Войти
A распределенная система управления (DCS ) представляет собой компьютеризированную систему управления для процесса или завода, обычно с множеством контуров управления, в которой 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 технологических процессах и были привлекательными, поскольку производитель DCS поставлял как локальный уровень управления, так и центральное контрольное оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции проекта. Сегодня функции SCADA и систем DCS очень похожи, но DCS обычно используется на крупных заводах непрерывного действия, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не является удаленной географически.
Функциональные уровни операция управления производством Ключевым атрибутом DCS является ее надежность благодаря распределению 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;
Уровни 1 и 2 - это функциональные уровни традиционной DCS, в которую входит все оборудование интегрированной системы от одного производителя.
Уровни 3 и 4 не являются строго управлением процессами в традиционном смысле, но там, где имеет место производственный контроль и планирование.
Пример непрерывного контура управления потоком. Сигнализация осуществляется с помощью стандартных токовых контуров 4–20 мА, а «интеллектуальный» позиционер клапана обеспечивает правильную работу регулирующего клапана. Узлы процессора и оператор графический дисплеи подключаются к собственным сетям или сетям промышленного стандарта, 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 производственным предприятием.
Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают информацию и принимают решение о действиях управления, о которых должны сигнализировать модули вывода. Полевые входы и выходы могут быть аналоговыми сигналами, например. Токовая петля постоянного тока 4–20 мА или двухпозиционные сигналы, которые включают или выключают, например контакты реле или полупроводниковый переключатель.
РСУ подключены к датчикам и исполнительным механизмам и используют контроль уставки для управления потоком материала через установку. Типичное применение - ПИД-регулятор, питаемый от расходомера и использующий регулирующий клапан в качестве конечного элемента 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 связанные с ними средства контроля 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 процессоры с двойным резервированием с «горячим» переключением при неисправности для повышения надежности системы управления.
Хотя 4–20 мА был основным стандартом полевой сигнализации, современные системы DCS могут также поддерживать цифровые протоколы fieldbus, такие как Foundation Fieldbus, profibus, HART, Modbus, PC Link и т. Д.., и другие протоколы цифровой связи, такие как modbus.
. Современные РСУ также поддерживают приложения нейронные сети и нечеткой логики. Недавние исследования сосредоточены на синтезе оптимальных распределенных контроллеров, который оптимизирует определенный H-бесконечность или критерий управления H 2.
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:
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 и средства управления отображаются на компьютерных графических экранах. Операторы сидят, поскольку они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, в то время как Reta в обзоре предприятия. Управление процессами крупных промышленных предприятий 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, поскольку 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 легкое 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.
Ранние миникомпьютеры использовались для управления производственными процессами с начала 1960-х годов. IBM 1800, например, был одним из первых компьютеров, имевших 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 использованием RW-300 компании Ramo-Wooldridge.
В 1975 году и Honeywell, 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 собственную систему DCS под названием Damatic (последнее поколение под названием Valmet DNA). В 1980 году Bailey (теперь часть ABB) представила систему NETWORK 90, Fisher Controls (теперь часть Emerson Electric ) представила систему PROVoX (теперь также часть ABB) представила DCI-4000 (стойки DCI для КИПиА).
DCS во многом возникла из-за возросшей доступности микрокомпьютеров и распространения микропроцессоров в мире управления технологическими процессами. В течение некоторого времени компьютеры уже применялись для автоматизации процессов в форме как прямого цифрового управления (DDC), так и управления уставками. В начале 1970-х (теперь часть ABB) разработала систему 1010, Foxboro - систему FOX1, Fisher Controls - систему постоянного тока и систему 1055. Все это были приложения DDC, реализованные в миникомпьютерах (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP и т. Д.) И подключенные к запатентованное оборудование ввода / вывода. Таким образом было реализовано сложное (для того времени) как непрерывное, так и пакетное управление. Более консервативным подходом было управление заданными значениями, при котором компьютеры процесса 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.
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 преобладающим методом контроля для поставщиков DCS и сегодня поддерживаются ключевыми технологиями, такими как Foundation Fieldbus.
