Evolução das operações de controle do processoEditar
O controle do processo de grandes plantas industriais evoluiu através de muitas etapas. Inicialmente, o controle seria de painéis locais para a planta de processo. Entretanto, isto exigia um grande recurso de mão-de-obra para atender a esses painéis dispersos, e não havia uma visão geral do processo. O desenvolvimento lógico seguinte foi a transmissão de todas as medições da planta para uma sala de controle central permanentemente tripulada. Efectivamente, isto foi a centralização de todos os painéis localizados, com as vantagens de níveis de efectivos mais baixos e uma visão mais fácil do processo. Muitas vezes os controladores estavam atrás dos painéis da sala de controle, e todas as saídas de controle automático e manual eram transmitidas de volta à planta. No entanto, apesar de fornecer um foco central de controle, esta disposição era inflexível, pois cada malha de controle tinha seu próprio hardware de controle, e o movimento contínuo do operador dentro da sala de controle era necessário para visualizar diferentes partes do processo.
Com a chegada dos processadores eletrônicos e telas gráficas, tornou-se possível substituir esses controladores discretos por algoritmos baseados em computador, hospedados em uma rede de racks de entrada/saída com seus próprios processadores de controle. Estes poderiam ser distribuídos pela planta, e comunicar-se com o display gráfico na sala ou salas de controle. Nascia o sistema de controle distribuído.
A introdução dos DCSs permitiu uma fácil interconexão e reconfiguração dos controles da planta, como loops e intertravamentos em cascata, e uma fácil interface com outros sistemas computadorizados de produção. Ele permitiu o manuseio sofisticado de alarmes, introduziu o registro automático de eventos, eliminou a necessidade de registros físicos, tais como gravadores gráficos, permitiu que os racks de controle fossem ligados em rede e, assim, localizados localmente à planta para reduzir as execuções de cabeamento, e forneceu visões gerais de alto nível do status da planta e níveis de produção.
OriginsEdit
Minicomputadores precoces foram utilizados no controle de processos industriais desde o início dos anos 60. O IBM 1800, por exemplo, foi um computador antigo que tinha hardware de entrada/saída para reunir sinais de processo em uma planta para conversão dos níveis de contato de campo (para pontos digitais) e sinais analógicos para o domínio digital.
O primeiro sistema de controle industrial foi construído em 1959 no Texaco Port Arthur, Texas, refinaria com um RW-300 da Ramo-Wooldridge Company.
Em 1975, tanto a Honeywell como a empresa japonesa de engenharia elétrica Yokogawa introduziram seus próprios sistemas DCS – TDC 2000 e CENTUM produzidos independentemente, respectivamente. A Bristol, sediada nos EUA, também introduziu o seu controlador universal UCS 3000 em 1975. Em 1978, a Valmet introduziu seu próprio sistema DCS chamado Damatic (última geração chamado Valmet DNA). Em 1980, Bailey (agora parte da ABB) introduziu o sistema NETWORK 90, Fisher Controls (agora parte da Emerson Electric) introduziu o sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (agora também parte da ABB) introduziu o DCI-4000 (DCI significa Instrumentação de Controle Distribuído).
O DCS surgiu em grande parte devido à maior disponibilidade de microcomputadores e à proliferação de microprocessadores no mundo do controle de processos. Os computadores já eram aplicados à automação de processos há algum tempo, tanto na forma de controle digital direto (DDC) quanto no controle de setpoint. No início dos anos 70 a Taylor Instrument Company, (hoje parte da ABB) desenvolveu o sistema 1010, Foxboro o sistema FOX1, Fisher controla o sistema DC2 e Bailey controla os sistemas 1055. Todas estas foram aplicações DDC implementadas em minicomputadores (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) e ligadas a hardware proprietário de entrada/saída. Sofisticado (para o tempo) controle contínuo, bem como de lotes, foi implementado desta forma. Uma abordagem mais conservadora foi o controle de setpoint, onde computadores de processo supervisionavam clusters de controladores de processo analógicos. Uma estação de trabalho forneceu visibilidade para o processo usando texto e gráficos de caracteres brutos. A disponibilidade de uma interface gráfica de usuário totalmente funcional estava a um passo de distância.
DevelopmentEdit
Central para o modelo DCS era a inclusão de blocos de funções de controle. Blocos de funções evoluíram dos conceitos mais primitivos do DDC do software “Table Driven”. Uma das primeiras encarnações do software orientado a objetos, os blocos de funções eram “blocos” auto-contidos de código que emulavam componentes de controle de hardware analógico e realizavam tarefas essenciais ao controle do processo, como a execução de algoritmos PID. Os blocos de funções continuam a ser o método predominante de controle para fornecedores de DCS, e são suportados por tecnologias chave como Foundation Fieldbus hoje.
