Распределенная система управления ( РСУ ) — это компьютеризированная система управления для процесса или завода, обычно с множеством контуров управления , в которой автономные контроллеры распределены по всей системе, но нет центрального диспетчерского управления. Это отличается от систем, использующих централизованные контроллеры; либо дискретные контроллеры, расположенные в центральной диспетчерской, либо в центральном компьютере. Концепция РСУ повышает надежность и снижает затраты на установку за счет локализации функций управления вблизи технологического завода с удаленным мониторингом и контролем.
Распределенные системы управления впервые появились в крупных, дорогостоящих, критически важных для безопасности отраслях промышленности и были привлекательны, поскольку производитель DCS поставлял как локальное управление, так и центральное контрольное оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции проекта. Сегодня функциональность систем контроля и сбора данных (SCADA) и DCS очень похожа, но DCS, как правило, используется на крупных непрерывных технологических установках, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не находится географически далеко. Многие системы управления машинами демонстрируют схожие свойства с системами управления установками и процессами. [1]
Ключевым атрибутом DCS является ее надежность из-за распределения обработки управления по узлам в системе. Это смягчает отказ одного процессора. Если процессор выходит из строя, это повлияет только на одну часть процесса завода, в отличие от отказа центрального компьютера, который повлияет на весь процесс. Такое распределение вычислительной мощности локально по отношению к стойкам подключения ввода-вывода (I/O) поля также обеспечивает быстрое время обработки контроллера, устраняя возможные задержки в сети и центральной обработке.
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 не являются строго управлением процессами в традиционном смысле, но на них происходит управление производством и планирование.
Процессорные узлы и графические дисплеи оператора подключаются через фирменные или стандартные промышленные сети, а надежность сети повышается за счет двойной избыточности кабелей по разным маршрутам. Эта распределенная топология также сокращает объем полевых кабелей за счет размещения модулей ввода-вывода и связанных с ними процессоров вблизи технологического завода.
Процессоры получают информацию от входных модулей, обрабатывают ее и решают, какие управляющие действия должны быть переданы выходными модулями. Полевые входы и выходы могут быть аналоговыми сигналами, например, 4–20 мА постоянного тока , или двухпозиционными сигналами, которые переключаются либо «вкл.», либо «выкл.», например, релейные контакты или полупроводниковый переключатель.
DCS подключаются к датчикам и приводам и используют управление уставкой для управления потоком материала через установку. Типичное применение — ПИД-регулятор, питаемый расходомером и использующий регулирующий клапан в качестве конечного элемента управления. DCS отправляет требуемую процессом уставку на контроллер, который дает команду клапану работать так, чтобы процесс достигал и оставался на желаемой уставке. (см. схему 4–20 мА, например).
Крупные нефтеперерабатывающие заводы и химические заводы имеют несколько тысяч точек ввода/вывода и используют очень большие DCS. Однако процессы не ограничиваются потоком жидкости по трубам и могут также включать такие вещи, как бумагоделательные машины и связанные с ними средства контроля качества, приводы с переменной скоростью и центры управления двигателями , цементные печи , горнодобывающие операции , предприятия по переработке руды и многое другое .
В системах DCS с очень высокой степенью надежности могут использоваться двойные резервные процессоры с «горячим» переключением при возникновении неисправности для повышения надежности системы управления.
Хотя основным стандартом полевой сигнализации является ток 4–20 мА, современные системы DCS также могут поддерживать цифровые протоколы полевых шин , такие как Foundation Fieldbus, Profibus, HART, Modbus , PC Link и т. д.
Современные DCS также поддерживают нейронные сети и приложения нечеткой логики . Недавние исследования фокусируются на синтезе оптимальных распределенных контроллеров, которые оптимизируют определенную H-бесконечность или критерий управления H 2. [2] [3]
Распределенные системы управления (РСУ) — это специализированные системы, используемые в непрерывных или периодических производственных процессах.
Процессы, в которых может использоваться DCS, включают:
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много стадий. Первоначально управление осуществлялось с панелей, расположенных на технологическом предприятии. Однако это требовало большого количества человеческого контроля для обслуживания этих разбросанных панелей, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех измерений завода в постоянно укомплектованный центральный пункт управления. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами в виде меньшей численности персонала и более легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями пункта управления, и все автоматические и ручные выходные сигналы управления передавались обратно на предприятие. Однако, обеспечивая центральный фокус управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для просмотра различных частей процесса требовалось постоянное перемещение оператора в пределах пункта управления.
С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры на компьютерные алгоритмы, размещенные в сети стоек ввода/вывода с их собственными процессорами управления. Они могли быть распределены по всему заводу и взаимодействовать с графическим дисплеем в диспетчерской или диспетчерских. Так родилась распределенная система управления.
Внедрение DCS позволило легко соединять и перенастраивать элементы управления заводом, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило реализовать сложную обработку сигналов тревоги, внедрило 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 количество проложенных кабелей, и обеспечило обзоры высокого уровня состояния завода и уровней производства.
