Распределенная система управления ( РСУ ) — это компьютеризированная система управления процессом или предприятием, обычно со множеством контуров управления , в которой автономные контроллеры распределены по всей системе, но отсутствует центральный диспетчерский контроль. В этом отличие от систем, в которых используются централизованные контроллеры; либо дискретные контроллеры, расположенные в центральной диспетчерской, либо внутри центрального компьютера. Концепция РСУ повышает надежность и снижает затраты на установку за счет локализации функций управления рядом с технологической установкой с дистанционным мониторингом и контролем.
Распределенные системы управления впервые появились в крупных, дорогостоящих, критически важных для безопасности перерабатывающих отраслях и были привлекательными, поскольку производитель РСУ поставлял как локальный уровень управления, так и центральное диспетчерское оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции конструкции. Сегодня функциональные возможности систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и РСУ очень схожи, но РСУ, как правило, используется на крупных технологических установках непрерывного действия, где важна высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не является географически удаленной. Многие системы управления машинами обладают теми же свойствами, что и системы управления заводами и процессами. [1]
Ключевым атрибутом РСУ является ее надежность благодаря распределению обработки управления по узлам системы. Это смягчает сбой одного процессора. Если процессор выйдет из строя, это повлияет только на одну часть производственного процесса, а не на центральный компьютер, который повлияет на весь процесс. Такое распределение вычислительной мощности локально по полевым стойкам ввода-вывода (I/O) также обеспечивает сокращение времени обработки контроллером за счет устранения возможных задержек сетевой и центральной обработки.
Прилагаемая диаграмма представляет собой общую модель, показывающую функциональные уровни производства с использованием компьютерного управления.
Ссылаясь на диаграмму;
Уровни 1 и 2 — это функциональные уровни традиционной РСУ, в которой все оборудование является частью интегрированной системы от одного производителя.
Уровни 3 и 4 — это не строго контроль процесса в традиционном смысле этого слова, а контроль производства и планирование.
Узлы процессора и графические дисплеи оператора подключаются через собственные или стандартные сети, а надежность сети повышается за счет двойного резервирования кабелей по различным маршрутам. Эта распределенная топология также уменьшает количество полевых кабелей за счет размещения модулей ввода-вывода и связанных с ними процессоров рядом с технологической установкой.
Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают ее и принимают решения по управляющим действиям, которые будут сигнализироваться модулями вывода. Полевые входы и выходы могут быть аналоговыми сигналами, например, токовой петлей постоянного тока 4–20 мА , или сигналами с двумя состояниями, которые переключаются либо «включено», либо «выключено», например, контакты реле или полупроводниковый переключатель.
РСУ подключаются к датчикам и исполнительным механизмам и используют контроль заданного значения для управления потоком материала через установку. Типичным применением является ПИД-регулятор , питаемый от расходомера и использующий регулирующий клапан в качестве конечного элемента управления. РСУ отправляет заданное значение, необходимое для процесса, на контроллер, который дает команду клапану работать так, чтобы процесс достиг желаемого заданного значения и оставался на нем. (см., например, схему 4–20 мА).
Крупные нефтеперерабатывающие и химические заводы имеют несколько тысяч точек ввода-вывода и используют очень большие РСУ. Однако процессы не ограничиваются потоком жидкости по трубам и могут также включать такие вещи, как бумагоделательные машины и связанный с ними контроль качества, приводы с регулируемой скоростью и центры управления двигателями , цементные печи , горнодобывающие предприятия , предприятия по переработке руды и многие другие .
РСУ в приложениях с очень высокой надежностью могут иметь двойные резервные процессоры с «горячим» переключением при неисправности для повышения надежности системы управления.
Хотя основным стандартом передачи сигналов в полевых условиях является ток 4–20 мА, современные системы РСУ также могут поддерживать цифровые протоколы полевой шины , такие как Foundation Fieldbus, Profibus, HART, Modbus , PC Link и т. д.
Современные РСУ также поддерживают нейронные сети и приложения нечеткой логики . Последние исследования сосредоточены на синтезе оптимальных распределенных регуляторов, оптимизирующих некую H-бесконечность или критерий управления H 2 . [2] [3]
Распределенные системы управления (РСУ) — это специализированные системы, используемые в производственных процессах, которые являются непрерывными или серийно-ориентированными.
