Распределенная система управления - Distributed control system

А распределенная система управления (DCS) является компьютеризированным система контроля для процесса или завода обычно со многими контуры управления, в котором автономные контроллеры распределены по всей системе, но отсутствует центральный операторский контроль. В этом отличие от систем, в которых используются централизованные контроллеры; либо дискретные контроллеры, расположенные в центральной диспетчерской, либо в центральном компьютере. Концепция DCS повышает надежность и снижает затраты на установку за счет локализации функций управления рядом с технологической установкой с удаленным мониторингом и контролем.

Распределенные системы управления впервые появились в крупных, дорогостоящих, критически важных для безопасности отраслях обрабатывающей промышленности и были привлекательными, поскольку производитель DCS поставлял оборудование как местного уровня управления, так и центральное диспетчерское оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции проекта. Сегодня функционал SCADA и системы DCS очень похожи, но DCS, как правило, используется на крупных предприятиях непрерывного производства, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не является географически удаленной.

Структура

Функциональные уровни операции производственного контроля

Ключевым атрибутом DCS является ее надежность из-за распределения обработки управления по узлам в системе. Это снижает риск отказа одного процессора. Если процессор выходит из строя, это повлияет только на одну часть производственного процесса, в отличие от отказа центрального компьютера, который повлияет на весь процесс. Такое распределение вычислительной мощности, локальное для полевых стоек подключения ввода / вывода (I / O), также обеспечивает быстрое время обработки контроллера за счет устранения возможных задержек в сети и центральной обработке.

Прилагаемая диаграмма представляет собой общую модель, которая показывает функциональные уровни производства с использованием компьютеризированного управления.

Ссылаясь на схему;

Уровень 0 содержит полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры, а также конечные элементы управления, такие как регулирующие клапаны
Уровень 1 содержит промышленные модули ввода / вывода (I / O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры.
Уровень 2 содержит управляющие компьютеры, которые собирают информацию от узлов процессора в системе и предоставляют экраны управления оператором.
Уровень 3 - это уровень контроля производства, который напрямую не контролирует процесс, но занимается мониторингом производства и мониторингом целей.
Уровень 4 - это уровень планирования производства.

Уровни 1 и 2 - это функциональные уровни традиционной DCS, в которой все оборудование является частью интегрированной системы от одного производителя.

Уровни 3 и 4 не являются строго контроль над процессом в традиционном смысле, но там, где имеет место производственный контроль и планирование.

Технические моменты

Пример непрерывного контура управления потоком. Сигнализация осуществляется с помощью стандартных токовых петель 4–20 мА и «умного» позиционер клапана обеспечивает регулирующий вентиль работает правильно.

Узлы процессора и оператор графические дисплеи подключаются через собственные сети или сети промышленного стандарта, а надежность сети повышается за счет прокладки кабелей с двойным резервированием по различным маршрутам. Эта распределенная топология также уменьшает количество полевых кабелей за счет размещения модулей ввода-вывода и связанных с ними процессоров рядом с производственным предприятием.

Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают информацию и решают управляющие действия, о которых должны сигнализировать модули вывода. Полевые входы и выходы могут быть аналоговые сигналы например Токовая петля 4–20 мА постоянного тока или двухпозиционные сигналы, включающие или выключающие, такие как контакты реле или полупроводниковый переключатель.

DCS подключены к датчикам и исполнительным механизмам и используют регулировка уставки для контроля потока материала через установку. Типичное приложение - это ПИД-регулятор подается от расходомера и с использованием регулирующий вентиль как последний элемент управления. DCS отправляет заданное значение, необходимое для процесса, контроллеру, который дает команду клапану работать так, чтобы процесс достиг желаемого заданного значения и оставался на нем. (например, см. схему 4–20 мА).

Крупные нефтеперерабатывающие 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 связанный с ними контроль качества, приводы с регулируемой скоростью и центры управления двигателями, цементные печи, горные работы, переработка руды объекты, и многие другие.

РСУ в приложениях с очень высокой надежностью могут иметь процессоры с двойным резервированием с «горячим» переключением при отказе для повышения надежности системы управления.

