Entwicklung der ProzesssteuerungsvorgängeBearbeiten
Die Prozesssteuerung von großen Industrieanlagen hat sich über viele Stufen entwickelt. Ursprünglich erfolgte die Steuerung über Schalttafeln vor Ort in der Prozessanlage. Dies erforderte jedoch einen großen Personalaufwand für die Betreuung dieser verstreuten Schalttafeln, und es gab keinen Gesamtüberblick über den Prozess. Die nächste logische Entwicklung war die Übertragung aller Anlagenmessungen an einen ständig besetzten zentralen Kontrollraum. Dies bedeutete praktisch die Zentralisierung aller dezentralen Schalttafeln mit den Vorteilen eines geringeren Personalaufwands und eines besseren Überblicks über den Prozess. Häufig befanden sich die Steuerungen hinter den Schalttafeln in der Leitwarte, und alle automatischen und manuellen Steuerausgänge wurden an die Anlage zurückübertragen. Diese Anordnung bot zwar einen zentralen Steuerungsschwerpunkt, war jedoch unflexibel, da jeder Regelkreis über eine eigene Steuerungshardware verfügte und der Bediener sich ständig im Kontrollraum bewegen musste, um verschiedene Teile des Prozesses zu sehen.
Mit dem Aufkommen elektronischer Prozessoren und grafischer Anzeigen wurde es möglich, diese diskreten Steuerungen durch computergestützte Algorithmen zu ersetzen, die in einem Netz von Ein-/Ausgangsgestellen mit eigenen Steuerprozessoren untergebracht waren. Diese konnten in der Anlage verteilt werden und mit dem Grafikdisplay im Kontrollraum oder in den Kontrollräumen kommunizieren. Das verteilte Steuerungssystem war geboren.
Die Einführung von DCS ermöglichte die einfache Verbindung und Neukonfiguration von Anlagensteuerungen wie kaskadierte Regelkreise und Verriegelungen sowie die einfache Kopplung mit anderen Produktionscomputersystemen. Sie ermöglichten eine ausgefeilte Alarmverarbeitung, führten eine automatische Ereignisprotokollierung ein, machten physische Aufzeichnungen wie Diagrammschreiber überflüssig, ermöglichten die Vernetzung der Steuerschränke und damit die lokale Platzierung in der Anlage, um den Verkabelungsaufwand zu verringern, und boten einen umfassenden Überblick über den Anlagenstatus und die Produktionsmengen.
OriginsEdit
Frühe Minicomputer wurden seit Anfang der 1960er Jahre zur Steuerung industrieller Prozesse eingesetzt. Der IBM 1800 war beispielsweise ein früher Computer, der über eine Ein-/Ausgabe-Hardware verfügte, um Prozesssignale in einer Anlage zu erfassen und von Feldkontakten (für digitale Punkte) und analogen Signalen in die digitale Domäne umzuwandeln.
Das erste industrielle Steuerungscomputersystem wurde 1959 in der Texaco-Raffinerie in Port Arthur, Texas, mit einem RW-300 der Ramo-Wooldridge Company gebaut.
Im Jahr 1975 brachten sowohl Honeywell als auch die japanische Elektrotechnikfirma Yokogawa ihre eigenen, unabhängig produzierten DCS-Systeme auf den Markt – TDC 2000 bzw. CENTUM. Das US-amerikanische Unternehmen Bristol führte ebenfalls 1975 seine Universalsteuerung UCS 3000 ein. Im Jahr 1978 führte Valmet sein eigenes DCS-System namens Damatic ein (die neueste Generation heißt Valmet DNA). 1980 führte Bailey (heute Teil von ABB) das NETWORK 90-System ein, Fisher Controls (heute Teil von Emerson Electric) das PROVoX-System und Fischer & Porter Company (heute ebenfalls Teil von ABB) das DCI-4000-System (DCI steht für Distributed Control Instrumentation).