Ранние мини-компьютеры использовались для управления промышленными процессами с начала 1960-х годов. Например, IBM 1800 был одним из первых компьютеров, имевших аппаратные средства ввода/вывода для сбора сигналов процесса на предприятии для преобразования из уровней полевых контактов (для цифровых точек) и аналоговых сигналов в цифровую область.
Первая промышленная компьютерная система управления была создана в 1959 году на нефтеперерабатывающем заводе Texaco в Порт-Артуре, штат Техас, с использованием RW-300 компании Ramo-Wooldridge . [4]
В 1975 году Yamatake-Honeywell [5] и японская электротехническая фирма Yokogawa представили свои собственные независимо произведенные DCS - системы TDC 2000 и CENTUM соответственно. Базирующаяся в США 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 называлось Valmet DNA [6] ). В 1980 году Bailey (теперь 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 Distributed Control Instrumentation).
DCS в значительной степени возникла из-за возросшей доступности микрокомпьютеров и распространения микропроцессоров в мире управления процессами. Компьютеры уже некоторое время применялись для автоматизации процессов в форме как прямого цифрового управления (DDC), так и управления уставками. В начале 1970-х годов Taylor Instrument Company (теперь часть ABB) разработала систему 1010, Foxboro — систему FOX1, Fisher Controls — систему DC 2 и Bailey Controls — системы 1055. Все это были приложения DDC, реализованные в мини-компьютерах ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP и т. д.) и подключенные к фирменному оборудованию ввода/вывода. Таким образом было реализовано сложное (на то время) непрерывное, а также пакетное управление. Более консервативным подходом было управление уставками, где технологические компьютеры контролировали кластеры аналоговых контроллеров процессов. Рабочая станция обеспечивала видимость процесса с помощью текста и грубой символьной графики. До появления полнофункционального графического пользовательского интерфейса было еще далеко.
Центральным элементом модели DCS было включение блоков функций управления. Функциональные блоки развились из ранних, более примитивных концепций DDC программного обеспечения «Table Driven». Одно из первых воплощений объектно-ориентированного программного обеспечения, функциональные блоки были автономными «блоками» кода, которые эмулировали аналоговые компоненты управления оборудованием и выполняли задачи, которые были необходимы для управления процессом, такие как выполнение алгоритмов ПИД. Функциональные блоки продолжают оставаться преобладающим методом управления для поставщиков DCS и поддерживаются ключевыми технологиями, такими как Foundation Fieldbus [9] сегодня.
Midac Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную систему прямого цифрового управления в 1982 году. Центральная система управляла 11 микропроцессорами, разделяющими задачи и общую память, и подключалась к последовательной коммуникационной сети распределенных контроллеров, каждый из которых управлял двумя Z80. Система была установлена в Университете Мельбурна. [ необходима цитата ]
Цифровая связь между распределенными контроллерами, рабочими станциями и другими вычислительными элементами (одноранговый доступ) была одним из основных преимуществ DCS. Внимание было должным образом сосредоточено на сетях, которые обеспечивали важнейшие линии связи, которые для приложений процесса 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, необходимых, когда информационные технологии перешли в автоматизацию процессов, и IEEE 802.3, а не IEEE 802.4, стал преобладать в качестве управляющей локальной сети.
В 1980-х годах пользователи начали рассматривать DCS как нечто большее, чем просто базовое управление процессами. Самый ранний пример DCS с прямым цифровым управлением был завершен австралийской компанией Midac в 1981–82 годах с использованием оборудования, разработанного австралийской компанией R-Tec. Система, установленная в Мельбурнском университете, использовала последовательную коммуникационную сеть, соединяющую здания кампуса с «передним концом» диспетчерской. Каждое удаленное устройство работало на двух микропроцессорах Z80 , в то время как передний конец работал на одиннадцати Z80 в конфигурации параллельной обработки с общей памятью для совместного использования задач, которая могла одновременно работать с 20 000 объектов управления.
Считалось, что если можно достичь открытости и больше данных можно будет передавать по всему предприятию, то можно будет достичь еще больших результатов. Первые попытки увеличить открытость DCS привели к принятию преобладающей операционной системы того времени: UNIX . UNIX и сопутствующая ему сетевая технология TCP-IP были разработаны Министерством обороны США для открытости, что было именно той проблемой, которую пытались решить перерабатывающие отрасли.
В результате поставщики также начали внедрять сети на базе Ethernet с собственными фирменными уровнями протоколов. Полный стандарт TCP/IP не был реализован, но использование Ethernet позволило реализовать первые примеры управления объектами и технологии глобального доступа к данным. В 1980-х годах также появились первые ПЛК, интегрированные в инфраструктуру DCS. Также появились историки на уровне завода, которые извлекли выгоду из расширенного охвата систем автоматизации. Первым поставщиком DCS, внедрившим сетевые технологии UNIX и Ethernet, была компания Foxboro, которая представила систему I/A Series [10] в 1987 году.