Хотя 4–20 мА был основным стандартом полевой сигнализации, современные системы DCS также могут поддерживать fieldbus цифровые протоколы, такие как Foundation Fieldbus, profibus, HART, Modbus, PC Link и т. д., и другие протоколы цифровой связи, такие как Modbus.

Современные DCS также поддерживают нейронные сети и нечеткая логика Приложения. Недавние исследования сфокусированы на синтезе оптимальных распределенных контроллеров, который оптимизирует определенные H-бесконечность или критерий контроля H 2.^[1]^[2]

Типичные области применения

Распределенные системы управления (DCS) - это специализированные системы, используемые в производственных процессах, которые являются непрерывными или ориентированными на партии.

Процессы, в которых может использоваться DCS, включают:

Химические заводы
Нефтехимия (нефть) и нефтеперерабатывающие заводы
Целлюлозно-бумажные комбинаты (смотрите также: система контроля качества QCS )
Управление котлом и электростанция системы
Атомная электростанция
Системы экологического контроля
Управление водными ресурсами системы
Очистка воды растения
Очистка сточных вод растения
Еда и переработка пищевых продуктов
Агрохимический и удобрение
Металл и шахты
Производство автомобилей
Металлургический технологические установки
Фармацевтическая производство
Рафинирование сахара растения
сельское хозяйство Приложения

История

Центральная диспетчерская до эпохи DCS. Хотя средства управления централизованы в одном месте, они по-прежнему дискретны и не интегрированы в одну систему.

Диспетчерская DCS, где информация об установке и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят, так как они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Эволюция операций по управлению технологическим процессом

Управление технологическими процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление будет осуществляться с локальных панелей технологического предприятия. Однако это потребовало значительных людских ресурсов для работы с этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в центральную диспетчерскую с постоянно обслуживаемым персоналом. По сути, это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами более низкого уровня персонала и более легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на завод. Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, так как каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для просмотра различных частей процесса требовалось постоянное движение оператора в диспетчерской.

С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и сообщаться с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Так родилась распределенная система управления.

Внедрение DCS позволило легко соединить и переконфигурировать средства управления производством, такие как каскадные петли и блокировки, а также облегчить взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и, таким образом, локально расположить их на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, и обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и производства уровни.

Происхождение

Рано миникомпьютеры использовались в управлении производственными процессами с начала 1960-х годов. В IBM 1800 Например, это был ранний компьютер, в котором было оборудование ввода / вывода для сбора сигналов процесса на предприятии для преобразования с полевых контактных уровней (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 RW-300 из Рамо-Вулдридж Компания.^[3]

В 1975 году оба Honeywell и японская электротехническая фирма Иокогава представили собственные независимые DCS - системы TDC 2000 и CENTUM соответственно. Базирующаяся в США компания Bristol также представила универсальный контроллер UCS 3000 в 1975 году. В 1978 году. Валмет представили собственную систему DCS под названием Damatic (последнее поколение под названием Valmet DNA^[4]). В 1980 году Бейли (ныне часть ABB^[5]) представила систему NETWORK 90, Fisher Controls (теперь часть Emerson Electric ) представил систему PROVoX, Компания Fischer & Porter (теперь также входит в состав ABB^[6]) представил DCI-4000 (DCI означает Distributed Control Instrumentation).

DCS в значительной степени возникла из-за увеличения доступности микрокомпьютеров и распространения микропроцессоров в мире управления технологическими процессами. Компьютеры уже какое-то время применялись для автоматизации процессов в виде обоих прямое цифровое управление (DDC) и управление уставкой. В начале 1970-х Тейлор Инструментальная Компания (теперь часть ABB) разработала систему 1010, Foxboro - систему FOX1, Fisher Controls - DC.² система и Бейли контролирует 1055 систем. Все это были приложения DDC, реализованные в миникомпьютерах (DEC PDP-11, Машины данных Varian, MODCOMP и т. д.) и подключены к собственному оборудованию ввода / вывода. Таким образом было реализовано сложное (для того времени) как непрерывное, так и пакетное управление. Более консервативным подходом было управление заданными значениями, когда технологические компьютеры контролировали кластеры аналоговых контроллеров процесса. Рабочая станция обеспечивала видимость процесса с помощью текста и грубой символьной графики. До появления полнофункционального графического пользовательского интерфейса было еще далеко.

