Wykład w ramach przedmiotu Komputerowe systemy sterowania, sem 6, AiR DCS = Distributed Control System Rozproszony system sterowania w aspekcie architektury systemu sterowania oraz infrastruktury sprzętowo-programowej sterowania Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski
Sterowanie obiektami wielkiej skali wymaga przetwarzania ogromnej ilości informacji, osiągania wielu różnych celów sterowania, z różnym krokiem czasowym. Realizacja tego zadania w sposób scentralizowany tj. przetwarzania wszystkich informacji pomiarowych i generowanie wszystkich sygnałów sterujących dla całej sieci wodociągowej w jednym centralnym urządzeniu nie jest sensownym podejściem. W [Tatjewski] można znaleźć powody braku stosowania podejścia scentralizowanego: trudność w zapewnieniu bezpieczeństwa prowadzenia procesu, trudność włączenia ludzi w proces nadzoru prowadzenia procesu i problemy z reakcjami na nagłe, niekontrolowane i nieprzewidziane w obliczu przetwarzania na bieżąco potężnej dawki informacji. Można do tego dołożyć jeszcze dwa aspekty implementacyjne: wymagania komunikacyjne oraz realizację jednostki obliczeniowej. Konieczność dostarczenia w odpowiednim czasie do centralnego urządzenia informacji pomiarowej z każdego urządzenia pomiarowego oraz rozesłanie wypracowanego sygnału sterującego do każdego urządzenia wykonawczego
Dużo sensowniejszym podejściem jest podejście zdecentralizowane [Diaster], [Tatjewski] w którym cel podstawowy sterowania dużym złożonym obiektem podzielony jest na szereg mniejszych zagadnień powiązanych ze sobą. Podział dużego podstawowego celu sterowania na mniejsze nazywany jest dekompozycją i wg [Tatjewski] można mówić o dekompozycji przestrzennej i funkcjonalnej. Dekompozycja funkcjonalna polega na wydzieleniu szeregu funkcjonalnie różnych cząstkowo celów sterowania wzajemnie powiązanych w strukturze pionowej hierarchicznej współzależności zwanej strukturą warstwową. Jednosta decyzyjna związana z każdą warstwą podejmuje decyzje związane z tym samym obiektem ale decyzje są różnego rodzaju. Dekompozycja przestrzenna polega na podziale zadania na lokalne zadania tego samego rodzaju a z mniejszą ilości przetwarzanej informacji powiązane z przestrzennie wydzielonymi częściami całego zadania sterowania.
Struktura hierarchiczna systemu sterowania
Bezpośrednia Jest to warstwa mająca bezpośredni związek ze sterowanym obiektem tj. otrzymuje informacje z urządzeń pomiarowych i wysyła sygnały sterujące do urządzeń wykonawczych. Pracuje w rygorze czasowym dostosowanym do dynamiki obiektu Pośredniczy ona w kontakcie z obiektem innych warstw systemu sterowania tj. przekazuje wyniki pomiarów do warstw wyższych i otrzymuje wartości zadane dla wybranych zmiennych procesowych, które realizuje za pomocą stosunkowo prostych algorytmów regulacji. Ponieważ ta warstwa ma bezpośredni i natychmiastowy kontakt z obiektem jest również jedyną możliwą w której zrealizowane są systemy zabezpieczeń. Typowymi urządzeniami pracującymi w warstwie sterowania bezpośredniego są regulatory wielofunkcyjne, mikrokontrolery, sterowniki programowalne PLC/PAC, komputery przemysłowe z kartami akwizycji danych. Dobór konkretnego urządzenia zależy od złożoności i liczby sterowania. Przeważnie realizowane w tej warstwie są algorytmy proste typu włącz-wyłącz, sterowanie regułowe, programowe zmiany wzmocnienia, czy powszechnie stosowane regulatory PID. Postęp w dziedzinach elektroniki, informatyki i automatyki umożliwia obecnie realizację w urządzeniach warstwy sterowania bezpośredniego bardziej złożonych algorytmów jak np. sterowania adaptacyjnego czy predykcyjnego.
Zadaniem warstwy sterowania nadzorczego jest regulacja wolniej zmieniających się wielkości będących kluczowych w regulowanym obiekcie. W warstwie sterowania nadrzędnego realizowane są zaawansowane i złożone algorytmy sterowania uwzględniające nieliniowość, wielowymiarowość, niepewność itd. Do generowania sterowania w tej warstwie mogą być wykorzystywane modele obiektu. Warstwa ta pierwotnie służyła do realizacji sterowania zaawansowanego np. predykcyjnego jednak Obecnie do implementacji tej warstwy używane jest specjalistyczne oprogramowanie klasy SCADA umożliwiające nadzór człowieka nad prowadzonym procesem i nadzór zautomatyzowany w postaci skryptów i programów. Warstwa sterowania nadzorczego jest warstwą opcjonalną zadania w niej realizowane mogą być rozdzielone pomiędzy warstwę sterowania bezpośredniego i optymalizującego.
