementen (peer to peer toegang) was een van de voornaamste voordelen van het DCS. De aandacht ging naar behoren uit naar de netwerken, die zorgden voor de zo belangrijke communicatielijnen die, voor procestoepassingen, specifieke functies moesten bevatten zoals determinisme en redundantie. Als gevolg daarvan omarmden veel leveranciers de IEEE 802.4 netwerknorm. Deze beslissing zette de toon voor de golf van migraties die nodig waren toen informatietechnologie zich verplaatste naar procesautomatisering en IEEE 802.3 in plaats van IEEE 802.4 de overhand kreeg als het besturings-LAN.
Het netwerk-centrische tijdperk van de jaren tachtigEdit
In de jaren tachtig begonnen gebruikers DCS’s te zien als meer dan alleen basisprocesbesturing. Een zeer vroeg voorbeeld van een Direct Digital Control DCS werd voltooid door het Australische bedrijf Midac in 1981-82 met behulp van door R-Tec Australië ontworpen hardware. Het systeem, geïnstalleerd op de Universiteit van Melbourne, gebruikte een serieel communicatienetwerk, dat de gebouwen op de campus verbond met een controlekamer “front end”. Elke remote unit draaide twee Z80 microprocessoren, terwijl de front end elf Z80’s draaide in een parallelle verwerkingsconfiguratie met paged gemeenschappelijk geheugen om taken te delen en dat tot 20.000 gelijktijdige besturingsobjecten kon uitvoeren.
Men geloofde dat als openheid kon worden bereikt en grotere hoeveelheden gegevens konden worden gedeeld in de hele onderneming, nog grotere dingen konden worden bereikt. De eerste pogingen om de openheid van DCS te vergroten resulteerden in de invoering van het destijds meest gebruikte besturingssysteem: UNIX. UNIX en de bijbehorende netwerktechnologie TCP-IP waren ontwikkeld door het Amerikaanse Ministerie van Defensie met het oog op openheid, en dat was precies het probleem dat de procesindustrie wilde oplossen.
Als gevolg daarvan begonnen leveranciers ook op Ethernet gebaseerde netwerken te gebruiken met hun eigen propriëtaire protocollagen. De volledige TCP/IP-standaard werd niet geïmplementeerd, maar het gebruik van Ethernet maakte het mogelijk om de eerste voorbeelden van objectbeheer en globale gegevenstoegangstechnologie te implementeren. In de jaren tachtig werden ook de eerste PLC’s geïntegreerd in de DCS-infrastructuur. Er kwamen ook fabrieksbrede historici om te profiteren van het grotere bereik van automatiseringssystemen. De eerste DCS-leverancier die UNIX- en Ethernet-netwerktechnologieën toepaste, was Foxboro, dat in 1987 het I/A Series-systeem introduceerde.
Het toepassingsgerichte tijdperk van de jaren negentigEdit
Het streven naar openheid in de jaren tachtig raakte in de jaren negentig in een stroomversnelling door de toenemende toepassing van commerciële COTS-componenten (commercial off-the-shelf) en IT-standaarden. Waarschijnlijk de grootste overgang die in deze periode werd ondernomen was de overgang van het UNIX besturingssysteem naar de Windows omgeving. Terwijl de wereld van het real-time besturingssysteem (RTOS) voor controletoepassingen nog steeds wordt gedomineerd door real-time commerciële varianten van UNIX of bedrijfseigen besturingssystemen, is alles boven real-time besturing overgestapt op Windows.
De introductie van Microsoft op de desktop- en serverlaag resulteerde in de ontwikkeling van technologieën zoals OLE voor procesbesturing (OPC), dat nu een de facto industriestandaard voor connectiviteit is. Ook de internettechnologie begon haar intrede te doen in de automatisering en de wereld, met de meeste DCS HMI die internetconnectiviteit ondersteunen. De jaren negentig stonden ook bekend om de “Fieldbus Wars”, waarbij rivaliserende organisaties met elkaar wedijverden om te definiëren wat de IEC-veldbusnorm zou worden voor digitale communicatie met veldinstrumentatie in plaats van 4-20 milliampère analoge communicatie. De eerste veldbusinstallaties ontstonden in de jaren negentig. Tegen het einde van het decennium begon de technologie een belangrijke impuls te krijgen, waarbij de markt geconsolideerd werd rond Ethernet I/P, Foundation Fieldbus en Profibus PA voor toepassingen in de procesautomatisering. Sommige leveranciers bouwden nieuwe systemen vanaf de grond op om de functionaliteit met veldbussen te maximaliseren, zoals Rockwell PlantPAx System, Honeywell met Experion & Plantscape SCADA-systemen, ABB met System 800xA, Emerson Process Management met het Emerson Process Management DeltaV-besturingssysteem, Siemens met de SPPA-T3000 of Simatic PCS 7, Forbes Marshall met het Microcon+-besturingssysteem en Azbil Corporation met het Harmonas-DEO-systeem. Veldbustechnieken zijn gebruikt om machine-, aandrijvings-, kwaliteits- en conditiebewakingstoepassingen te integreren in één DCS met het Valmet DNA-systeem.
