Ewolucja operacji kontroli procesuEdit
Kontrola procesu dużych zakładów przemysłowych ewoluowała przez wiele etapów. Początkowo sterowanie odbywało się z paneli lokalnych w zakładzie procesowym. Wymagało to jednak dużych zasobów siły roboczej do obsługi tych rozproszonych paneli i nie było ogólnego widoku procesu. Następnym logicznym etapem rozwoju było przekazywanie wszystkich pomiarów instalacji do stale obsługiwanej centralnej dyspozytorni. W praktyce oznaczało to centralizację wszystkich lokalnych paneli, z zaletami w postaci niższego poziomu obsady i łatwiejszego przeglądu procesu. Często sterowniki znajdowały się za panelami w sterowni, a wszystkie automatyczne i ręczne wyjścia sterujące były przesyłane z powrotem do zakładu. Jednakże, zapewniając centralny punkt kontroli, taki układ był nieelastyczny, ponieważ każda pętla sterowania miała swój własny sprzęt kontrolny, a ciągły ruch operatora w pomieszczeniu kontrolnym był wymagany, aby zobaczyć różne części procesu.
Wraz z pojawieniem się procesorów elektronicznych i wyświetlaczy graficznych możliwe stało się zastąpienie tych dyskretnych sterowników algorytmami opartymi na komputerach, umieszczonych w sieci szafek wejściowych/wyjściowych z ich własnymi procesorami sterującymi. Te mogły być rozmieszczone w całym zakładzie i komunikować się z wyświetlaczem graficznym w sterowni lub pomieszczeniach. Narodził się rozproszony system sterowania.
Wprowadzenie DCSs pozwoliło na łatwe połączenie i rekonfigurację kontroli roślin, takich jak kaskadowe pętle i blokady, i łatwe łączenie z innymi systemami komputerowymi produkcji. Umożliwiło to zaawansowaną obsługę alarmów, wprowadziło automatyczną rejestrację zdarzeń, usunęło potrzebę fizycznych zapisów, takich jak rejestratory wykresów, pozwoliło na połączenie szaf sterowniczych w sieć, a tym samym zlokalizowanie ich lokalnie w zakładzie w celu zmniejszenia ilości okablowania, oraz zapewniło wysoki poziom przeglądów stanu zakładu i poziomów produkcji.
OriginsEdit
Wczesne minikomputery były używane w kontroli procesów przemysłowych od początku lat sześćdziesiątych. IBM 1800, na przykład, był wczesnym komputerem, który posiadał sprzęt wejścia/wyjścia do zbierania sygnałów procesowych w zakładzie w celu konwersji z poziomów styku pola (dla punktów cyfrowych) i sygnałów analogowych do domeny cyfrowej.
Pierwszy system komputerowy kontroli przemysłowej został zbudowany w 1959 roku w rafinerii Texaco Port Arthur, Texas, z RW-300 firmy Ramo-Wooldridge Company.
W 1975 roku zarówno Honeywell, jak i japońska firma elektrotechniczna Yokogawa wprowadziły swoje własne, niezależnie wyprodukowane systemy DCS – odpowiednio TDC 2000 i CENTUM. Amerykańska firma Bristol również wprowadziła swój uniwersalny sterownik UCS 3000 w 1975 roku. W 1978 roku firma Valmet wprowadziła własny system DCS o nazwie Damatic (najnowsza generacja o nazwie Valmet DNA). W 1980 roku Bailey (obecnie część ABB) wprowadził system NETWORK 90, Fisher Controls (obecnie część Emerson Electric) wprowadził system PROVoX, Fischer & Porter Company (obecnie również część ABB) wprowadził DCI-4000 (DCI oznacza Distributed Control Instrumentation).