Midac Systems, de Sydney, Austrália, desenvolveu um sistema de controle digital direto distribuído orientado a objetos em 1982. O sistema central executou 11 microprocessadores partilhando tarefas e memória comum e ligado a uma rede de comunicação série de controladores distribuídos, cada um deles executando dois Z80s. O sistema foi instalado na Universidade de Melbourne.
A comunicação digital entre controladores distribuídos, estações de trabalho e outros elementos de computação (peer to peer access) foi uma das principais vantagens do sistema DCS. A atenção foi devidamente focada nas redes, que forneciam as linhas de comunicação mais importantes que, para aplicações de processo, tinham que incorporar funções específicas como determinismo e redundância. Como resultado, muitos fornecedores adotaram o padrão de rede IEEE 802.4. Esta decisão preparou o cenário para a onda de migrações necessárias quando a tecnologia da informação passou para a automação de processos e o IEEE 802.3 em vez do IEEE 802.4 prevaleceu como a LAN de controle.
A era centrada na rede dos anos 80Editar
Nos anos 80, os usuários começaram a olhar para os DCSs como mais do que apenas o controle básico de processos. Um exemplo muito antigo de um DCS de Controlo Digital Directo foi concluído pela empresa australiana Midac em 1981-82 usando hardware de design australiano R-Tec. O sistema instalado na Universidade de Melbourne utilizava uma rede de comunicação serial, conectando os edifícios do campus de volta a uma sala de controle “front end”. Cada unidade remota rodou dois microprocessadores Z80, enquanto o front end rodou onze Z80s em uma configuração de processamento paralelo com memória comum paginada para compartilhar tarefas e que poderia rodar até 20.000 objetos de controle simultâneos.
Acreditava-se que se a abertura pudesse ser alcançada e uma maior quantidade de dados pudesse ser compartilhada por toda a empresa, coisas ainda maiores poderiam ser alcançadas. As primeiras tentativas para aumentar a abertura dos DCSs resultaram na adoção do sistema operacional predominante da atualidade: UNIX. O UNIX e sua tecnologia de rede TCP-IP foram desenvolvidos pelo Departamento de Defesa dos EUA para a abertura, que era precisamente a questão que as indústrias de processo estavam procurando resolver.
Como resultado, os fornecedores também começaram a adotar redes baseadas em Ethernet com suas próprias camadas de protocolo proprietárias. O padrão TCP/IP completo não foi implementado, mas o uso da Ethernet tornou possível implementar as primeiras instâncias de gerenciamento de objetos e tecnologia global de acesso a dados. A década de 1980 também testemunhou os primeiros PLCs integrados na infra-estrutura do DCS. Historiadores de toda a planta também surgiram para capitalizar o amplo alcance dos sistemas de automação. O primeiro fornecedor de DCS a adotar tecnologias de rede UNIX e Ethernet foi a Foxboro, que introduziu o sistema da série I/A em 1987.
A era centrada em aplicações dos anos 90Editar
O impulso em direção à abertura nos anos 80 ganhou força através dos anos 90 com a crescente adoção de componentes comerciais off-the-shelf (COTS) e padrões de TI. Provavelmente a maior transição realizada durante este período foi a mudança do sistema operacional UNIX para o ambiente Windows. Enquanto o reino do sistema operacional em tempo real (RTOS) para aplicações de controle permanece dominado por variantes comerciais em tempo real do UNIX ou sistemas operacionais proprietários, tudo acima do controle em tempo real fez a transição para o Windows.
A introdução da Microsoft nas camadas desktop e servidor resultou no desenvolvimento de tecnologias como OLE para controle de processos (OPC), que agora é um padrão de conectividade de fato da indústria. A tecnologia da Internet também começou a deixar sua marca na automação e no mundo, com a maioria das IHMs DCS suportando conectividade à Internet. Os anos 90 também foram conhecidos pelas “Guerras de Fieldbus”, onde organizações rivais competiam para definir o que se tornaria o padrão IEC para comunicação digital com instrumentação de campo, em vez de 4-20 milliamp comunicações analógicas. As primeiras instalações de barramento de campo ocorreram nos anos 90. No final da década, a tecnologia começou a desenvolver um impulso significativo, com o mercado consolidado em torno de Ethernet I/P, Foundation Fieldbus e Profibus PA para aplicações de automação de processos. Alguns fornecedores construíram novos sistemas desde o início para maximizar a funcionalidade com fieldbus, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell com Experion & Plantscape SCADA systems, ABB com System 800xA, Emerson Process Management com o sistema de controle DeltaV Emerson Process Management, Siemens com o SPPA-T3000 ou Simatic PCS 7, Forbes Marshall com o sistema de controle Microcon+ e Azbil Corporation com o sistema Harmonas-DEO. Técnicas de Fieldbus têm sido usadas para integrar máquinas, drives, qualidade e aplicações de monitoramento de condições a um DCS com sistema de DNA Valmet.
