Utveckling av processkontrollverksamhetenRedigera
Processkontrollen av stora industriella anläggningar har utvecklats genom många steg. Till en början skulle kontrollen ske från paneler som var lokala för processanläggningen. Detta krävde dock en stor personalresurs för att sköta dessa utspridda paneler, och det fanns ingen helhetsbild av processen. Nästa logiska utveckling var att överföra alla mätningar från anläggningen till ett centralt kontrollrum med permanent bemanning. Detta innebar i praktiken en centralisering av alla de lokaliserade panelerna, med fördelarna av lägre bemanningsnivåer och lättare överblick över processen. Ofta befann sig styrenheterna bakom kontrollrumspanelerna, och alla automatiska och manuella styrutgångar överfördes tillbaka till anläggningen. Även om detta arrangemang gav ett centralt kontrollfokus var det dock oflexibelt eftersom varje styrslinga hade sin egen styrutrustning, och det krävdes att operatören hela tiden rörde sig i kontrollrummet för att se olika delar av processen.
Med elektroniska processorer och grafiska bildskärmar blev det möjligt att ersätta dessa diskreta styrenheter med datorbaserade algoritmer som ligger i ett nätverk av in/utgångsställen med egna styrprocessorer. Dessa kunde distribueras runt om i anläggningen och kommunicera med den grafiska displayen i kontrollrummet eller kontrollrummen. Det distribuerade styrsystemet var fött.
Införandet av DCS möjliggjorde enkel sammankoppling och omkonfigurering av anläggningens styrsystem, t.ex. kaskadkopplade slingor och låsningar, samt enkel sammankoppling med andra produktionsdatorsystem. Det möjliggjorde sofistikerad larmhantering, införde automatisk händelseloggning, tog bort behovet av fysiska register, t.ex. diagramskrivare, gjorde det möjligt att nätverksansluta kontrollracken och därmed placera dem lokalt i anläggningen för att minska kabeldragningarna, och gav en översikt på hög nivå över anläggningens status och produktionsnivåerna.
UrsprungRedigera
Från början av 1960-talet har minidatorer använts för styrning av industriella processer. IBM 1800, till exempel, var en tidig dator som hade hårdvara för in- och utmatning för att samla in processignaler i en anläggning för konvertering från fältkontaktnivåer (för digitala punkter) och analoga signaler till den digitala domänen.
Det första datoriserade systemet för industriell styrning byggdes 1959 vid Texacos raffinaderi i Port Arthur, Texas, med en RW-300 från Ramo-Wooldridge Company.
Under 1975 introducerade både Honeywell och den japanska elektrotekniska firman Yokogawa sina egna, självständigt producerade DCS-system – TDC 2000- respektive CENTUM-system. Amerikanska Bristol introducerade också sin universella styrenhet UCS 3000 1975. År 1978 introducerade Valmet sitt eget DCS-system kallat Damatic (den senaste generationen heter Valmet DNA). År 1980 introducerade Bailey (numera en del av ABB) NETWORK 90-systemet, Fisher Controls (numera en del av Emerson Electric) introducerade PROVoX-systemet, Fischer & Porter Company (numera också en del av ABB) introducerade DCI-4000 (DCI står för Distributed Control Instrumentation).
D DCS:en kom till stor del till stånd på grund av den ökade tillgängligheten av mikrodatorer och spridningen av mikroprocessorer i världen av processkontroll. Datorer hade redan under en tid tillämpats på processautomatisering i form av både direkt digital styrning (DDC) och setpointstyrning. I början av 1970-talet utvecklade Taylor Instrument Company (numera en del av ABB) systemet 1010, Foxboro systemet FOX1, Fisher Controls systemet DC2 och Bailey Controls systemen 1055. Alla dessa var DDC-applikationer som implementerades i minidatorer (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP etc.) och som var anslutna till egen maskinvara för in- och utmatning. På detta sätt genomfördes sofistikerad (för den tiden) kontinuerlig styrning och batchstyrning. Ett mer konservativt tillvägagångssätt var styrning av börvärden, där processdatorer övervakade kluster av analoga processregulatorer. En arbetsstation gav insyn i processen med hjälp av text och grov teckengrafik. Tillgången till ett fullt fungerande grafiskt användargränssnitt var långt borta.
DevelopmentEdit
Centralt i DCS-modellen var införandet av kontrollfunktionsblock. Funktionsblocken utvecklades från tidiga, mer primitiva DDC-koncept för ”tabellstyrd” programvara. Funktionsblocken, som var ett av de första exemplen på objektorienterad programvara, var fristående kodblock som emulgerade analoga hårdvarustyrningskomponenter och utförde uppgifter som var väsentliga för processstyrning, t.ex. utförande av PID-algoritmer. Funktionsblock fortsätter att vara den dominerande styrmetoden för DCS-leverantörer och stöds idag av nyckeltekniker som Foundation Fieldbus.
