Wykład wprowadza do podstawowych definicji związanych z Systemami Sterowania Rozproszonego (DCS Distributed Process Control) a zwłaszcza zwraca uwagę na dwa podstawowe nurty rozwoju sprzetu automatyki (systemów) związanych z aplikacjami dla przemysłu ciągłego (i systemy DCS) oraz dyskretnego (systemy oparte na PLC Programable Logic Controllers Sterowniki Swobodnie Programowalne, łączone następnie poprzez systemy SCADA Sypervisory Control and Data Acquisition Systemy Zbierania Danych i Sterowania Nadrzędnego). Obecnie z uwagi na postęp w technologii komputerowej jesteśmy świadkami konwergencji (upodabniania się) tych dwu linii produktowych. 1
W praktyce przemysłowej zwyczajowo dzieli się procesy (z uwagi na sposób ich sterowania) na tzw. dyskretne (discrete) i ciągłe (process, continuous). Procesy dyskretne (wytwarzanie dyskretne) to zwykle związane z produkcją, liniami technologicznym, i procesami quasi statycznymi czyli takimi które można łatwo zatrzymać i uruchomić ponownie bez strat. To także tego typu wytwarzanie, które daje się podzielić na szereg podukładów (np.. linii technologicznych) sterowanych indywidualnie wobec czego nie jest krytyczne dla sterowania całością procesu przesyłanie wszystkich danych do jednej lokalizacji. W procesach ciągłych mamy do czynienia z przeciwieństwem tych wszystkich cech. 2
Procesy dyskretne są procesami o przewadze pomiarów binarnych (dwustanowych), z dużym udziałem sekwencji (procedur uruchamiania i przełączania), zwykle procesy nie krytyczne takie które można zatrzymać i nie nastąpi awaria (lub co najmniej straty w materiale lub w konieczności (koszcie) ponownego uruchamiania). Przykładami tego typu procesów są (aczkolwiek należy pamiętać że żadna klasyfikacja nie jest stosowalna do wszystkich przypadków szczegółowych) proces samochodowy, wszelkiego typu maszynowy (wytwórczy), :plastic and rubber czyli związany z produkcją i wykorzystaniem gum i tworzyw sztucznych, większość przemysłu spożywczego oraz duża część chemii i przemysłu farmaceutycznego. 3
Proces ciągły z kolei charakteryzuje się znacznie zwiększonym udziałem pomiarów analogowych (aczkolwiek rozważając ilość pomiarów analogowych i binarnych np.. Na bloku energetycznym należy pamiętać że tych drugich (binarnych) jest 2-3 razy więcej), dużą odpowiedzialnością procesu i zwykle bardzo wysokimi stratami w momencie awarii lub zatrzymania (np.. straty rozruchowe przy wyłączeniu bloku energetycznego, straty procesowe w przypadku awarii linii wytapiania stali, itp..). W procesach ciągłych bardzo często zmiana jednego z kluczowych parametrów pracy zmienia szereg innych parametrów (np.. zmiana mocy bloku energetycznego zmienia punkt pracy niosąc ze sobą zmiany większości parametrów lub konieczność automatycznej regulacji szeregu innych). Przykładem procesu ciągłego jest przemysł papierniczy, duża część chemii farmaceutyki (te przemysły często traktuje się też jako tzw. hybrydowe bo można w nich dostrzec cechy procesów dyskretnych i ciągłych), petrochemia, przemysł stalowy i wreszcie energetyka zwłaszcza oparta na węglu oraz jądrowa. 4
Z uwagi na dwa główne nurty procesów, nastąpiła specjalizacja w tworzeniu systemów sterowania. I tak dla procesów dyskretnych (rozpatrujemy historyczny rozwój sprzętu od lat 70-tych) wprowadzone zostały tzw. PLC (Programable Logic Controllers Sterowniki Swobodnie Programowalne) w zasadzie komputerki sterujące (specjalizowane, procesor, układ, oprogramowanie). Ich zadaniem było sterowanie blisko linii produkcyjnych ( w związku z czym tez często wymagana duża odporność na warunki przemysłowe zanieczyszczenia, temperatura), a jednocześnie musiał być to produkt stosunkowo tani (masowy) i uniwersalny (do różnych gałęzi przemysłu). Główny nacisk w PLC był położony na sterowanie dwustanowe (bo takie też były wymagania procesów dyskretnych) z mała rolą wizualizacji (obserwacji procesu) bo operator nie musiał śledzić nic na bieżąco jedynie wprowadzać pewne parametry przy zmianie (nie ciągłej) parametrów produkcji. Z kolei dla procesów ciągłych (o dużym stopniu komplikacji i koszcie) producenci wprowadzili systemy DCS (Distributed Process Control Systemy Sterowania Rozproszonego) które mogły zarządzać całym procesem a dla bezpieczeństwa inteligencja komputerów (czyli algorytmy sterujące) były umieszczone (rozproszone) w szeregu urządzeniach (komputerach) często redundowanych (takich samych z tym samym oprogramowaniem, wykonujących te same algorytmy) które finalnie były połączone w sieć komputerową. W założeniu tego typu systemy nie powinny nigdy zawieść czyli zatrzymać proces (dlatego urządzenia redundowane, a także poprzez redundancję zapewnienie możliwości modyfikacji oprogramowania w locie bez zatrzymania systemu sterowania). 5
Schematyczne przedstawienie systemów typu PLC. Sterownik (widoczny na fotografii u góry) czasami wyposażony w MMI (panel operatorski foto niżej) połączony z częścią pomiarów z danego procesu realizuje wybrany fragment sterowania cała instalacją. 6
System DCS wszystkie pomiary z danego procesu poprzez moduły wejściowe są przekazywane do DCS (do poszczególnych sterowników które realizują algorytmy regulacji) a połączenie wszystkich urządzeń (komputerów) w sieć powoduje że wszyscy wiedzą o wszystkim jest zapewniona wymiana informacji i dostęp każdego urządzenia (sterownika, komputera) do każdego wybranego punktu procesowego. 7
Definicja DCS Systemu Sterowania Rozproszonego (nie koniecznie książkowa) jako układu sieci rozproszonych komputerów realizujących kompleksowe sterowanie procesem, w czasie rzeczywistym. W systemie istnieje jednolita baza danych punktów procesowych umożliwia ich identyfikację i dostęp każdego urządzenia do każdej informacji. 8
Ewolucja systemów PLC w miarę postępu technologii komputerowej. Pojawia się zapotrzebowania na zbiorcze monitorowanie procesu i pewne procedury nadrzędnego sterowania (żaden proces nie jest całkowicie dyskretny, obserwacja całościowa zawsze przynosi korzyści). Pojawiają się systemy zwane SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) czyli Sterowania nadrzędnego (z komputera centralnego pojawiają się rozkazy (algorytmy regulacji) wysyłane do poszczególnych PLC) i Zbierania Danych (faktycznie następuje połączenie PLC w sieć i przekazywanie wszystkich danych do zbiorczego systemu przede wszystkim chodziło o zbiorczą wizualizację na początek). Funkcjonalnie system PLC i SCADA zaczyna przypominać DCS (co widać nawet na scanie schematu jednego z producentów) 11
Stan obecny dwu głównych nurtów rozwoju sprzętu PLC i DCS zaczynają się do siebie coraz bardziej upodobniać a to z uwagi ze: System oparty na PLC (postęp komputerowy) zaczyna być coraz bardziej sieciowy (a więc przypominać układ z inteligencją rozproszoną) a same sterowniki PLC coraz bardziej funkcjonalne (a więc zwiększone możliwości programowania algorytmów do procesów ciągłych) Systemy DCS powszechnie zaczęły korzystać ze standardowego wyposażenia w sprzęt i oprogramowanie komputerowe (patrz dalsze wykłady) rezygnując ze specjalizowanych standardów przemysłowych wszystko po to żeby zmniejszyć koszty Różnica zaczyna się coraz bardziej zacierać (zauważmy ze dzisiejszy jeden sterownik PLC jest prawdopodobnie bardziej funkcjonalny i ma większe możliwości niż DCS we wczesnych latach 70-tych) ale z kolei następuje powiększenie roli DCS do sterownia już nie tylko poszczególnym blokiem energetycznym ale zestawem bloków lub nawet cała elektrownią. DCS wciąż są znacznie bardziej funkcjonalne, mają bardziej jednolitą bazę danych procesowych i wprowadzają zaawansowane algorytmy niedostępne dla PLC. DCS zaczynają być pozycjonowane dla obiektów wieloskalowych obejmujących nawet do kilkuset punktów procesowych. 12