Warstwa optymalizacji Warstwa ta przeznaczona jest do wyznaczania w wyniku rozwiązywania zagadnienia optymalizacji wartości zadanych do zrealizowania przez warstwy niższe czyli nadzorczą i bezpośrednią. Zagadnienie optymalizacji jest rozwiązywane z określonym krokiem najczęściej znacznie Zarządzania Warstwa zarządzania dotyczy zagadnień prowadzenia procesu w aspektach ekonomicznych, logistyki oraz utrzymania ruchu. Uwzględnia takie aspekty jak cenę produktów potrzebnych do produkcji, prognozowane zapotrzebowanie na produkt, zasoby magazynowe surowca, przeglądy konserwację urządzeń, remonty Przekazuje do warstwy optymalizacji ograniczenia i uwarunkowania dla zagadnienia optymalizacji. Warstwa ta zwyczajowo ujmowana jest w strukturze jednak rzadko implementowana. Warstwa ta może być implementowana bez powiązania z pozostałymi np. w taki sposób, że generuje raporty, dokonuje obróbki statystycznej i dostarcza danych dla pionów ekonomicznego, technologicznego i technicznego przedsiębiorstwa. Implementację warstwy zarządzania można osiągnąć z zastosowaniem oprogramowania MES (Manufacturing Execution System) oraz ERP (Enterprise Resource Planning).
Hierarchiczny, scentralizowany system sterowania PLC, SCADA
Rozproszona warstwa bezpośrednia/ scentralizowane warstwy wyższe
PLC/SCADA, DCS Obecnie istnieją dwa przemysłowe rozwiązania umożliwiające realizację zdecentralizowanego sterowania obiektem dużej skali. Jest to system DCS oraz para PLC(PAC)/SCADA. Systemy te w przeszłości wywodziły się z zupełnie różnych zastosowań i posiadały unikalne cechy, jednak wraz z rozwojem elektroniki, informatyki i automatyki funkcjonalność tych systemów zbliżyła się do siebie i trudno powiedzieć o unikalnych cechach funkcjonalnych niedostępnych w drugim systemie. Można jednak mówić o specyfice każdego z tych systemów.
Cechy wspólne DCS i PLC/SCADA - przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym (zapewnienie determinizmu czasowego) - bogata baza skupionych i rozproszononych układów I/O umożliwiażajca wczytanie/zapisanie sygnałów obiektowych o charakterze dyskretnym i analogowym, współpraca z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi o różnych standardach komunikacji - moduł interfejsu użytkownika HMI za pomocą wizualizacji komputerowej - programowanie w różnych językach (graficznych, tekstowych) - baza danych zawierająca bieżące i historyczne dane procesowe - redundancja na poziomie układów I/O, jednostki przetwarzającej dane, magazynu danych - bogate możliwości komunikacyjne (obsługa różnych sieci i protokołów) - skalowalność czyli możliwość rozbudowy (a nie budowy od nowa) systemu sterowania wraz z rozwojem obiektu - zaawansowane funkcje autodiagnostyki
Różnice W celu przedstawienia różnic warto przedstawić aspekty powstania obu systemów. PLC było pierwotnie zorientowane zastąpienie układów stycznikowo-przekaźnikowych, na sterowanie dyskretne z duża rozdzielczością czasową np. napędami, maszynami, procesami wsadowymi, pojedynczymi urządzeniami. Z kolei systemy DCS od początku projektowane były do zadań regulacji ciągłej z wykorzystaniem sygnałów analogowych. Ich głównymi aplikacjami były sektory chemiczny i rafinerie czyli systemy wielkiej skali.