Das DCS entstand hauptsächlich durch die zunehmende Verfügbarkeit von Mikrocomputern und die Verbreitung von Mikroprozessoren in der Welt der Prozesssteuerung. Computer wurden bereits seit einiger Zeit in der Prozessautomatisierung in Form von direkter digitaler Regelung (DDC) und Sollwertregelung eingesetzt. In den frühen 1970er Jahren entwickelte Taylor Instrument Company (heute Teil von ABB) das System 1010, Foxboro das System FOX1, Fisher Controls das System DC2 und Bailey Controls das System 1055. Bei all diesen Systemen handelte es sich um DDC-Anwendungen, die in Minicomputern (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP usw.) implementiert und mit proprietärer Input/Output-Hardware verbunden waren. Auf diese Weise wurde eine (für die damalige Zeit) ausgefeilte kontinuierliche sowie eine Batch-Regelung implementiert. Ein konservativerer Ansatz war die Sollwertsteuerung, bei der Prozessrechner Cluster von analogen Prozessreglern überwachten. Eine Workstation ermöglichte den Einblick in den Prozess mit Hilfe von Text und groben Zeichengrafiken. Die Verfügbarkeit einer voll funktionsfähigen grafischen Benutzeroberfläche lag noch in weiter Ferne.
EntwicklungBearbeiten
Zentraler Bestandteil des DCS-Modells war die Einbeziehung von Steuerungsfunktionsblöcken. Funktionsblöcke entwickelten sich aus den frühen, primitiveren DDC-Konzepten der „tabellengesteuerten“ Software. Als eine der ersten Ausprägungen objektorientierter Software waren Funktionsblöcke in sich geschlossene „Codeblöcke“, die analoge Hardwaresteuerungskomponenten emulierten und Aufgaben erfüllten, die für die Prozesssteuerung wesentlich waren, wie z. B. die Ausführung von PID-Algorithmen. Funktionsblöcke sind nach wie vor die vorherrschende Steuerungsmethode für DCS-Anbieter und werden heute von Schlüsseltechnologien wie Foundation Fieldbus unterstützt.
Midac Systems aus Sydney, Australien, entwickelte 1982 ein objektorientiertes verteiltes direktes digitales Steuerungssystem. Das zentrale System bestand aus 11 Mikroprozessoren, die sich Aufgaben und gemeinsamen Speicher teilten und an ein serielles Kommunikationsnetz verteilter Steuerungen mit jeweils zwei Z80 angeschlossen waren. Das System wurde an der Universität von Melbourne installiert.
Die digitale Kommunikation zwischen verteilten Steuerungen, Workstations und anderen Rechenelementen (Peer-to-Peer-Zugriff) war einer der wichtigsten Vorteile des DCS. Die Aufmerksamkeit richtete sich auf die Netze, die die wichtigen Kommunikationslinien bereitstellten, die für Prozessanwendungen spezifische Funktionen wie Determinismus und Redundanz enthalten mussten. Infolgedessen setzten viele Anbieter auf den Netzwerkstandard IEEE 802.4. Diese Entscheidung bildete die Grundlage für die Migrationswelle, die notwendig wurde, als die Informationstechnologie in die Prozessautomatisierung Einzug hielt und sich IEEE 802.3 statt IEEE 802.4 als Steuerungs-LAN durchsetzte.
Die netzwerkzentrierte Ära der 1980er JahreBearbeiten
In den 1980er Jahren begannen die Anwender, DCS als mehr als nur grundlegende Prozesssteuerung zu betrachten. Ein sehr frühes Beispiel für ein DCS mit direkter digitaler Steuerung wurde 1981-82 von dem australischen Unternehmen Midac unter Verwendung der von R-Tec Australian entwickelten Hardware fertiggestellt. Das an der Universität von Melbourne installierte System nutzte ein serielles Kommunikationsnetz, das die Gebäude auf dem Campus mit einem „Front-End“ im Kontrollraum verband. Auf jeder dezentralen Einheit liefen zwei Z80-Mikroprozessoren, während auf dem Front-End elf Z80 in einer Parallelverarbeitungskonfiguration mit ausgelagertem gemeinsamen Speicher zur gemeinsamen Nutzung von Aufgaben und zur Ausführung von bis zu 20.000 gleichzeitigen Steuerobjekten liefen.
Man glaubte, dass noch größere Dinge erreicht werden könnten, wenn Offenheit erreicht werden könnte und größere Datenmengen im gesamten Unternehmen gemeinsam genutzt werden könnten. Die ersten Versuche, die Offenheit von DCSs zu erhöhen, führten zur Einführung des damals vorherrschenden Betriebssystems: UNIX. UNIX und die dazugehörige Netzwerktechnologie TCP-IP wurden vom US-Verteidigungsministerium mit dem Ziel der Offenheit entwickelt, und das war genau das Problem, das die Prozessindustrie lösen wollte.