Разработка

Центральным элементом модели DCS было включение функциональных блоков управления. Функциональные блоки произошли от ранних, более примитивных концепций DDC программного обеспечения с табличным управлением. Один из первых вариантов объектно-ориентированного программного обеспечения. Функциональные блоки были автономными «блоками» кода, которые имитировали аналоговые компоненты управления аппаратным обеспечением и выполняли задачи, которые были важны для управления процессами, такие как выполнение алгоритмов PID. Функциональные блоки продолжают оставаться основным методом управления для поставщиков DCS и поддерживаются такими ключевыми технологиями, как Foundation Fieldbus.^[7] сегодня.

Midac Компания Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную прямую цифровую систему управления в 1982 году. Центральная система запускала 11 микропроцессоров, совместно использующих задачи и общую память, и была подключена к сети последовательной связи, состоящей из распределенных контроллеров, каждый из которых работал с 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 DCS. Внимание было должным образом сосредоточено на сетях, которые обеспечивали важнейшие линии связи, которые для приложений процессов должны были включать 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 преобладали в качестве управляющей LAN.

Сетецентрическая эпоха 1980-х годов

В 1980-х годах пользователи начали рассматривать DCS как нечто большее, чем просто элемент управления процессом. Очень ранний пример Прямое цифровое управление DCS завершил австралийский бизнес Midac в 1981–82 гг. на оборудовании, разработанном R-Tec Australian. Система установлена на Мельбурнский университет использовала сеть последовательной связи, соединяющую здания университетского городка с «передней частью» диспетчерской. Каждый удаленный блок запускал два Z80 микропроцессоры, в то время как внешний интерфейс запускал одиннадцать Z80 в конфигурации параллельной обработки с выгружаемой общей памятью для совместного использования задач и мог выполнять до 20 000 параллельных объектов управления.

Считалось, что если можно будет добиться открытости и распространить большие объемы данных по всему предприятию, можно будет добиться еще большего. Первые попытки повысить открытость DCS привели к принятию преобладающей операционной системы того времени: UNIX. UNIX и сопутствующая с ним сетевая технология TCP-IP были разработаны Министерством обороны США для обеспечения открытости, и именно эту проблему стремились решить обрабатывающие 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 экземпляры технологии управления объектами и глобального доступа к данным. 1980-е годы также стали свидетелями первых ПЛК интегрирована в инфраструктуру DCS. Специалисты по истории предприятия также начали извлекать выгоду из расширенного охвата систем автоматизации. Первым поставщиком DCS, принявшим сетевые технологии UNIX и Ethernet, был Foxboro, который представил серию I / A.^[8] система в 1987 году.

Эпоха 90-х, ориентированная на приложения

Стремление к открытости в 1980-х годах набирало обороты в 1990-х годах с более широким применением коммерческая готовая продукция (COTS) компоненты и ИТ-стандарты. Вероятно, самым большим переходом, предпринятым за это время, стал переход от операционной системы UNIX к среде Windows. В то время как область операционной системы реального времени (ОСРВ ) для управляющих приложений по-прежнему преобладают коммерческие варианты UNIX в реальном времени или проприетарные операционные системы, все, кроме управления в реальном времени, перешло на Windows.

Внедрение Microsoft на уровне настольных компьютеров и серверов привело к развитию таких технологий, как OLE для управления процессами (OPC), который теперь де-факто является отраслевым стандартом подключения. Интернет-технологии также начали оставлять свой след в автоматизации и в мире, при этом большинство человеко-машинных интерфейсов DCS поддерживают подключение к Интернету. 1990-е годы были также известны «войнами полевых шин», когда конкурирующие организации соревновались, чтобы определить, что станет IEC. fieldbus стандарт для цифровой связи с полевыми приборами вместо аналоговой связи 4–20 мА. Первые установки полевой шины произошли в 1990-х годах. К концу десятилетия технология начала набирать обороты, когда 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 полевой шиной, например: Rockwell Система PlantPAx, Honeywell с Experion & Plantscape SCADA системы, ABB с системой 800xA,^[9] Emerson Process Management^[10] с Emerson Process Management DeltaV система контроля, Сименс с SPPA-T3000^[11] или же Simatic PCS 7,^[12] Форбс Маршалл^[13] с системой управления Microcon + и Azbil Corporation^[14] с Гармонас-ДЕО система. Техника полевой шины использовалась для интеграции машины, приводов, качества и контроль состояния приложений к одной РСУ с системой Valmet DNA.^[4]