Różnice cd. Cechami charakterystycznymi rozwiązania PLC/SCADA jest uniwersalność, elastyczność i możliwość zastosowania w wielu różnych sektorach tych samych urządzeń. Systemy DCS są raczej dostosowywane do konkretnej aplikacji i projektowane na potrzeby konkretnego obiektu. Z tego względu rozwiązania typu PLC/SCADA są raczej tańsze niż DCS. Zagadnienie redundancji było od samego początku stosowane w DCS, w systemach PLC zostało wdrożone później. Z punktu widzenia programowania algorytmów sterowania w systemach DCS mamy do dyspozycji gotowe bloki i moduły zaawansowanych metod sterowania: np. predykcyjnego czy adaptacyjnego, regulatory rozmyte, neuronowe, automatyczne strojenie regulatorów itd. W większości obecnie produkowanych PLC najbardziej złożonym algorytmem sterowania jest regulator PID, a wspomniane metody można oczywiście zrealizować, ale drogą programową samodzielnie. Charakterystyczną cechą systemu DCS jest zintegrowanie funkcjonalności sterowania i wizualizacji i związanie ich przez wspólną centralną bazę danych. System ten integruje warstwy sterowania bezpośrednią, nadzorczą, umożliwia również realizację optymalizacji.
W systemach PLC/SCADA za sterowanie odpowiada PLC za wizualizację moduł HMI systemu SCADA współpracująca z bazą danych. Warstwa sterowania bezpośredniego realizowana jest w PLC, natomiast sterowania nadzorczego w SCADA. Elementy te są do siebie funkcjonalnie dopasowane jednak nie są uwspólnione na poziomie zmiennych tak jak w DCS. Kolejną umowną różnicą dotyczącą systemów jest ulokowanie człowieka w systemie sterowania: w systemach PLC/SCADA jest to raczej nadzór i reagowanie na wyjątki, awarie, sytuacje nieprzewidziane a proces prowadzony jest w pełni automatycznie, natomiast w DCS człowiek jest elementem decyzyjnym w sterowaniu. W podejściu inżynierskim PLC/SCADA wymaga zaprogramowania, a DCS konfiguracji i strojenia.
Siedem pytań Siemensa DCS czy PLC
Główni gracze na rynku DCS i ich produkty Honeywell Experion Siemens PCS7, T2000, T3000 ABB Advant OCS, Symphony, Freelance Yokogawa Centum, Stardom Westinghouse - The Westinghouse Distributed Processing Family (WDPF ) Emerson DeltaV, Ovation Metso Metso DNA General Electric seria Mark Invensys I/A Schneider Electric PlantStruxure Alstom Alspa
Experion C300 Controller - Honeywell
SIMATIC PCS7 SIMATIC PCS 7 jest uniwersalnym systemem dla wszystkich zadań automatyki we wszystkich branżach przemysłu. Zgodnie ze strategią firmy Siemens Całkowicie Zintegrowanej Automatyki (Totally Integrated Automation) SIMATIC PCS 7 bazuje na znanych i powszechnie stosowanych komponentach SIMATIC S7, dzięki czemu koszty poszczególnych elementów oraz systemu inżynierskiego są niskie. SIMATIC PCS7 Zapewnia wprowadzenie zmian sprzętowych, programowych, konfiguracyjnych i wizualizacyjnych bez konieczności zatrzymania systemu. Gwarantuje najwyższą jakość i niezawodność komponentów. SIMATIC PCS 7 obsługuje zarówno procesy ciągłe (chemia, petrochemia hutnictwo, przemysł papierniczy, szklarski) jak i wsadowe (przemysł spożywczy i farmaceutyczny). Zapewnia optymalne rozwiązania zadań technologicznych, jak również oferuje możliwość automatyzacji procesów pośrednio związanych z produkcją: transport, pakowanie, magazynowanie, doprowadzenie surowców i mediów. SIMATIC PCS 7 obejmuje także automatykę budynków oraz zasilanie w energię elektryczną.
Przykłady wdrożeń systemów DCS na wybrzeżu Systemy Honeywell DCS Rafineria Gdańska Polpharma Starogard System ABB Procontrol EC2 Elektrociepłownie Wybrzeże System Siemens PCS7 EC2 Elektrociepłownie Wybrzeże
Bibliografia Modelowanie, diagnostyka i sterowanie nadrzędne procesami. Implementacja w w systemie DiaSter, Korbicz J., Kościelny J., WNT 2009 Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych, Tatjewski P., Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 2002 DCS czy PLC? Siedem pytań, które pomogą Państwu wybrać najlepsze rozwiązanie, Bob Nelson, Todd Stauffer, Siemens Energy and Automation DECENTRALIZED CONTROL TECHNIQUES FOR LARGE-SCALE CIVIL STRUCTURAL SYSTEMS, Jerome Peter Lynch and Kincho H. Law, Proceedings of the 20th International Modal Analysis Conference (IMAC XX), Los Angeles, CA, USA, 2002 DCS and PLC/SCADA a comparison in use, Control Engineering UK, 2011 http://www.dcscenter.com/
Biblografia cd. Materiały informacyjne i reklamowe firm Honeywell GE Fanuc Siemens