Процессы, в которых может использоваться DCS, включают:
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях развивалось на многих этапах. Первоначально управление будет осуществляться с панелей, расположенных на технологическом заводе. Однако для работы этих рассредоточенных групп требовалось большое количество человеческого контроля, и не было общего представления о процессе. Следующим логическим развитием стала передача всех измерений станции в постоянно укомплектованный центральный диспетчерский пункт. По сути, это была централизация всех локализованных групп с преимуществами более низкого уровня укомплектования персоналом и облегчения обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все выходные данные автоматического и ручного управления передавались обратно на завод. Однако, хотя эта схема и обеспечивала централизованное управление, она была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для наблюдения за различными частями процесса требовалось постоянное перемещение оператора внутри диспетчерской.
С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода/вывода с собственными управляющими процессорами. Они могут быть распределены по всему заводу и обмениваться данными с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Появилась распределенная система управления.
Внедрение РСУ позволило легко соединять и реконфигурировать средства управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило усовершенствовать обработку сигналов тревоги, внедрить автоматическую регистрацию событий, устранило необходимость в физических записях, таких как самописцы, позволило объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить прокладку кабелей, а также обеспечило высокоуровневый обзор состояния предприятия и производства. уровни.
Первые миникомпьютеры использовались для управления производственными процессами с начала 1960-х годов. IBM 1800 , например, был первым компьютером, который имел оборудование ввода/вывода для сбора технологических сигналов на заводе для преобразования с уровней полевых контактов (для цифровых точек) и аналоговых сигналов в цифровую область.
Первая компьютерная система промышленного управления была построена в 1959 году на нефтеперерабатывающем заводе Texaco в Порт-Артуре, штат Техас, с использованием RW-300 компании Ramo-Wooldridge . [4]
В 1975 году компания Yamatake-Honeywell [5] и японская электротехническая фирма Yokogawa представили свои собственные РСУ независимого производства — системы TDC 2000 и CENTUM соответственно. Американская компания Bristol также представила свой универсальный контроллер UCS 3000 в 1975 году. В 1978 году Valmet представила свою собственную систему DCS под названием Damatic (последнее поколение под названием Valmet DNA [6] ). В 1980 году Bailey (ныне часть ABB [7] ) представила систему NETWORK 90, Fisher Controls (теперь часть Emerson Electric ) представила систему PROVoX, Fischer & Porter Company (теперь также часть ABB [8] ) представила DCI- 4000 (DCI означает «Распределенное управление приборами»).
DCS во многом возникла из-за возросшей доступности микрокомпьютеров и распространения микропроцессоров в мире управления процессами. Компьютеры уже некоторое время применялись для автоматизации процессов как в форме прямого цифрового управления (DDC), так и в форме управления заданными значениями. В начале 1970-х годов компания Taylor Instrument Company (ныне часть ABB) разработала систему 1010, Foxboro - систему FOX1, Fisher Controls - систему DC 2 , а Bailey Controls - системы 1055. Все это были приложения DDC, реализованные в миникомпьютерах ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP и т. д.) и подключенные к проприетарному оборудованию ввода/вывода. Таким образом было реализовано сложное (на то время) непрерывное и периодическое управление. Более консервативным подходом было управление заданными значениями, при котором компьютеры процесса контролировали кластеры аналоговых контроллеров процесса. Рабочая станция обеспечивала наглядность процесса с помощью текста и грубой символьной графики. Наличие полнофункционального графического пользовательского интерфейса было еще далеко.
Центральным элементом модели РСУ было включение блоков функций управления. Функциональные блоки произошли от ранних, более примитивных концепций DDC программного обеспечения, управляемого таблицами. В одном из первых вариантов объектно-ориентированного программного обеспечения функциональные блоки представляли собой автономные «блоки» кода, которые имитировали аналоговые компоненты аппаратного управления и выполняли задачи, необходимые для управления процессом, такие как выполнение ПИД-алгоритмов. Функциональные блоки продолжают оставаться преобладающим методом управления для поставщиков РСУ и сегодня поддерживаются такими ключевыми технологиями, как Foundation Fieldbus [9] .