System DCS w dużej mierze pojawił się dzięki zwiększonej dostępności mikrokomputerów i rozprzestrzeniania się mikroprocesorów w świecie sterowania procesami. Komputery były już stosowane do automatyzacji procesów przez jakiś czas w formie zarówno bezpośredniego sterowania cyfrowego (DDC) i kontroli wartości zadanej. Na początku lat 70-tych Taylor Instrument Company (obecnie część ABB) opracowała system 1010, Foxboro system FOX1, Fisher Controls system DC2 i Bailey Controls system 1055. Wszystkie te systemy były aplikacjami DDC zaimplementowanymi w minikomputerach (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP itp.) i podłączonymi do opatentowanego sprzętu wejścia/wyjścia. Zaawansowane (jak na tamte czasy) sterowanie ciągłe i okresowe było realizowane w ten sposób. Bardziej konserwatywnym podejściem było sterowanie wartością zadaną, gdzie komputery procesowe nadzorowały klastry analogowych sterowników procesowych. Stacja robocza zapewniała wgląd w proces za pomocą tekstu i prostej grafiki znakowej. Dostępność w pełni funkcjonalnego graficznego interfejsu użytkownika była odległa.
DevelopmentEdit
Centralnym elementem modelu DCS było włączenie bloków funkcyjnych sterowania. Bloki funkcyjne rozwinęły się z wczesnych, bardziej prymitywnych koncepcji DDC oprogramowania „Table Driven”. Jednym z pierwszych wcieleń oprogramowania zorientowanego obiektowo, bloki funkcyjne były samodzielnymi „blokami” kodu, które emulowały analogowe komponenty sterowania sprzętowego i wykonywały zadania, które były niezbędne do sterowania procesem, takie jak wykonywanie algorytmów PID. Bloki funkcyjne nadal utrzymują się jako dominująca metoda sterowania dla dostawców DCS i są wspierane przez kluczowe technologie, takie jak Foundation Fieldbus dzisiaj.
Midac Systems, z Sydney, Australia, opracowała zorientowany obiektowo rozproszony system bezpośredniego sterowania cyfrowego w 1982 roku. System centralny działał na 11 mikroprocesorach dzielących zadania i wspólną pamięć oraz był połączony z siecią komunikacji szeregowej rozproszonych kontrolerów, z których każdy działał na dwóch procesorach Z80. System został zainstalowany na Uniwersytecie w Melbourne.
Komunikacja cyfrowa pomiędzy rozproszonymi kontrolerami, stacjami roboczymi i innymi elementami obliczeniowymi (dostęp peer to peer) była jedną z podstawowych zalet DCS. Uwaga została należycie skupiona na sieciach, które zapewniały wszystkie ważne linie komunikacyjne, które dla aplikacji procesowych musiały zawierać specyficzne funkcje, takie jak determinizm i redundancja. W rezultacie wielu dostawców przyjęło standard sieciowy IEEE 802.4. Ta decyzja wyznaczyła scenę dla fali migracji koniecznych, gdy technologia informacyjna przeniosła się do automatyki procesowej, a IEEE 802.3 zamiast IEEE 802.4 dominował jako kontrolna sieć LAN.
Era sieciocentryczna lat 80-tychEdit
W latach 80-tych użytkownicy zaczęli patrzeć na systemy DCS jak na coś więcej niż tylko podstawowe sterowanie procesem. Bardzo wczesny przykład systemu DCS z bezpośrednim sterowaniem cyfrowym został zrealizowany przez australijską firmę Midac w latach 1981-82 przy użyciu sprzętu zaprojektowanego przez australijską firmę R-Tec. System zainstalowany na Uniwersytecie w Melbourne wykorzystywał szeregową sieć komunikacyjną, łącząc budynki kampusu z powrotem do „front-end” sterowni. Każda zdalna jednostka prowadziła dwa mikroprocesory Z80, podczas gdy front-end prowadził jedenaście Z80 w konfiguracji przetwarzania równoległego ze wspólną pamięcią stronicowaną do współdzielenia zadań i która mogła uruchomić do 20 000 współbieżnych obiektów kontrolnych.
Wierzono, że jeśli otwartość może być osiągnięta i większe ilości danych mogą być współdzielone w całym przedsiębiorstwie, że jeszcze większe rzeczy mogą być osiągnięte. Pierwsze próby zwiększenia otwartości systemów DCS zaowocowały przyjęciem dominującego w tamtych czasach systemu operacyjnego: UNIX. UNIX i towarzysząca mu technologia sieciowa TCP-IP zostały opracowane przez Departament Obrony USA z myślą o otwartości, co było dokładnie tym problemem, który chciał rozwiązać przemysł przetwórczy.
