Evoluția operațiunilor de control al proceselorEdit
Controlul proceselor din instalațiile industriale mari a evoluat prin mai multe etape. Inițial, controlul se făcea de la panouri locale la instalația de proces. Totuși, acest lucru necesita o resursă mare de forță de muncă pentru a se ocupa de aceste panouri dispersate și nu exista o viziune de ansamblu asupra procesului. Următoarea evoluție logică a fost transmiterea tuturor măsurătorilor instalației către o cameră de control centrală cu personal permanent. Practic, aceasta a reprezentat centralizarea tuturor panourilor localizate, cu avantajul unui nivel mai scăzut de personal și al unei imagini de ansamblu mai ușoare a procesului. Adesea, controlorii se aflau în spatele panourilor din camera de control, iar toate ieșirile de control automat și manual erau transmise înapoi la instalație. Cu toate acestea, deși oferea un punct central de control, acest aranjament era inflexibil, deoarece fiecare buclă de control avea propriul hardware al controlerului și era necesară deplasarea continuă a operatorului în sala de control pentru a vedea diferite părți ale procesului.
Cu apariția procesoarelor electronice și a afișajelor grafice a devenit posibilă înlocuirea acestor controlere discrete cu algoritmi pe bază de calculator, găzduiți pe o rețea de rafturi de intrare/ieșire cu propriile procesoare de control. Acestea puteau fi distribuite în jurul instalației și comunicau cu afișajul grafic din camera sau camerele de control. S-a născut sistemul de control distribuit.
Introducerea DCS-urilor a permis interconectarea și reconfigurarea ușoară a comenzilor instalațiilor de control, cum ar fi buclele și interblocajele în cascadă, precum și interfațarea ușoară cu alte sisteme informatice de producție. Acesta a permis gestionarea sofisticată a alarmelor, a introdus înregistrarea automată a evenimentelor, a eliminat necesitatea înregistrărilor fizice, cum ar fi înregistratoarele de diagrame, a permis ca rafturile de control să fie conectate în rețea și, prin urmare, să fie amplasate la nivel local în instalație pentru a reduce traseele de cablare și a oferit o vedere de ansamblu la nivel înalt a stării instalației și a nivelurilor de producție.
OriginiEdit
Primii minicalculatoare au fost utilizați în controlul proceselor industriale încă de la începutul anilor 1960. IBM 1800, de exemplu, a fost un calculator timpuriu care avea hardware de intrare/ieșire pentru a aduna semnalele de proces dintr-o uzină în vederea conversiei de la nivelurile de contact pe teren (pentru punctele digitale) și semnalele analogice în domeniul digital.
Primul sistem de calculatoare de control industrial a fost construit în 1959 la rafinăria Texaco Port Arthur, Texas, cu un RW-300 al companiei Ramo-Wooldridge.
În 1975, atât Honeywell cât și firma japoneză de inginerie electrică Yokogawa au introdus propriile sisteme DCS produse independent – sistemele TDC 2000 și, respectiv, CENTUM. Compania americană Bristol a introdus, de asemenea, controlerul său universal UCS 3000 în 1975. În 1978, Valmet a introdus propriul sistem DCS numit Damatic (ultima generație denumită Valmet DNA). În 1980, Bailey (acum parte a ABB) a introdus sistemul NETWORK 90, Fisher Controls (acum parte a Emerson Electric) a introdus sistemul PROVoX, Fischer & Porter Company (acum, de asemenea, parte a ABB) a introdus DCI-4000 (DCI înseamnă Distributed Control Instrumentation).