Midac Systems i Sydney, Australien, utvecklade 1982 ett objektorienterat distribuerat direkt digitalt styrsystem. Det centrala systemet körde 11 mikroprocessorer som delade uppgifter och gemensamt minne och som var anslutna till ett seriellt kommunikationsnätverk med distribuerade styrenheter som var och en körde två Z80:or. Systemet installerades vid University of Melbourne.
Digital kommunikation mellan distribuerade styrenheter, arbetsstationer och andra datorelement (peer to peer access) var en av de främsta fördelarna med DCS. Uppmärksamheten riktades på nätverken, som tillhandahöll de viktiga kommunikationslinjerna som, för processtillämpningar, måste innehålla särskilda funktioner som determinism och redundans. Som ett resultat av detta har många leverantörer anammat nätverksstandarden IEEE 802.4. Detta beslut lade grunden för den migrationsvåg som var nödvändig när informationstekniken flyttade in i processautomatiseringen och IEEE 802.3 i stället för IEEE 802.4 blev det dominerande LAN för styrning.
Den nätverkscentrerade eran på 1980-taletRedigera
På 1980-talet började användarna att betrakta DCS som mer än bara grundläggande processstyrning. Ett mycket tidigt exempel på ett DCS med direkt digital styrning färdigställdes av det australiensiska företaget Midac 1981-82 med hjälp av R-Tec Australian designad hårdvara. Det system som installerades vid Melbournes universitet använde ett seriellt kommunikationsnätverk och kopplade campusbyggnader tillbaka till ett kontrollrums ”front end”. Varje fjärrenhet körde två Z80-mikroprocessorer, medan front end körde elva Z80:or i en parallell bearbetningskonfiguration med gemensamt minne för att dela uppgifter och som kunde köra upp till 20 000 samtidiga kontrollobjekt.
Det ansågs att om öppenhet kunde uppnås och större datamängder kunde delas i hela företaget, skulle ännu större saker kunna åstadkommas. De första försöken att öka öppenheten hos DCS:erna resulterade i att man antog det för dagen dominerande operativsystemet: UNIX. UNIX och den tillhörande nätverkstekniken TCP-IP utvecklades av det amerikanska försvarsdepartementet för öppenhet, vilket var precis det problem som processindustrierna försökte lösa.
Som ett resultat av detta började leverantörerna också införa Ethernet-baserade nätverk med egna proprietära protokollskikt. Den fullständiga TCP/IP-standarden implementerades inte, men användningen av Ethernet gjorde det möjligt att implementera de första exemplen av objekthantering och teknik för global dataåtkomst. På 1980-talet integrerades också de första PLC:erna i DCS-infrastrukturen. Anläggningsövergripande historiker dök också upp för att dra nytta av automationssystemens utökade räckvidd. Den första DCS-leverantören som införde UNIX- och Ethernet-nätverksteknik var Foxboro, som introducerade I/A Series-systemet 1987.
Den applikationscentrerade eran på 1990-taletRedigera
Drivkraften mot öppenhet på 1980-talet tog fart under 1990-talet i och med det ökande införandet av kommersiella off-the-shelf-komponenter (COTS) och IT-standarder. Den förmodligen största övergången som genomfördes under denna tid var övergången från operativsystemet UNIX till Windows-miljön. Medan realtidsoperativsystemet (RTOS) för kontrolltillämpningar fortfarande domineras av kommersiella realtidsvarianter av UNIX eller egna operativsystem, har allt annat än realtidskontroll övergått till Windows.
Införandet av Microsoft på skrivbords- och servernivåerna resulterade i utvecklingen av tekniker som OLE för processtyrning (OPC), som nu är en de facto-standard för anslutningsmöjligheter i branschen. Internettekniken började också göra sitt avtryck i automatiseringen och i världen, och de flesta DCS HMI:er har stöd för Internetanslutning. 1990-talet var också känt för ”fältbusskriget”, där rivaliserande organisationer tävlade om att definiera vad som skulle bli IEC:s fältbussstandard för digital kommunikation med fältinstrumentering i stället för 4-20 milliampers analog kommunikation. De första installationerna av fältbussar skedde på 1990-talet. Mot slutet av decenniet började tekniken utveckla en betydande dynamik, och marknaden konsoliderades kring Ethernet I/P, Foundation Fieldbus och Profibus PA för tillämpningar inom processautomation. Vissa leverantörer byggde nya system från grunden för att maximera funktionaliteten med fältbuss, t.ex. Rockwell PlantPAx System, Honeywell med Experion & Plantscape SCADA-system, ABB med System 800xA, Emerson Process Management med Emerson Process Management DeltaV-kontrollsystemet, Siemens med SPPA-T3000 eller Simatic PCS 7, Forbes Marshall med Microcon+-kontrollsystemet och Azbil Corporation med Harmonas-DEO-systemet. Fältbussteknik har använts för att integrera maskin-, driv-, kvalitets- och tillståndsövervakningstillämpningar i ett DCS med Valmet DNA-systemet.