W rezultacie dostawcy zaczęli również stosować sieci oparte na Ethernecie z własnymi, zastrzeżonymi warstwami protokołów. Pełny standard TCP/IP nie został wdrożony, ale wykorzystanie Ethernetu umożliwiło wdrożenie pierwszych instancji technologii zarządzania obiektami i globalnego dostępu do danych. W latach 80-tych pojawiły się również pierwsze sterowniki PLC zintegrowane z infrastrukturą DCS. Pojawili się również historycy zakładowi, aby wykorzystać zwiększony zasięg systemów automatyki. Pierwszym dostawcą DCS, który zaadoptował UNIX i technologie sieciowe Ethernet, była firma Foxboro, która wprowadziła system serii I/A w 1987 roku.
Era skoncentrowana na aplikacjach w latach 90-tychEdit
Dążenie do otwartości w latach 80-tych nabrało tempa w latach 90-tych wraz ze zwiększonym przyjęciem komercyjnych komponentów z półki (COTS) i standardów IT. Prawdopodobnie największym przejściem dokonanym w tym czasie było przejście z systemu operacyjnego UNIX do środowiska Windows. Podczas gdy sfera systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS) dla aplikacji sterowania pozostaje zdominowana przez komercyjne warianty UNIX-a lub własnościowe systemy operacyjne czasu rzeczywistego, wszystko powyżej sterowania w czasie rzeczywistym przeszło na Windows.
Wprowadzenie Microsoftu w warstwie pulpitu i serwera zaowocowało rozwojem technologii takich jak OLE dla sterowania procesami (OPC), który jest obecnie de facto standardem łączności w przemyśle. Technologia internetowa również zaczęła zaznaczać swoją obecność w automatyce i na świecie, a większość HMI DCS obsługuje łączność internetową. Lata 90-te były również znane z „Wojen Fieldbus”, gdzie rywalizujące ze sobą organizacje rywalizowały o zdefiniowanie tego, co stanie się standardem IEC Fieldbus dla cyfrowej komunikacji z oprzyrządowaniem zamiast komunikacji analogowej 4-20 miliamperów. Pierwsze instalacje sieci Fieldbus pojawiły się w latach 90-tych. Pod koniec dekady technologia ta zaczęła nabierać rozpędu, a rynek skonsolidował się wokół Ethernet I/P, Foundation Fieldbus i Profibus PA dla aplikacji automatyki procesowej. Niektórzy dostawcy budowali nowe systemy od podstaw, aby zmaksymalizować funkcjonalność sieci Fieldbus, np. Rockwell PlantPAx System, Honeywell z systemami SCADA Experion & Plantscape, ABB z System 800xA, Emerson Process Management z systemem sterowania Emerson Process Management DeltaV, Siemens z SPPA-T3000 lub Simatic PCS 7, Forbes Marshall z systemem sterowania Microcon+ i Azbil Corporation z systemem Harmonas-DEO. Techniki fieldbus zostały wykorzystane do integracji aplikacji monitorowania maszyn, napędów, jakości i stanu w jednym systemie DCS z systemem Valmet DNA.
Wpływ COTS był jednak najbardziej widoczny w warstwie sprzętowej. Przez lata, podstawową działalnością dostawców DCS było dostarczanie dużych ilości sprzętu, w szczególności I/O i kontrolerów. Początkowe rozprzestrzenianie się DCS wymagało instalacji ogromnych ilości tego sprzętu, z których większość została wyprodukowana od podstaw przez dostawców DCS. Standardowe komponenty komputerowe od producentów takich jak Intel i Motorola sprawiły jednak, że dla dostawców DCS dalsze wytwarzanie własnych komponentów, stacji roboczych i sprzętu sieciowego stało się nieopłacalne.