Midac Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную систему прямого цифрового управления в 1982 году. Центральная система управляла 11 микропроцессорами, совместно использующими задачи и общую память, и была подключена к сети последовательной связи распределенных контроллеров, каждый из которых управлял двумя Z80. Система была установлена в Мельбурнском университете. [ нужна цитата ]
Цифровая связь между распределенными контроллерами, рабочими станциями и другими вычислительными элементами (одноранговый доступ) была одним из основных преимуществ РСУ. Внимание было должным образом сосредоточено на сетях, которые обеспечивали важнейшие линии связи, которые для технологических приложений должны были включать в себя определенные функции, такие как детерминизм и избыточность. В результате многие поставщики приняли сетевой стандарт IEEE 802.4. Это решение подготовило почву для волны миграций, необходимой, когда информационные технологии перешли в автоматизацию процессов, и в качестве управляющей локальной сети стал преобладать IEEE 802.3, а не IEEE 802.4.
В 1980-е годы пользователи начали рассматривать РСУ как нечто большее, чем просто базовое управление процессами. Самый ранний пример РСУ с прямым цифровым управлением был создан австралийской компанией Midac в 1981–82 годах с использованием оборудования, разработанного австралийской компанией R-Tec. Система, установленная в Мельбурнском университете, использовала сеть последовательной связи, соединяющую здания кампуса с «передним концом» диспетчерской. В каждом удаленном блоке работали два микропроцессора Z80 , а на внешнем блоке работало одиннадцать Z80 в конфигурации параллельной обработки со страничной общей памятью для совместного использования задач и возможностью одновременного запуска до 20 000 объектов управления.
Считалось, что если можно будет достичь открытости и совместно использовать большие объемы данных по всему предприятию, можно будет достичь еще большего. Первые попытки повысить открытость РСУ привели к принятию преобладающей операционной системы того времени: UNIX . UNIX и связанная с ней сетевая технология TCP-IP были разработаны Министерством обороны США в целях открытости, а именно эту проблему стремились решить перерабатывающие отрасли.
В результате поставщики также начали внедрять сети на базе Ethernet со своими собственными уровнями протоколов. Полный стандарт TCP/IP не был реализован, но использование Ethernet позволило реализовать первые примеры технологии управления объектами и глобального доступа к данным. В 1980-е годы также стали первыми ПЛК , интегрированными в инфраструктуру РСУ. Историки всего предприятия также начали извлекать выгоду из расширенного охвата систем автоматизации. Первым поставщиком РСУ, принявшим сетевые технологии UNIX и Ethernet, была компания Foxboro, представившая систему I/A Series [10] в 1987 году.
Стремление к открытости в 1980-х годах набрало силу в 1990-е годы с ростом внедрения коммерческих готовых компонентов (COTS) и ИТ-стандартов. Вероятно, самым большим переходом, предпринятым за это время, был переход от операционной системы UNIX к среде Windows. Хотя в сфере операционных систем реального времени ( RTOS ) для управляющих приложений по-прежнему доминируют коммерческие варианты UNIX или проприетарные операционные системы реального времени, все, что выходит за рамки управления в реальном времени, перешло в Windows.
Внедрение Microsoft на уровне настольных компьютеров и серверов привело к развитию таких технологий, как OLE для управления процессами (OPC) , которая в настоящее время де-факто является отраслевым стандартом подключения. Интернет-технологии также начали оказывать влияние на автоматизацию и в мире: большинство HMI DCS поддерживают подключение к Интернету. 1990-е годы также были известны «войнами полевых шин», когда конкурирующие организации соревновались за определение того, что станет стандартом полевой шины IEC для цифровой связи с полевыми приборами вместо аналоговой связи на 4–20 мА. Первые установки полевой шины произошли в 1990-х годах. К концу десятилетия технология начала набирать значительный оборот, и рынок консолидировался вокруг Ethernet I/P, Foundation Fieldbus и Profibus PA для приложений автоматизации процессов. Некоторые поставщики создавали новые системы с нуля, чтобы максимизировать функциональность с помощью полевой шины, например Rockwell PlantPAx System, Honeywell с системами SCADA Experion и Plantscape , ABB с системой 800xA, [11] Emerson Process Management [12] с системой управления Emerson Process Management DeltaV. системы Siemens с SPPA-T3000 [13] или Simatic PCS 7, [14] Forbes Marshall [15] с системой управления Microcon+ и Azbil Corporation [16] с системой Harmonas-DEO. Технология Fieldbus использовалась для интеграции машин, приводов, приложений контроля качества и состояния в одну РСУ с системой Valmet DNA. [6]
Однако влияние COTS было наиболее выражено на аппаратном уровне. В течение многих лет основным бизнесом поставщиков РСУ была поставка большого количества аппаратного обеспечения, особенно устройств ввода-вывода и контроллеров. Первоначальное распространение DCS потребовало установки огромного количества этого оборудования, большая часть которого производилась снизу вверх поставщиками DCS. Однако стандартные компьютерные компоненты от таких производителей, как Intel и Motorola, сделали для поставщиков РСУ непомерно дорогостоящими продолжать производство собственных компонентов, рабочих станций и сетевого оборудования.
