Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Часть серии статей о
Машиностроение
Мельница
Методы изготовления
Промышленные технологии
Информация и коммуникация
Контроль над процессом

Распределенная система управления ( DCS ) представляет собой компьютеризированную систему управления для процесса или растений обычно с большим количеством контуров управления , в которой автономные контроллеры распределены по всей системе, но нет диспетчерского управления центрального оператора. Это контрастирует с системами, 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, критических с точки зрения безопасности перерабатывающих отраслях и были привлекательными, поскольку производитель DCS поставлял как локальный уровень управления, так и центральное диспетчерское оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции проекта. Сегодня функциональность систем SCADA и DCS очень схожа, но DCS, как правило, используется на крупных предприятиях непрерывного производства, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не является географически удаленной.

Структура [ править ]

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 быструю обработку контроллера за счет устранения возможных задержек сетевой и центральной обработки.

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 с процессорных узлов системы и предоставляют экраны управления оператором.
  • Уровень 3 - это уровень управления производством, который не контролирует напрямую 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 контролем процесса в традиционном понимании, но там, где имеет место производственный контроль и планирование.

Технические моменты [ править ]

Пример непрерывного контура управления потоком. Сигнализация осуществляется с помощью стандартных токовых петель 4–20 мА, а «интеллектуальный» позиционер клапана обеспечивает правильную работу регулирующего клапана .

Узлы процессоров и графические дисплеи оператора 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 аналоговыми сигналами, например, токовой петлей 4–20 мА постоянного тока, или сигналами с двумя состояниями, которые включают или выключить, например, контакты реле или полупроводниковый переключатель.

РСУ подключены к датчикам и исполнительным механизмам и используют управление заданными значениями 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 текучей среды 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 отказе 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., А также другие протоколы цифровой связи, такие как Modbus .

Современные DCS также поддерживают нейронные сети и приложения с нечеткой логикой . Недавние исследования сосредоточены на синтезе оптимальных распределенных контроллеров, который оптимизирует определенную H-бесконечность или критерий управления H 2. [1] [2]

Типовые приложения [ править ]

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 (см. Также: система контроля качества QCS )
  • Системы управления котлами и электростанциями
  • Атомные электростанции
  • Системы экологического контроля
  • Водохозяйственные системы
  • Водоочистные сооружения
  • Очистные сооружения
  • Пищевая и пищевая промышленность
  • Агрохимия и удобрения
  • Металл и шахты
  • Производство автомобилей
  • Металлургические заводы
  • Фармацевтическое производство
  • Заводы по переработке сахара
  • Приложения для сельского хозяйства

История [ править ]

Центральная диспетчерская до эпохи DCS. Хотя элементы 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 [ править ]

Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление будет осуществляться с локальных панелей технологического предприятия. Однако для этого требовались большие людские ресурсы для работы с этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в центральную диспетчерскую, где постоянно находился персонал. Фактически 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 требовалось постоянное перемещение оператора в диспетчерской для просмотра различных частей процесса.

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.

Истоки [ править ]

Ранние миникомпьютеры использовались для управления производственными процессами с начала 1960-х годов. IBM 1800 , к примеру, был ранний компьютером , который имел ввод / вывод аппаратных средств для сбора сигналов процесса в установке для преобразования из уровней поля контакта (для цифровых точек) и аналоговых сигналов в цифровую области.

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 . [3]

В 1975 году и Honeywell, и японская электротехническая фирма Yokogawa представили свои собственные независимо производимые 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 [4] ). В 1980 году Bailey (теперь часть ABB [5] ) представила систему NETWORK 90, Fisher Controls (теперь часть Emerson Electric ) представила систему PROVoX, Fischer & Porter Company (теперь также часть ABB [6] ) представила DCI- 4000 (DCI расшифровывается как Distributed Control Instrumentation).

DCS во многом возникла из-за увеличения 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 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 и Bailey Controls - систему 1055. Все это были приложения DDC, реализованные в миникомпьютерах ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMPи 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.

Развитие [ править ]

Центральным элементом модели DCS было включение функциональных блоков управления. Функциональные блоки произошли от ранних, более примитивных концепций DDC программного обеспечения с табличным управлением. В одном из первых вариантов объектно-ориентированного программного обеспечения функциональные блоки представляли собой автономные «блоки» 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 [7] .

Midac Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную прямую цифровую систему управления в 1982 году. Центральная система выполняла 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. [ 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 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, преобладал в качестве управляющей LAN.