Стремление к открытости в 1980-х годах набирало обороты в 1990-х годах с ростом принятия коммерческих готовых (COTS) компонентов и ИТ-стандартов. Вероятно, самым большим переходом, предпринятым в это время, был переход от операционной системы UNIX к среде Windows. В то время как сфера операционной системы реального времени ( RTOS ) для приложений управления по-прежнему доминирует в коммерческих вариантах UNIX реального времени или в проприетарных операционных системах, все, что выше управления в реальном времени, перешло в Windows.
Внедрение Microsoft на уровнях настольных компьютеров и серверов привело к разработке таких технологий, как OLE для управления процессами (OPC) , который в настоящее время является фактическим стандартом отраслевого подключения. Интернет-технологии также начали оставлять свой след в автоматизации и мире, при этом большинство DCS HMI поддерживали подключение к Интернету. 1990-е годы также были известны «войнами полевых шин», где конкурирующие организации соревновались за определение того, что станет стандартом IEC fieldbus для цифровой связи с полевыми приборами вместо аналоговых коммуникаций 4–20 миллиампер. Первые установки полевых шин произошли в 1990-х годах. К концу десятилетия технология начала набирать значительный импульс, и рынок консолидировался вокруг Ethernet I/P, Foundation Fieldbus и Profibus PA для приложений автоматизации процессов. Некоторые поставщики построили новые системы с нуля, чтобы максимизировать функциональность с помощью полевой шины, например, Rockwell PlantPAx System, Honeywell с системами Experion и Plantscape SCADA , ABB с системой 800xA, [11] Emerson Process Management [12] с системой управления Emerson Process Management DeltaV, 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. Технологии полевой шины использовались для интеграции машин, приводов, приложений мониторинга качества и состояния в одну DCS с системой Valmet DNA. [6]
Однако влияние COTS было наиболее выражено на уровне оборудования. В течение многих лет основным бизнесом поставщиков DCS была поставка большого количества оборудования, в частности, 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 DCS непомерно дорогим продолжение производства собственных компонентов, рабочих станций и сетевого оборудования.
По мере того, как поставщики переходили на компоненты COTS, они также обнаружили, что рынок оборудования быстро сокращается. COTS не только привел к снижению производственных затрат для поставщика, но и к неуклонному 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 PLC , такие как Rockwell Automation и Siemens, смогли использовать свой опыт в производстве оборудования для управления, чтобы выйти на рынок DCS с экономически эффективными предложениями, в то время как стабильность/масштабируемость/надежность и функциональность этих новых систем все еще улучшаются. Традиционные поставщики DCS представили новое поколение DCS-систем, основанное на последних стандартах связи и IEC, что привело к тенденции объединения традиционных концепций/функций для PLC и DCS в единое решение под названием « Система автоматизации процессов » (PAS). Разрывы между различными системами сохраняются в таких областях, как: целостность базы данных, функциональность предварительной разработки, зрелость системы, прозрачность и надежность связи. Хотя ожидается, что соотношение затрат будет относительно одинаковым (чем мощнее системы, тем они будут дороже), реальность бизнеса автоматизации часто заключается в том, что он работает стратегически в каждом конкретном случае. Текущий следующий шаг эволюции называется Collaborative Process Automation Systems.
Чтобы усугубить проблему, поставщики также осознали, что рынок оборудования становится насыщенным. Жизненный цикл компонентов оборудования, таких как ввод-вывод и проводка, также обычно составляет от 15 до более 20 лет, что делает рынок замены сложным. 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, которые приближаются к концу своего срока службы. Развитые промышленные экономики в Северной Америке, Европе и Японии уже установили многие тысячи DCS, и с небольшим количеством новых заводов, если таковые вообще строились, рынок нового оборудования быстро смещался в более мелкие, хотя и быстрорастущие регионы, такие как Китай, Латинская Америка и Восточная Европа.
Из-за сокращения бизнеса оборудования поставщики начали совершать сложный переход от аппаратной бизнес-модели к модели, основанной на программном обеспечении и услугах с добавленной стоимостью. Этот переход все еще происходит сегодня. Портфель приложений, предлагаемых поставщиками, значительно расширился в 90-х годах, включив такие области, как управление производством, управление на основе моделей, оптимизация в реальном времени, управление активами завода (PAM), инструменты управления производительностью в реальном времени (RPM), управление сигнализацией и многие другие. Однако для получения истинной ценности от этих приложений часто требуется значительный объем услуг, который также предоставляют поставщики.
Последние разработки в области DCS включают следующие новые технологии:
Все чаще и по иронии судьбы, DCS становятся централизованными на уровне завода, 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 падает из-за взаимосвязанности, в первую очередь благодаря беспроводному и удаленному доступу.
Чем больше разрабатываются и совершенствуются беспроводные протоколы, тем больше их включают в DCS. Контроллеры DCS теперь часто оснащаются встроенными серверами и обеспечивают доступ к веб-сайтам на ходу. Станет ли DCS лидером промышленного Интернета вещей (IIOT) или позаимствует ключевые элементы, пока неизвестно.
Многие поставщики предоставляют возможность использования мобильного HMI, готового как для Android , так и для iOS . С этими интерфейсами угроза нарушения безопасности и возможного ущерба для завода и процесса теперь становится вполне реальной.