Infolgedessen begannen auch die Lieferanten, Ethernet-basierte Netzwerke mit ihren eigenen proprietären Protokollschichten einzuführen. Der vollständige TCP/IP-Standard wurde nicht implementiert, aber die Verwendung von Ethernet ermöglichte die Implementierung der ersten Instanzen von Objektmanagement und globaler Datenzugriffstechnologie. In den 1980er Jahren wurden auch die ersten PLCs in die DCS-Infrastruktur integriert. Auch anlagenweite Historiker kamen auf, um von der erweiterten Reichweite der Automatisierungssysteme zu profitieren. Der erste DCS-Anbieter, der UNIX- und Ethernet-Netzwerktechnologien einsetzte, war Foxboro, der 1987 das System der I/A-Serie vorstellte.
Die anwendungsorientierte Ära der 1990er JahreBearbeiten
Das Streben nach Offenheit in den 1980er Jahren gewann in den 1990er Jahren mit der zunehmenden Einführung von kommerziellen Standardkomponenten und IT-Standards an Dynamik. Die wohl größte Umstellung in dieser Zeit war der Wechsel vom UNIX-Betriebssystem zur Windows-Umgebung. Während der Bereich des Echtzeitbetriebssystems (RTOS) für Steuerungsanwendungen nach wie vor von kommerziellen Echtzeitvarianten von UNIX oder proprietären Betriebssystemen dominiert wird, hat alles, was über die Echtzeitsteuerung hinausgeht, den Übergang zu Windows vollzogen.
Die Einführung von Microsoft auf der Desktop- und Serverebene führte zur Entwicklung von Technologien wie OLE für die Prozesssteuerung (OPC), die heute ein De-facto-Industriestandard für Konnektivität ist. Auch die Internet-Technologie setzte sich in der Automatisierungstechnik und in der Welt durch, und die meisten DCS-HMIs unterstützen Internet-Konnektivität. Die 1990er Jahre waren auch bekannt für die „Feldbuskriege“, in denen rivalisierende Organisationen um die Definition des IEC-Feldbusstandards für die digitale Kommunikation mit Feldinstrumenten anstelle der analogen 4-20-Milliampere-Kommunikation konkurrierten. Die ersten Feldbus-Installationen erfolgten in den 1990er Jahren. Gegen Ende des Jahrzehnts begann die Technologie, eine bedeutende Dynamik zu entwickeln, wobei sich der Markt um Ethernet I/P, Foundation Fieldbus und Profibus PA für Prozessautomatisierungsanwendungen konsolidierte. Einige Anbieter bauten von Grund auf neue Systeme, um die Funktionalität mit Feldbussen zu maximieren, wie z. B. Rockwell PlantPAx System, Honeywell mit Experion & Plantscape SCADA Systemen, ABB mit System 800xA, Emerson Process Management mit dem Emerson Process Management DeltaV Leitsystem, Siemens mit dem SPPA-T3000 oder Simatic PCS 7, Forbes Marshall mit dem Microcon+ Leitsystem und Azbil Corporation mit dem Harmonas-DEO System. Die Feldbustechnik wurde zur Integration von Maschinen-, Antriebs-, Qualitäts- und Zustandsüberwachungsanwendungen in ein DCS mit dem Valmet DNA-System eingesetzt.
Der Einfluss von COTS war jedoch auf der Hardware-Ebene am stärksten. Jahrelang bestand das Hauptgeschäft der DCS-Anbieter in der Lieferung großer Mengen an Hardware, insbesondere E/A und Steuerungen. Die anfängliche Verbreitung von DCS erforderte die Installation riesiger Mengen dieser Hardware, von denen die meisten von Grund auf von DCS-Lieferanten hergestellt wurden. Standardcomputerkomponenten von Herstellern wie Intel und Motorola machten es für die DCS-Lieferanten jedoch unerschwinglich, weiterhin eigene Komponenten, Workstations und Netzwerkhardware herzustellen.