Однако влияние COTS было наиболее заметно на аппаратном уровне. 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 дорого продолжать производство собственных компонентов, рабочих станций и сетевого оборудования.

Когда поставщики перешли на компоненты COTS, они также обнаружили, что рынок оборудования быстро сокращается. COTS привел не только к снижению производственных затрат для поставщика, но и к неуклонному снижению цен для конечных пользователей, которые также все чаще высказывались по поводу того, что они считали чрезмерно высокими затратами на оборудование. Некоторые поставщики, которые ранее были сильнее в ПЛК Компании, такие как Rockwell Automation и Siemens, смогли использовать свой опыт в области оборудования для управления производством, чтобы выйти на рынок DCS с рентабельными предложениями, в то время как стабильность / масштабируемость / надежность и функциональность этих новых систем все еще улучшаются. Традиционные поставщики DCS представили систему DCS нового поколения, основанную на последних стандартах связи и IEC, что привело к тенденции объединения традиционных концепций / функций для PLC и DCS в единое для всех решение под названием "Система автоматизации процессов "(PAS). Пробелы между различными системами сохраняются в таких областях, как целостность базы данных, функциональность перед проектированием, зрелость системы, прозрачность и надежность связи. Хотя ожидается, что соотношение затрат будет относительно таким же (более мощный чем выше стоимость систем, тем дороже они будут), в реальности бизнес автоматизации часто зависит от стратегии. Текущий следующий этап эволюции называется Системы совместной автоматизации процессов.

Проблема усугублялась тем, что поставщики также понимали, что рынок оборудования становится насыщенным. Жизненный цикл аппаратных компонентов, таких как ввод / вывод и проводка, также обычно составляет от 15 до более 20 лет, что создает проблемы на рынке 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 было установлено много тысяч DCS, и при небольшом количестве построенных новых заводов рынок нового оборудования быстро перемещался в более мелкие, хотя и быстрорастущие регионы, такие как Китай, Латинская Америка. , и Восточная Европа.

Из-за сокращающегося бизнеса по производству оборудования поставщики начали непростой переход от бизнес-модели, основанной на оборудовании, к модели, основанной на программном обеспечении и дополнительных услугах. Это переход, который происходит и сегодня. Портфель приложений, предлагаемый поставщиками, значительно расширился в 90-х годах и включил 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 сигнализацией, и много других. Однако для получения истинной ценности от этих приложений часто требуется значительный объем услуг, который также предоставляют поставщики.

Современные системы (с 2010 г.)

Последние разработки в DCS включают следующие новые технологии:

Беспроводной системы и протоколы ^[15]
Удаленная передача, журнал регистрации и архив данных
Мобильные интерфейсы и элементы управления
Встроенные веб-серверы

По иронии судьбы, DCS становится все более централизованной 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 предприятия, поскольку важность физического местоположения падает из-за взаимосвязанности, прежде всего благодаря беспроводному и удаленному доступу.

Чем больше беспроводных протоколов разрабатывается и совершенствуется, тем больше они включаются в DCS. Контроллеры DCS теперь часто оснащены встроенными серверами и обеспечивают оперативный доступ в Интернет. Будет ли DCS возглавить промышленный Интернет вещей (IIOT) или заимствовать ключевые элементы, еще неизвестно.

Многие поставщики предоставляют возможность мобильного HMI, готового к обоим Android и iOS. С помощью этих интерфейсов угроза нарушения безопасности и возможного повреждения оборудования и процессов теперь очень реальна.