Midac Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную систему прямого цифрового управления в 1982 году. Центральная система выполняла 11 микропроцессоров, совместно использующих задачи и общую память и подключенных к сети последовательной связи из распределенных контроллеров, каждый из которых работал. два Z80. Система была установлена в Мельбурнском университете.
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 на автоматизацию процессов и IEEE 802.3, а не IEEE 802.4, преобладал в качестве управляющей LAN.
В 1980-х пользователи начали рассматривать DCS как нечто большее, чем просто элементарный контроль процесса. Самый ранний пример Direct Digital Control DCS был создан австралийским предприятием Midac в 1981–82 годах с использованием оборудования, разработанного R-Tec в Австралии. В системе, установленной в Мельбурнском университете, использовалась сеть последовательной связи, соединяющая здания университетского городка с «передней частью» диспетчерской. На каждом удаленном устройстве было два микропроцессора Z80, а на внешнем интерфейсе было запущено одиннадцать Z80 в конфигурации параллельной обработки с выгружаемой общей памятью для совместного использования задач и которая могла одновременно запускать до 20000 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. В 1980-е годы также были созданы первые ПЛК, интегрированные 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, была компания Foxboro, которая представила систему I / A Series в 1987 году.
Стремление к открытости в 1980-е годы набирали обороты, а в 1990-е годы все более активно применялись готовые коммерческие компоненты (COTS) и ИТ-стандарты. Вероятно, самым большим переходом, предпринятым за это время, стал переход от операционной системы UNIX к среде Windows. В то время как в области операционной системы реального времени (RTOS ) для управляющих приложений по-прежнему доминируют коммерческие варианты UNIX в реальном времени или проприетарные операционные системы, все, кроме управления в реальном времени, перешло на Windows.
Появление Microsoft на уровне настольных компьютеров и серверов привело к развитию таких технологий, как OLE для управления процессами (OPC), которые теперь де-факто являются отраслевым стандартом связи. Интернет-технологии также начали вносить свой вклад в автоматизацию и мир, при этом большая часть HMI DCS поддерживает подключение к Интернету. 1990-е годы были также известны «войнами полевых шин», когда конкурирующие организации соревновались за определение того, что станет стандартом IEC fieldbus для цифровой связи с полевыми приборами вместо аналоговой связи 4–20 миллиампер. 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 помощью полевой шины, например Rockwell PlantPAx System, Honeywell with Plantscape SCADA systems, ABB с системой 800xA, Emerson Process Management с системой управления Emerson Process Management, Siemens с SPPA-T3000 или Forbes Marshall с системой управления Microcon + и системой. Техника полевой шины использовалась для интеграции приложений мониторинга машин, приводов, качества и состояния в одну РСУ с системой Valmet DNA.
Однако влияние COTS было наиболее заметным 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 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 не только привел 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 бизнесе PLC, такие как Rockwell Automation и Siemens, смогли использовать свой опыт в области производства управляющего оборудования, 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 остаются в таких областях, как целостность базы данных, предварительная функциональность, зрелость системы, прозрачность и надежность связи. Хотя ожидается, что соотношение затрат будет относительно одинаковым (чем мощнее системы, тем дороже они будут), в реальности бизнес автоматизации часто работает стратегически в каждом конкретном случае. Текущий следующий этап эволюции называется.
Чтобы усугубить проблему, 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 в связи с тем, что строилось несколько новых заводов, рынок нового оборудования быстро перемещался в более мелкие, хотя и быстрорастущие регионы, такие как Китай, Латинская Америка., и Восточная Европа.
Из-за сокращения бизнеса в области аппаратного обеспечения поставщики начали делать сложный 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-е годы 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 тревогой и многие другие. Однако для получения истинной ценности от этих приложений часто требуется значительный объем услуг, который также предоставляют поставщики.
Последние разработки DCS включают следующие новые технологии:
Все чаще и по иронии судьбы DCS 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 предприятия, поскольку важность физического местоположения падает из-за взаимосвязанности, прежде всего благодаря беспроводному и удаленному доступу.
Чем больше разрабатывается и совершенствуется беспроводных протоколов, 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 как для Android, так и iOS. Благодаря этим интерфейсам угроза нарушения безопасности и возможного повреждения оборудования и технологического процесса теперь очень реальна.