Als die Lieferanten den Übergang zu COTS-Komponenten vollzogen, mussten sie auch feststellen, dass der Hardwaremarkt schnell schrumpfte. COTS führte nicht nur zu niedrigeren Herstellungskosten für die Anbieter, sondern auch zu stetig sinkenden Preisen für die Endverbraucher, die sich zunehmend über die ihrer Meinung nach zu hohen Hardwarekosten beschwerten. Einige Anbieter, die zuvor stärker im SPS-Geschäft tätig waren, wie Rockwell Automation und Siemens, konnten ihr Know-how bei der Herstellung von Steuerungshardware nutzen, um mit kostengünstigen Angeboten in den DCS-Markt einzutreten, während sich die Stabilität/Skalierbarkeit/Zuverlässigkeit und Funktionalität dieser neuen Systeme noch verbessern. Die traditionellen DCS-Lieferanten führten eine neue Generation von DCS-Systemen ein, die auf den neuesten Kommunikations- und IEC-Normen basieren, was zu einem Trend führte, die traditionellen Konzepte/Funktionen für SPS und DCS in einer einzigen Lösung zu kombinieren, die als „Prozessautomatisierungssystem“ (PAS) bezeichnet wird. Die Lücken zwischen den verschiedenen Systemen bestehen weiterhin in Bereichen wie Datenbankintegrität, Pre-Engineering-Funktionalität, Systemreife, Kommunikationstransparenz und Zuverlässigkeit. Während man davon ausgeht, dass das Kostenverhältnis relativ gleich ist (je leistungsfähiger die Systeme sind, desto teurer werden sie), wird in der Realität des Automatisierungsgeschäfts oft von Fall zu Fall strategisch vorgegangen. Der derzeitige nächste Evolutionsschritt heißt Collaborative Process Automation Systems.
Zusätzlich zu diesem Problem haben die Anbieter erkannt, dass der Hardwaremarkt gesättigt ist. Der Lebenszyklus von Hardwarekomponenten wie E/A und Verdrahtung liegt typischerweise zwischen 15 und 20 Jahren, was einen schwierigen Ersatzmarkt darstellt. Viele der älteren Systeme, die in den 1970er und 1980er Jahren installiert wurden, sind auch heute noch im Einsatz, und es gibt einen beträchtlichen Bestand an Systemen auf dem Markt, die sich dem Ende ihrer Nutzungsdauer nähern. In den entwickelten Industrieländern Nordamerikas, Europas und Japans waren bereits viele Tausende von DCS-Systemen installiert, und da kaum neue Anlagen gebaut wurden, verlagerte sich der Markt für neue Hardware rasch in kleinere, wenn auch schneller wachsende Regionen wie China, Lateinamerika und Osteuropa.
Aufgrund des schrumpfenden Hardware-Geschäfts begannen die Anbieter mit dem schwierigen Übergang von einem hardwarebasierten Geschäftsmodell zu einem auf Software und Mehrwertdiensten basierenden. Dieser Übergang ist auch heute noch nicht abgeschlossen. Das von den Anbietern angebotene Anwendungsportfolio wurde in den 90er Jahren beträchtlich erweitert und umfasst nun Bereiche wie Produktionsmanagement, modellbasierte Steuerung, Echtzeit-Optimierung, Plant Asset Management (PAM), Real-Time Performance Management (RPM) Tools, Alarmmanagement und viele andere. Um den wirklichen Nutzen aus diesen Anwendungen zu ziehen, ist jedoch oft ein erheblicher Dienstleistungsanteil erforderlich, den die Anbieter ebenfalls anbieten.
Moderne Systeme (ab 2010)Bearbeiten
Zu den neuesten Entwicklungen bei DCS gehören die folgenden neuen Technologien:
- Drahtlose Systeme und Protokolle
- Fernübertragung, Protokollierung und Datenhistoriker
- Mobile Schnittstellen und Steuerungen
- Eingebettete Webserver
Die DCS werden zunehmend – und ironischerweise – auf Werksebene zentralisiert, mit der Möglichkeit, sich in die entfernten Geräte einzuloggen. Dies ermöglicht dem Bediener die Steuerung sowohl auf Unternehmensebene (Makroebene) als auch auf Geräteebene (Mikroebene), sowohl innerhalb als auch außerhalb der Anlage, da die Bedeutung des physischen Standorts aufgrund der Interkonnektivität vor allem dank des drahtlosen Zugangs und des Fernzugriffs abnimmt.
Je mehr drahtlose Protokolle entwickelt und verfeinert werden, desto mehr werden sie in DCS integriert. DCS-Steuerungen sind inzwischen häufig mit eingebetteten Servern ausgestattet und ermöglichen den Web-Zugriff von unterwegs. Es bleibt abzuwarten, ob DCS das Industrial Internet of Things (IIOT) anführen oder Schlüsselelemente davon übernehmen wird.
Viele Anbieter bieten die Option einer mobilen HMI, die sowohl für Android als auch für iOS geeignet ist. Mit diesen Schnittstellen ist die Gefahr von Sicherheitsverletzungen und möglichen Schäden an Anlagen und Prozessen nun sehr real.