Когда поставщики перешли на компоненты COTS, они также обнаружили, что рынок оборудования быстро сокращается. COTS не только привел к снижению производственных затрат для поставщика, но и к постоянному снижению цен для конечных пользователей, которые также все чаще высказывались о том, что они считали неоправданно высокими затратами на оборудование. Некоторые поставщики, которые ранее были сильнее в бизнесе ПЛК , такие как Rockwell Automation и Siemens, смогли использовать свой опыт в производстве аппаратного обеспечения управления, чтобы выйти на рынок РСУ с экономически эффективными предложениями, в то время как стабильность/масштабируемость/надежность и функциональность этих новых системы все еще совершенствуются. Традиционные поставщики РСУ представили систему РСУ нового поколения, основанную на новейших стандартах связи и IEC, что привело к тенденции объединения традиционных концепций/функций ПЛК и РСУ в единое решение для всех, получившее название « Система автоматизации процессов » (PAS). . Разрывы между различными системами остаются в таких областях, как: целостность базы данных, предпроектная функциональность, зрелость системы, прозрачность и надежность связи. Хотя ожидается, что соотношение затрат будет относительно одинаковым (чем мощнее системы, тем дороже они будут), в действительности бизнес по автоматизации часто работает стратегически в каждом конкретном случае. Текущий следующий шаг эволюции называется совместными системами автоматизации процессов.
Проблема усугублялась тем, что поставщики также осознавали, что рынок оборудования становится насыщенным. Жизненный цикл аппаратных компонентов, таких как устройства ввода-вывода и проводка, также обычно составляет от 15 до более 20 лет, что затрудняет рынок замены. Многие из старых систем, которые были установлены в 1970-х и 1980-х годах, все еще используются сегодня, и на рынке имеется значительная установленная база систем, срок службы которых приближается к концу. В развитых индустриальных странах Северной Америки, Европы и Японии уже были установлены многие тысячи РСУ, а новых заводов было построено мало, если вообще были построены, рынок нового оборудования быстро смещался в меньшие, хотя и более быстрорастущие регионы, такие как Китай, Латинская Америка. и Восточной Европы.
Из-за сокращения бизнеса в области аппаратного обеспечения поставщики начали трудный переход от бизнес-модели, основанной на аппаратном обеспечении, к модели, основанной на программном обеспечении и услугах с добавленной стоимостью. Этот переход происходит и сегодня. В 90-х годах портфель приложений, предлагаемых поставщиками, значительно расширился и теперь включает такие области, как управление производством, управление на основе моделей, оптимизация в реальном времени, управление активами предприятия (PAM), инструменты управления производительностью в реальном времени (RPM), управление сигналами тревоги , и многие другие. Однако для получения истинной пользы от этих приложений часто требуется значительный объем услуг, которые также предоставляют поставщики.
Последние разработки в области DCS включают следующие новые технологии:
По иронии судьбы, РСУ все чаще становятся централизованными на уровне предприятия с возможностью входа в удаленное оборудование. Это позволяет оператору контролировать как на уровне предприятия (макро), так и на уровне оборудования (микро), как внутри, так и за пределами завода, поскольку важность физического местоположения снижается из-за взаимосвязанности, прежде всего благодаря беспроводному и удаленному доступу.
Чем больше беспроводных протоколов разрабатывается и совершенствуется, тем больше их включается в РСУ. Контроллеры DCS теперь часто оснащены встроенными серверами и обеспечивают доступ к Интернету на ходу. Будет ли DCS возглавить промышленный Интернет вещей (IIOT) или позаимствует ключевые элементы, еще неизвестно.
Многие поставщики предоставляют возможность мобильного HMI, готового как для Android , так и для iOS . Благодаря этим интерфейсам угроза нарушений безопасности и возможного повреждения оборудования и процессов стала вполне реальной.