Jak dostawcy przeszli na komponenty COTS, odkryli również, że rynek sprzętu szybko się kurczy. COTS skutkował nie tylko niższymi kosztami produkcji dla dostawcy, ale także stale malejącymi cenami dla użytkowników końcowych, którzy również stawali się coraz bardziej wściekli z powodu tego, co postrzegali jako nadmiernie wysokie koszty sprzętu. Niektórzy dostawcy, którzy wcześniej byli silniejsi w branży PLC, tacy jak Rockwell Automation i Siemens, byli w stanie wykorzystać swoje doświadczenie w produkcji sprzętu sterującego, aby wejść na rynek DCS z efektywną kosztowo ofertą, podczas gdy stabilność/skalowalność/niezawodność i funkcjonalność tych nowych systemów wciąż się poprawia. Tradycyjni dostawcy DCS wprowadzili nową generację systemów DCS opartych na najnowszych standardach komunikacji i IEC, co doprowadziło do powstania trendu łączenia tradycyjnych koncepcji/funkcjonalności dla PLC i DCS w jedno uniwersalne rozwiązanie – nazwane „Systemem Automatyki Procesowej” (PAS). Luki pomiędzy różnymi systemami pozostają w takich obszarach jak: integralność bazy danych, funkcjonalność przedprojektowa, dojrzałość systemu, przejrzystość komunikacji i niezawodność. Podczas gdy oczekuje się, że stosunek kosztów jest stosunkowo taki sam (im bardziej wydajne systemy, tym droższe), rzeczywistość biznesu automatyzacji często działa strategicznie w zależności od przypadku. Obecny następny krok ewolucji jest nazywany Collaborative Process Automation Systems.
Aby spotęgować problem, dostawcy byli również zdając sobie sprawę, że rynek sprzętu staje się nasycony. Cykl życia komponentów sprzętowych, takich jak wejścia/wyjścia i okablowanie, wynosi zazwyczaj od 15 do ponad 20 lat, co sprawia, że rynek wymiany staje się trudny. Wiele starszych systemów, które zostały zainstalowane w latach 70. i 80. jest nadal w użyciu, a na rynku istnieje znaczna baza zainstalowanych systemów, które zbliżają się do końca okresu użytkowania. Rozwinięte gospodarki przemysłowe w Ameryce Północnej, Europie i Japonii miały już wiele tysięcy zainstalowanych systemów DCS, a przy niewielu, jeśli w ogóle, budowanych nowych zakładach, rynek nowego sprzętu szybko przenosił się do mniejszych, choć szybciej rozwijających się regionów, takich jak Chiny, Ameryka Łacińska i Europa Wschodnia.
Z powodu kurczącego się biznesu sprzętowego dostawcy zaczęli dokonywać trudnego przejścia od modelu biznesowego opartego na sprzęcie do modelu opartego na oprogramowaniu i usługach o wartości dodanej. Jest to przejście, które trwa do dziś. Portfolio aplikacji oferowanych przez dostawców znacznie się rozszerzyło w latach 90-tych, obejmując takie obszary, jak zarządzanie produkcją, sterowanie oparte na modelu, optymalizacja w czasie rzeczywistym, zarządzanie aktywami zakładu (PAM), narzędzia do zarządzania wydajnością w czasie rzeczywistym (RPM), zarządzanie alarmami i wiele innych. Uzyskanie prawdziwej wartości z tych aplikacji wymaga jednak często znacznej zawartości usług, które dostawcy również zapewniają.
Nowoczesne systemy (od 2010 r.)Edycja
Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie DCS obejmują następujące nowe technologie:
- Systemy i protokoły bezprzewodowe
- Zdalna transmisja, logowanie i historyk danych
- Interfejsy i sterowanie mobilne
- Wbudowane serwery internetowe
Coraz częściej, i jak na ironię, DCS stają się scentralizowane na poziomie zakładu, z możliwością zalogowania się do zdalnego sprzętu. Umożliwia to operatorowi kontrolę zarówno na poziomie przedsiębiorstwa (makro), jak i na poziomie urządzeń (mikro), zarówno w zakładzie, jak i poza nim, ponieważ znaczenie fizycznej lokalizacji spada ze względu na wzajemne powiązania, głównie dzięki łączności bezprzewodowej i zdalnemu dostępowi.
Im bardziej protokoły bezprzewodowe są rozwijane i udoskonalane, tym więcej jest ich w DCS. Kontrolery DCS są obecnie często wyposażone we wbudowane serwery i zapewniają dostęp do sieci w trybie on-the-go. To, czy DCS będzie liderem Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIOT), czy też zapożyczy kluczowe elementy, dopiero się okaże.
Wielu dostawców zapewnia opcję mobilnego HMI, przygotowanego zarówno dla systemów Android, jak i iOS. Z tymi interfejsami, zagrożenie naruszenia bezpieczeństwa i możliwych szkód w zakładzie i procesie są teraz bardzo realne.