Sistemul DCS a apărut în mare parte datorită disponibilității crescute a microcalculatoarelor și proliferării microprocesoarelor în lumea controlului proceselor. Calculatoarele fuseseră deja aplicate de ceva timp în automatizarea proceselor, atât sub forma controlului digital direct (DDC), cât și a controlului punctului de reglare. La începutul anilor 1970, Taylor Instrument Company, (în prezent parte a ABB) a dezvoltat sistemul 1010, Foxboro sistemul FOX1, Fisher Controls sistemul DC2 și Bailey Controls sistemele 1055. Toate acestea erau aplicații DDC implementate în minicalculatoare (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP etc.) și conectate la hardware de intrare/ieșire brevetat. În acest mod a fost implementat un control sofisticat (pentru acea vreme) atât continuu, cât și discontinuu. O abordare mai conservatoare a fost controlul punctului de referință, în care calculatoarele de proces supravegheau grupuri de controlere analogice de proces. O stație de lucru asigura vizibilitatea procesului prin intermediul textului și al graficii cu caractere rudimentare. Disponibilitatea unei interfețe grafice cu utilizatorul complet funcționale era departe.
DevelopmentEdit
Centrală pentru modelul DCS a fost includerea blocurilor funcționale de control. Blocurile de funcții au evoluat de la primele concepte DDC, mai primitive, ale software-ului „condus de tabele”. Una dintre primele întruchipări ale software-ului orientat pe obiecte, blocurile de funcții erau „blocuri” autonome de cod care emulau componentele hardware analogice de control și executau sarcini esențiale pentru controlul procesului, cum ar fi executarea algoritmilor PID. Blocurile funcționale continuă să reziste ca metodă predominantă de control pentru furnizorii de DCS și sunt susținute astăzi de tehnologii cheie, cum ar fi Foundation Fieldbus.
Midac Systems, din Sydney, Australia, a dezvoltat un sistem de control digital direct distribuit orientat pe obiecte în 1982. Sistemul central rula 11 microprocesoare care împărțeau sarcinile și memoria comună și care erau conectate la o rețea de comunicare serială a controllerelor distribuite, fiecare rulând câte două Z80. Sistemul a fost instalat la Universitatea din Melbourne.
Comunicarea digitală între controllere distribuite, stații de lucru și alte elemente de calcul (acces de la egal la egal) a fost unul dintre principalele avantaje ale DCS. Atenția s-a concentrat în mod corespunzător asupra rețelelor, care asigurau liniile de comunicație extrem de importante care, pentru aplicațiile de proces, trebuiau să încorporeze funcții specifice, cum ar fi determinismul și redundanța. Ca urmare, mulți furnizori au adoptat standardul de rețea IEEE 802.4. Această decizie a pregătit terenul pentru valul de migrații necesare atunci când tehnologia informației s-a mutat în automatizarea proceselor, iar IEEE 802.3, mai degrabă decât IEEE 802.4, a prevalat ca rețea locală de control.
Era centrată pe rețea din anii 1980Edit
În anii 1980, utilizatorii au început să privească DCS-urile ca fiind mai mult decât un simplu control de bază al proceselor. Un exemplu foarte timpuriu de DCS cu control digital direct a fost finalizat de întreprinderea australiană Midac în 1981-82, folosind hardware proiectat de R-Tec Australian. Sistemul instalat la Universitatea din Melbourne folosea o rețea de comunicații seriale, conectând clădirile campusului la o cameră de control „front-end”. Fiecare unitate de la distanță a rulat două microprocesoare Z80, în timp ce front-end-ul a rulat unsprezece Z80 într-o configurație de procesare paralelă cu memorie comună paginată pentru a împărți sarcinile și care putea rula până la 20.000 de obiecte de control concurente.
Se credea că, dacă se putea realiza deschiderea și se puteau partaja cantități mai mari de date în întreaga întreprindere, se puteau obține lucruri și mai mari. Primele încercări de a crește gradul de deschidere al DCS-urilor au avut ca rezultat adoptarea sistemului de operare predominant la acea vreme: UNIX. UNIX și tehnologia de rețea însoțitoare TCP-IP au fost dezvoltate de către Departamentul de Apărare al SUA pentru deschidere, care era exact problema pe care industriile de procesare căutau să o rezolve.