De impact van COTS was echter het meest uitgesproken op de hardwarelaag. Jarenlang bestond de hoofdactiviteit van DCS-leveranciers uit de levering van grote hoeveelheden hardware, met name I/O en controllers. De aanvankelijke proliferatie van DCS vereiste de installatie van enorme hoeveelheden van deze hardware, waarvan het merendeel van onderaf werd gefabriceerd door DCS-leveranciers. Standaard computercomponenten van fabrikanten als Intel en Motorola maakten het voor DCS-leveranciers echter onbetaalbaar om hun eigen componenten, werkstations en netwerkhardware te blijven maken.
Toen de leveranciers overstapten op COTS-componenten, ontdekten zij ook dat de hardwaremarkt snel aan het krimpen was. COTS resulteerde niet alleen in lagere fabricagekosten voor de leverancier, maar ook in gestaag dalende prijzen voor de eindgebruikers, die ook steeds luider gingen klagen over wat zij als buitensporig hoge hardwarekosten beschouwden. Sommige leveranciers die voorheen sterker stonden op het gebied van PLC’s, zoals Rockwell Automation en Siemens, konden hun expertise op het gebied van de productie van besturingshardware benutten om de DCS-markt te betreden met kosteneffectieve aanbiedingen, terwijl de stabiliteit/schaalbaarheid/betrouwbaarheid en functionaliteit van deze opkomende systemen nog steeds aan het verbeteren zijn. De traditionele DCS-leveranciers introduceerden een nieuwe generatie DCS-systemen op basis van de nieuwste communicatie- en IEC-normen, wat resulteerde in een trend om de traditionele concepten/functionaliteiten voor PLC en DCS te combineren tot één oplossing voor alle toepassingen, “Process Automation System” (PAS) genaamd. De lacunes tussen de verschillende systemen blijven bestaan op gebieden zoals: de integriteit van de database, pre-engineering-functionaliteit, systeemvolwassenheid, communicatietransparantie en betrouwbaarheid. Hoewel wordt verwacht dat de kostenverhouding relatief gelijk is (hoe krachtiger de systemen zijn, hoe duurder ze zullen zijn), is de realiteit van de automatiseringsbranche vaak dat er van geval tot geval strategisch wordt gewerkt. De huidige volgende evolutiestap wordt Collaborative Process Automation Systems genoemd.
Om het probleem nog groter te maken, realiseerden de leveranciers zich ook dat de hardwaremarkt verzadigd begon te raken. De levenscyclus van hardwarecomponenten, zoals I/O en bedrading, bedraagt doorgaans 15 tot meer dan 20 jaar, waardoor de vervangingsmarkt een uitdaging vormt. Veel van de oudere systemen die in de jaren zeventig en tachtig zijn geïnstalleerd, zijn nog steeds in gebruik, en er is een aanzienlijk aantal systemen op de markt die het einde van hun nuttige levensduur naderen. In de ontwikkelde industriële economieën in Noord-Amerika, Europa en Japan waren al vele duizenden DCS-systemen geïnstalleerd, en omdat er weinig of geen nieuwe fabrieken werden gebouwd, verschoof de markt voor nieuwe hardware snel naar kleinere, zij het sneller groeiende regio’s zoals China, Latijns-Amerika en Oost-Europa.
Door de krimpende hardware-activiteiten begonnen de leveranciers de uitdagende overgang te maken van een op hardware gebaseerd bedrijfsmodel naar een model dat was gebaseerd op software en diensten met toegevoegde waarde. Deze overgang is nog steeds aan de gang. Het aanbod van toepassingen is in de jaren ’90 aanzienlijk uitgebreid, onder meer op het gebied van productiebeheer, modelgebaseerde besturing, real-time optimalisatie, beheer van fabrieksactiva (PAM), realtime prestatiebeheer (RPM), alarmbeheer en vele andere. Om de echte waarde uit deze toepassingen te halen, is echter vaak een aanzienlijke service-inhoud vereist, die ook door de leveranciers wordt geleverd.
Moderne systemen (vanaf 2010)Edit
De laatste ontwikkelingen op DCS-gebied omvatten de volgende nieuwe technologieën:
- Draadloze systemen en protocollen
- Verzending op afstand, logging en data historian
- Mobiele interfaces en besturingen
- Embedded web-servers
In toenemende mate, en ironisch genoeg, worden DCS gecentraliseerd op fabrieksniveau, met de mogelijkheid om in te loggen op de apparatuur op afstand. Hierdoor kan de exploitant zowel op ondernemingsniveau ( macro ) als op het niveau van de apparatuur (micro) controleren, zowel binnen als buiten de fabriek, omdat het belang van de fysieke locatie afneemt door de interconnectiviteit die voornamelijk te danken is aan draadloze toegang en toegang op afstand.
Hoe meer draadloze protocollen worden ontwikkeld en verfijnd, des te meer worden deze in DCS opgenomen. DCS-besturingen zijn nu vaak uitgerust met embedded servers en bieden on-the-go webtoegang. Of DCS het voortouw zal nemen bij Industrial Internet of Things (IIOT) of belangrijke elementen ervan zal lenen, valt nog te bezien.
Veel leveranciers bieden de optie van een mobiele HMI, klaar voor zowel Android als iOS. Met deze interfaces is de dreiging van inbreuken op de beveiliging en mogelijke schade aan fabriek en proces nu zeer reëel.