Inverkan av COTS var dock mest uttalad på hårdvarulagret. I åratal hade DCS-leverantörernas primära verksamhet varit att leverera stora mängder hårdvara, särskilt I/O och styrenheter. Den första spridningen av DCS:er krävde installation av enorma mängder av denna hårdvara, varav det mesta tillverkades från grunden av DCS-leverantörerna. Standardiserade datorkomponenter från tillverkare som Intel och Motorola gjorde det dock oöverkomligt för DCS-leverantörerna att fortsätta att tillverka sina egna komponenter, arbetsstationer och nätverkshårdvara.
I samband med att leverantörerna övergick till COTS-komponenter upptäckte de också att hårdvarumarknaden krympte snabbt. COTS resulterade inte bara i lägre tillverkningskostnader för leverantören, utan också i stadigt sjunkande priser för slutanvändarna, som också blev alltmer högljudda över vad de uppfattade som orimligt höga hårdvarukostnader. Vissa leverantörer som tidigare var starkare inom PLC-branschen, t.ex. Rockwell Automation och Siemens, kunde utnyttja sin expertis inom tillverkning av hårdvara för styrning för att ta sig in på DCS-marknaden med kostnadseffektiva erbjudanden, samtidigt som stabiliteten/skalerbarheten/tillförlitligheten och funktionaliteten hos dessa nya system fortfarande förbättras. De traditionella DCS-leverantörerna introducerade en ny generation DCS-system baserade på de senaste kommunikations- och IEC-standarderna, vilket resulterade i en trend att kombinera de traditionella koncepten/funktionaliteterna för PLC och DCS till en enda lösning med namnet ”Process Automation System” (PAS). De olika systemens brister kvarstår på områden som databasintegritet, funktionalitet före konstruktion, systemets mognad, öppenhet i kommunikationen och tillförlitlighet. Även om man förväntar sig att kostnadsförhållandet är relativt detsamma (ju kraftfullare systemen är, desto dyrare blir de), är verkligheten i automationsbranschen ofta att man arbetar strategiskt från fall till fall. Det nuvarande nästa utvecklingssteget kallas Collaborative Process Automation Systems.
För att förvärra problemet insåg leverantörerna också att hårdvarumarknaden höll på att bli mättad. Livscykeln för hårdvarukomponenter, t.ex. I/O och ledningar, är också vanligtvis i storleksordningen 15 till över 20 år, vilket gör att ersättningsmarknaden är utmanande. Många av de äldre system som installerades på 1970- och 1980-talen används fortfarande idag, och det finns en betydande installerad bas av system på marknaden som närmar sig slutet av sin livslängd. De utvecklade industriella ekonomierna i Nordamerika, Europa och Japan hade redan många tusen DCS installerade, och eftersom det byggdes få eller inga nya anläggningar, flyttades marknaden för ny hårdvara snabbt till mindre, men snabbare växande regioner som Kina, Latinamerika och Östeuropa.
På grund av den krympande hårdvaruaffären började leverantörerna göra den utmanande övergången från en hårdvarubaserad affärsmodell till en affärsmodell som bygger på mjukvara och mervärdestjänster. Det är en övergång som fortfarande sker i dag. Den applikationsportfölj som leverantörerna erbjöd utökades avsevärt på 90-talet och omfattade områden som produktionshantering, modellbaserad styrning, optimering i realtid, förvaltning av anläggningstillgångar (Plant Asset Management, PAM), verktyg för realtidsstyrning av prestanda (Real-time Performance Management, RPM), larmhantering och många andra. För att få ut det verkliga värdet av dessa tillämpningar krävs dock ofta ett betydande tjänsteinnehåll, vilket leverantörerna också tillhandahåller.
Moderna system (2010 och framåt)Edit
Den senaste utvecklingen inom DCS omfattar följande nya tekniker:
- Trådlösa system och protokoll
- Fjärröverföring, loggning och datahistoriker
- Mobila gränssnitt och kontroller
- Inbäddade web-servrar
I ökande grad, och ironiskt nog, centraliseras DCS på anläggningsnivå med möjlighet att logga in på fjärrutrustning. Detta gör det möjligt för operatören att styra både på företagsnivå (makro) och på utrustningsnivå (mikro), både inom och utanför anläggningen, eftersom betydelsen av den fysiska platsen minskar på grund av sammankopplingen, främst tack vare trådlös och fjärråtkomst.
Desto mer trådlösa protokoll utvecklas och förfinas, desto mer inkluderas de i DCS. DCS-styrenheter är nu ofta utrustade med inbyggda servrar och ger webbåtkomst på språng. Huruvida DCS kommer att leda Industrial Internet of Things (IIOT) eller låna nyckelelement från återstår att se.
Många leverantörer erbjuder möjligheten till ett mobilt HMI, redo för både Android och iOS. Med dessa gränssnitt är hotet om säkerhetsöverträdelser och eventuella skador på anläggningar och processer nu mycket verkligt.