În consecință, furnizorii au început să adopte și rețele bazate pe Ethernet cu propriile lor straturi de protocol proprietar. Standardul TCP/IP complet nu a fost implementat, dar utilizarea Ethernet a făcut posibilă implementarea primelor cazuri de gestionare a obiectelor și a tehnologiei de acces global la date. Anii 1980 au fost, de asemenea, martorii primelor PLC-uri integrate în infrastructura DCS. Au apărut, de asemenea, istorici la nivelul întregii uzine pentru a profita de raza de acțiune extinsă a sistemelor de automatizare. Primul furnizor de DCS care a adoptat tehnologiile de rețea UNIX și Ethernet a fost Foxboro, care a introdus sistemul I/A Series în 1987.
Era centrată pe aplicații din anii 1990Edit
Drumul spre deschidere din anii 1980 a căpătat amploare în anii 1990, odată cu adoptarea tot mai frecventă a componentelor comerciale de la raft (COTS) și a standardelor IT. Probabil că cea mai mare tranziție întreprinsă în această perioadă a fost trecerea de la sistemul de operare UNIX la mediul Windows. În timp ce domeniul sistemului de operare în timp real (RTOS) pentru aplicațiile de control rămâne dominat de variantele comerciale în timp real ale UNIX sau de sistemele de operare proprietare, tot ceea ce este mai presus de controlul în timp real a făcut tranziția către Windows.
Introducerea Microsoft la nivelul desktop-ului și al serverului a dus la dezvoltarea unor tehnologii precum OLE pentru controlul proceselor (OPC), care este acum un standard de facto de conectivitate în industrie. Tehnologia Internet a început, de asemenea, să își lase amprenta în automatizare și în lume, majoritatea HMI DCS suportând conectivitatea la Internet. Anii ’90 au fost, de asemenea, cunoscuți pentru „Războaiele Fieldbus”, în care organizații rivale au concurat pentru a defini ceea ce avea să devină standardul IEC Fieldbus pentru comunicarea digitală cu instrumentele de câmp în locul comunicațiilor analogice de 4-20 miliamperi. Primele instalații fieldbus au avut loc în anii 1990. Spre sfârșitul deceniului, tehnologia a început să ia un avânt semnificativ, piața fiind consolidată în jurul Ethernet I/P, Foundation Fieldbus și Profibus PA pentru aplicațiile de automatizare a proceselor. Unii furnizori au construit sisteme noi de la zero pentru a maximiza funcționalitatea cu fieldbus, cum ar fi Rockwell PlantPAx System, Honeywell cu sistemele SCADA Experion & Plantscape, ABB cu System 800xA, Emerson Process Management cu sistemul de control Emerson Process Management DeltaV, Siemens cu SPPA-T3000 sau Simatic PCS 7, Forbes Marshall cu sistemul de control Microcon+ și Azbil Corporation cu sistemul Harmonas-DEO. Tehnicile Fieldbus au fost utilizate pentru a integra mașinile, acționările, aplicațiile de monitorizare a calității și a stării la un singur DCS cu sistemul Valmet DNA.
Impactul COTS, totuși, a fost cel mai pronunțat la nivelul hardware. Timp de ani de zile, activitatea principală a furnizorilor de DCS a fost furnizarea de cantități mari de hardware, în special I/O și controlere. Proliferarea inițială a DCS-urilor a necesitat instalarea unor cantități prodigioase de acest hardware, majoritatea fabricate de jos în sus de către furnizorii de DCS. Cu toate acestea, componentele standard ale calculatoarelor de la producători precum Intel și Motorola au făcut ca pentru furnizorii de DCS să fie prohibitiv din punct de vedere al costurilor să continue să își fabrice propriile componente, stații de lucru și hardware de rețea.