Сетецентрическая эра 1980-х [ править ]

В 1980-х годах пользователи начали рассматривать DCS как нечто большее, чем просто элемент управления технологическим процессом. Самый ранний пример DCS с прямым цифровым управлением был создан австралийской компанией 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 использовалось два микропроцессора Z80 , а на внешнем интерфейсе работало одиннадцать Z80 в конфигурации параллельной обработки с выгружаемой общей памятью для совместного использования задач и которая могла одновременно запускать до 20 000 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 ему 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 [8] в 1987 году.

Эпоха 90-х, ориентированная на приложения [ править ]

Стремление к открытости в 1980-х годах набирало силу в 1990-х годах с более широким внедрением коммерческих готовых компонентов (COTS) и ИТ-стандартов. Вероятно, самым крупным 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 или проприетарные операционные системы в реальном времени, все, что выше 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) , 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 полевой шиной IEC.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 помощью fieldbus, например, Rockwell PlantPAx System, Honeywell с системами Experion и Plantscape SCADA , ABB с системой 800xA, [9] Emerson Process Management [10] с Emerson Process Management. Система управления DeltaV , Siemens с SPPA-T3000 [11] или Simatic PCS 7 , [12] Forbes Marshall [13] с системой управления Microcon + и Azbil Corporation [14] с системой Harmonas-DEO . Техника полевой шины использовалась для интеграции приложений мониторинга машин, приводов, качества и состояния в одну 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 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 дорогостоящим 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 PLCКомпании, 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 остаются в таких областях, как: целостность базы данных, функциональность до проектирования, 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 работает стратегически в каждом конкретном случае.На данный момент следующий этап эволюции называется совместными системами 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 все еще происходит 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 аварийными сигналами и т. Д. 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.) [ править ]

Последние разработки DCS включают следующие новые технологии:

  1. Беспроводные системы и протоколы [15]
  2. Удаленная передача , регистрация и архивирование данных
  3. Мобильные интерфейсы и элементы управления
  4. Встроенные веб-серверы

По иронии судьбы, DCS становится все более централизованной на уровне предприятия с возможностью входа в удаленное оборудование. Это позволяет оператору управлять 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 разработано и усовершенствовано, тем больше они будут включены в DCS. Контроллеры DCS теперь часто оснащены встроенными серверами и обеспечивают оперативный доступ в Интернет. Будет ли DCS возглавить промышленный Интернет вещей (IIOT) или позаимствовать у него ключевые элементы, еще неизвестно.

Многие поставщики предоставляют возможность мобильного HMI, готового как для Android, так и для iOS . С помощью этих интерфейсов угроза нарушения безопасности и возможного повреждения оборудования и технологического процесса теперь очень реальна.

См. Также [ править ]

  • Панель сигнализатора
  • Автоматизация зданий
  • EPICS
  • Первая тревога
  • Система производственного контроля
  • Система промышленной безопасности
  • Автоматизированная система безопасности (SIS)
  • ТАНГО

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Д'Андреа, Рафаэлло (9 сентября 2003 г.). «Распределенный дизайн управления для пространственно связанных систем». IEEE Transactions по автоматическому контролю . 48 (9): 1478–1495. CiteSeerX  10.1.1.100.6721 . DOI : 10,1109 / tac.2003.816954 .
  2. ^ Massiaoni, Паоло (1 января 2009). «Распределенное управление идентичными динамически связанными системами: декомпозиционный подход» . IEEE Transactions по автоматическому контролю . 54 : 124–135. DOI : 10,1109 / tac.2008.2009574 . S2CID 14384506 . 
  3. ^ Стаут, TM; Уильямс, TJ (1995). «Новаторские работы в области компьютерного управления процессами». IEEE Annals of the History of Computing . 17 (1): 6–18. DOI : 10.1109 / 85.366507 .
  4. ^ a b [1] Valmet ДНК
  5. ^ [2] INFI 90
  6. ^ [3] DCI-4000
  7. ^ [4] Foundation Fieldbus
  8. ^ [5] Распределенная система управления Foxboro I / A Series
  9. ^ «ABB System 800xA - процесс, электрика, безопасность, телекоммуникации в одной системе» . www.abb.com .
  10. ^ [6] Emerson Process Management
  11. ^ [7] SPPA-T3000
  12. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2007-03-29 . Проверено 29 марта 2007 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ) Simatic PCS 7
  13. ^ [8] Форбс Маршалл
  14. ^ [9] Корпорация Азбил
  15. ^ Ф. Фукалас и П. Поп, « Распределенная плоскость управления для безопасных совместных транспортных киберфизических систем ». Киберфизические системы ИЭПП: теория и приложения, октябрь 2019 г.).