O impacto do COTS, no entanto, foi mais pronunciado na camada de hardware. Durante anos, o principal negócio dos fornecedores de DCS tinha sido o fornecimento de grandes quantidades de hardware, particularmente E/S e controladores. A proliferação inicial de DCSs exigia a instalação de quantidades prodigiosas deste hardware, a maior parte do qual era fabricado de baixo para cima pelos fornecedores de DCS. Os componentes de computador padrão de fabricantes como a Intel e a Motorola, no entanto, fizeram com que custasse proibitivo para os fornecedores de DCS continuar fazendo seus próprios componentes, estações de trabalho e hardware de rede.
Como os fornecedores fizeram a transição para componentes COTS, eles também descobriram que o mercado de hardware estava encolhendo rapidamente. Os custos de produção (COTS) não só resultaram em custos de fabricação mais baixos para o fornecedor, mas também na diminuição constante dos preços para os usuários finais, que também estavam se tornando cada vez mais vocais sobre o que eles perceberam como sendo custos de hardware indevidamente altos. Alguns fornecedores que anteriormente eram mais fortes no negócio de PLC, como a Rockwell Automation e a Siemens, foram capazes de aproveitar sua experiência em hardware de controle de fabricação para entrar no mercado de DCS com ofertas econômicas, enquanto a estabilidade/escalabilidade/fiabilidade e funcionalidade desses sistemas emergentes ainda estão melhorando. Os fornecedores tradicionais de DCS introduziram a nova geração de sistemas DCS baseados nas últimas normas de comunicação e IEC, o que resultou em uma tendência de combinar os conceitos/funcionalidades tradicionais para PLC e DCS em um sistema para todas as soluções – denominado “Process Automation System” (PAS). As lacunas entre os vários sistemas permanecem em áreas como: integridade da base de dados, funcionalidade de pré-engenharia, maturidade do sistema, transparência da comunicação e confiabilidade. Embora se espere que a relação de custo seja relativamente a mesma (quanto mais poderosos os sistemas forem, mais caros eles serão), a realidade do negócio de automação muitas vezes está operando estrategicamente caso a caso. O próximo passo da evolução atual é chamado Sistemas de Automação de Processos Colaborativos.
Para agravar o problema, os fornecedores também estavam percebendo que o mercado de hardware estava se tornando saturado. O ciclo de vida dos componentes de hardware, como E/S e fiação, também está normalmente na faixa de 15 a mais de 20 anos, o que torna o mercado de reposição um desafio. Muitos dos sistemas mais antigos que foram instalados nos anos 70 e 80 ainda estão em uso hoje, e existe uma base instalada considerável de sistemas no mercado que se aproximam do fim de sua vida útil. As economias industriais desenvolvidas na América do Norte, Europa e Japão já tinham muitos milhares de DCS instalados, e com poucas ou nenhumas novas fábricas sendo construídas, o mercado para novos hardwares estava mudando rapidamente para regiões menores, embora de crescimento mais rápido, como a China, América Latina e Europa Oriental.
Por causa da retração do negócio de hardware, os fornecedores começaram a fazer a transição desafiadora de um modelo de negócio baseado em hardware para um baseado em software e serviços de valor agregado. É uma transição que ainda hoje está sendo feita. O portfólio de aplicações oferecido pelos fornecedores expandiu-se consideravelmente nos anos 90 para incluir áreas como gestão de produção, controle baseado em modelos, otimização em tempo real, gerenciamento de ativos da planta (PAM), ferramentas de gerenciamento de desempenho em tempo real (RPM), gerenciamento de alarmes, e muitas outras. Para obter o verdadeiro valor destas aplicações, contudo, muitas vezes é necessário um conteúdo de serviço considerável, que os fornecedores também fornecem.
Sistemas modernos (2010 em diante)Editar
Os últimos desenvolvimentos em DCS incluem as seguintes novas tecnologias:
- Sistemas e protocolos sem fio
- Histórico de transmissão remota, registro e dados
- Interfaces e controles móveis
- Servidores web integrados
Cada vez mais, e ironicamente, os sistemas DCS estão se tornando centralizados a nível de planta, com a capacidade de logar no equipamento remoto. Isto permite ao operador controlar tanto a nível da empresa ( macro ) como a nível do equipamento (micro), tanto dentro como fora da fábrica, porque a importância da localização física diminui devido à interconectividade, principalmente graças ao acesso sem fio e remoto.
Quanto mais protocolos sem fio são desenvolvidos e refinados, mais eles são incluídos no SCD. Os controladores DCS estão agora muitas vezes equipados com servidores incorporados e fornecem acesso web em movimento. Se o DCS irá liderar a Internet Industrial das Coisas (IIOT) ou emprestar elementos-chave de restos a serem vistos.
Muitos fornecedores fornecem a opção de uma IHM móvel, pronta tanto para Android e iOS. Com estas interfaces, a ameaça de violações de segurança e possíveis danos à planta e ao processo são agora muito reais.