În timp ce furnizorii făceau tranziția către componente COTS, au descoperit, de asemenea, că piața de hardware se micșora rapid. COTS nu numai că a dus la scăderea costurilor de fabricație pentru furnizor, dar și la scăderea constantă a prețurilor pentru utilizatorii finali, care, de asemenea, deveneau din ce în ce mai vehemenți cu privire la ceea ce percepeau ca fiind costuri hardware nejustificat de ridicate. Unii furnizori care anterior erau mai puternici în domeniul PLC, cum ar fi Rockwell Automation și Siemens, au reușit să își valorifice expertiza în producția de hardware de control pentru a intra pe piața DCS cu oferte rentabile, în timp ce stabilitatea/scalabilitatea/fiabilitatea și funcționalitatea acestor sisteme emergente sunt încă în curs de îmbunătățire. Furnizorii tradiționali de DCS au introdus o nouă generație de sisteme DCS bazate pe cele mai recente standarde de comunicare și IEC, ceea ce a dus la o tendință de combinare a conceptelor/funcționalităților tradiționale pentru PLC și DCS într-o soluție unică pentru toate, denumită „sistem de automatizare a proceselor” (PAS). Lacunele dintre diferitele sisteme rămân în domenii precum: integritatea bazei de date, funcționalitatea de preinginerie, maturitatea sistemului, transparența comunicațiilor și fiabilitatea. Deși este de așteptat ca raportul dintre costuri să fie relativ același (cu cât sistemele sunt mai puternice, cu atât vor fi mai scumpe), realitatea afacerii de automatizare funcționează adesea în mod strategic de la caz la caz. Următoarea etapă actuală de evoluție se numește Sisteme de automatizare colaborativă a proceselor.
Pentru a agrava problema, furnizorii își dădeau seama, de asemenea, că piața hardware devenea saturată. De asemenea, ciclul de viață al componentelor hardware, cum ar fi I/O și cablajul, este de obicei cuprins între 15 și peste 20 de ani, ceea ce face ca piața de înlocuire să fie dificilă. Multe dintre sistemele mai vechi care au fost instalate în anii ’70 și ’80 sunt încă în uz și astăzi, iar pe piață există o bază instalată considerabilă de sisteme care se apropie de sfârșitul duratei lor de viață utilă. Economiile industriale dezvoltate din America de Nord, Europa și Japonia aveau deja multe mii de DCS-uri instalate și, având în vedere că se construiesc puține sau chiar deloc uzine noi, piața de hardware nou se deplasa rapid către regiuni mai mici, deși cu o creștere mai rapidă, cum ar fi China, America Latină și Europa de Est.
Din cauza restrângerii activității de hardware, furnizorii au început să facă o tranziție dificilă de la un model de afaceri bazat pe hardware la unul bazat pe software și servicii cu valoare adăugată. Este o tranziție care se face și astăzi. Portofoliul de aplicații oferit de furnizori s-a extins considerabil în anii ’90 pentru a include domenii precum gestionarea producției, controlul bazat pe modele, optimizarea în timp real, gestionarea activelor instalației (PAM), instrumente de gestionare a performanței în timp real (RPM), gestionarea alarmelor și multe altele. Cu toate acestea, pentru a obține adevărata valoare din aceste aplicații, este adesea necesar un conținut considerabil de servicii, pe care furnizorii îl oferă de asemenea.
Sisteme moderne (începând cu 2010)Edit
Cele mai recente evoluții în domeniul DCS includ următoarele tehnologii noi:
- Sisteme și protocoale fără fir
- Transmisie la distanță, logare și istoric de date
- Interfețe și comenzi mobile
- Servere web încorporate
În mod tot mai frecvent, și ironic, DCS-urile devin centralizate la nivelul instalației, cu posibilitatea de a se conecta la echipamentele aflate la distanță. Acest lucru permite operatorului să controleze atât la nivel de întreprindere ( macro ), cât și la nivel de echipament (micro), atât în interiorul, cât și în afara instalației, deoarece importanța locației fizice scade datorită interconectivității, în primul rând datorită accesului fără fir și la distanță.
Cu cât mai multe protocoale fără fir sunt dezvoltate și perfecționate, cu atât mai mult sunt incluse în DCS. Controlerele DCS sunt acum adesea echipate cu servere încorporate și oferă acces web în mișcare. Rămâne de văzut dacă DCS va conduce Internetul industrial al obiectelor (IIOT) sau va împrumuta elemente cheie de la acesta.
Mulți furnizori oferă opțiunea unui HMI mobil, pregătit atât pentru Android, cât și pentru iOS. Cu aceste interfețe, amenințarea încălcărilor de securitate și a posibilelor daune aduse instalațiilor și proceselor sunt acum foarte reale.