Кіріспе

Бөлінген басқару жүйесі (ББЖ) – автономды басқарушылары жүйеге таратылған, бірақ орталық оператордың бақылауы жоқ, әдетте көптеген басқару циклдары бар процесс немесе зауыттың компьютерлік басқару жүйесі. Бұл орталықтандырылған басқарушыларды пайдаланатын жүйелерге қарама-қарсы: орталық басқару бөлмесінде немесе орталық компьютерде орналасқан дискретті басқарушылар. ББЖ тұжырымдамасы басқару функцияларын процесс зауытына жақын орналастыру арқылы сенімділікті арттырады және орнату шығындарын азайтады, сонымен қатар қашықтан бақылау мен қадағалауды қамтамасыз етеді. Бөлінген басқару жүйелері алғаш рет ірі, жоғары құнды, қауіпсіздігі маңызды процестер салаларында пайда болды, себебі ББЖ өндірушісі жергілікті басқару деңгейін және орталық қадағалау жабдығын біріктірілген жиынтық ретінде ұсынатын, осылайша жобалау интеграциясының тәуекелін азайтатын. Бүгінде қадағалауды бақылау және деректерді жинау (SCADA) және ББЖ жүйелерінің функционалдығы өте ұқсас, бірақ ББЖ көбінесе жоғары сенімділік пен қауіпсіздік қажет болатын және басқару бөлмесі географиялық тұрғыдан алыс емес, ірі үздіксіз процестер зауыттарында қолданылады. Көптеген машиналарды басқару жүйелері зауыт және процесс басқару жүйелеріне ұқсас қасиеттерді көрсетеді.

Техникалық мәселелер

Процессорлық түйіндер мен операторлық графикалық дисплейлер меншік немесе өнеркәсіптік стандарттағы желілер арқылы байланыстырылады, ал желінің сенімділігі әртүрлі бағыттармен екі еселенген кабельдер арқылы арттырылады. Бұл таратылған топология I/O модульдерін және олармен байланысты процессорларды өңдеу орнатылысына жақын орналастыру арқылы далалық кабельдердің мөлшерін де азайтады. Процессорлар кіріс модульдерінен ақпаратты қабылдайды, оны өңдейді және шығыс модульдері арқылы жіберілетін басқару шараларын анықтайды. Далалық кірістер мен шығыстар аналогтық сигналдар болуы мүмкін, мысалы, 4–20 мА тұрақты ток тізбегі немесе релелік контактілер немесе жартылай өткізгіштің коммутаторы сияқты "қосулы" немесе "өшірулі" күйге ауысатын екі күйлі сигналдар. DCS сенсорлар мен атқарушы механизмдерге қосылады және орнату нүктесін басқару арқылы орнатма арқылы материал ағынын басқаруды жүзеге асырады. Типтік қолданыс – ағын өлшегішпен қуаттандырылатын және басқару клапанын соңғы басқару элементі ретінде пайдаланатын PID контроллері. DCS процеске қажетті орнату нүктесін контроллерге жібереді, ол клапанға процеске қажетті орнату нүктесіне жету және оны сақтау үшін жұмыс істеуге бұйрық береді (мысалы, 4–20 мА схемасын қараңыз). Ірі мұнай өңдеу және химия зауыттарында бірнеше мың I/O нүктелері бар және өте үлкен DCS жүйелері қолданылады. Процестер құбырлар арқылы сұйықтық ағынымен ғана шектелмейді, сонымен қатар қағаз машиналары және олармен байланысты сапаны бақылау, айнымалы жылдамдықты жетектер және моторларды басқару орталықтары, цемент пештері, кен өндіру операциялары, кен байыту объектілері және тағы да көптеген нәрселерді қамтуы мүмкін. Өте жоғары сенімділік қажет болатын қолданыстардағы DCS жүйелері басқару жүйесінің сенімділігін арттыру үшін ақау туған жағдайда "жедел" ауысуы бар екі еселенген процессорлармен жабдылуы мүмкін. 4–20 мА негізгі далалық сигнализация стандарты болғанымен, қазіргі заманғы DCS жүйелері Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus, PC Link және т.б. сияқты далалық цифрлық протоколдарды да қолдай алады. Қазіргі заманғы DCS жүйелері нейрондық желілер мен тұйық логика қолданбаларын да қолдайды. Соңғы зерттеулер белгілі бір H шексіздігін немесе H2 басқару критерийін оңтайландыруға мүмкіндік беретін оптималды таратылған контроллерлерді синтездеуге бағытталған.

Процесс бақылау операцияларының дамуы

Ірі өнеркәсіптік зауыттардың процесін басқару көптеген кезеңдерден өтті. Алғашқыда басқару, процестік зауытқа жақын орналасқан панельдерден жүзеге асырылатын. Бірақ, бұл үшін көптеген адамдардың араласуы қажет болды, ал процестің жалпы картинасы болмады. Келесі логикалық даму – зауыттың барлық өлшемдерін тұрақты жұмыс істейтін орталық басқару бөлмесіне жіберу болды. Бұл, барлық жергілікті панельдерді орталықтандыру, еңбек ресурстарын азайту және процеске қарауды жеңілдету артықшылықтарын берді. Көбінесе басқарушылар басқару бөлмесіндегі панельдердің артында отыратын, ал барлық автоматты және қолмен басқару сигналдары зауытқа жіберілетін. Алайда, орталық басқаруға мүмкіндік берсе де, бұл жүйе икемсіз болды, себебі әрбір басқару контурының өз басқару аппараттық құрылғысы болды және операторлардың басқару бөлмесінде процестің әртүрлі бөліктерін қарау үшін үнемі қозғалуы қажетті еді. Электрондық процессорлар мен графикалық дисплейлер пайда болғаннан кейін, осы дискретті басқарушыларды компьютерлік алгоритмдермен алмастыру мүмкін болды, олар өздерінің басқару процессорлары бар кіріс/шығыс тіректерінің желісінде орналастырылды. Оларды зауыт аумағына таратып, басқару бөлмесіндегі графикалық дисплеймен байланыстыруға болады. Осылайша үлестірілген басқару жүйесі пайда болды. DCS-ті енгізу, зауыттың басқару элементтерін, мысалы каскадты контурларды және өзара байланыстарды оңай қосуға, сондай-ақ басқа өндірістік компьютерлік жүйелермен байланысуға мүмкіндік берді. Ол күрделі дабылдарды басқаруды, автоматты оқиғаларды тіркеуді қамтамасыз етті, карталық диктофондар сияқты физикалық жазбаларға қажеттілікті жойды, басқару тіректерін желіге қосуға және осылайша кабельдік желілерді қысқарту үшін зауытқа жақын орналастыруға мүмкіндік берді, сондай-ақ зауыттың жағдайы мен өндіріс деңгейінің жоғары деңгейлі шолуын ұсынды.

Шығу тегі

Алғашқы мини-компьютерлер 1960 жылдардың басынан бері өнеркәсіптік процестерді басқаруда қолданылып келді. Мысалы, IBM 1800 – өрістегі контактілердің деңгейінен (цифрлық нүктелер үшін) және аналогтық сигналдардан цифрлық доменге түрлендіру үшін зауыттағы процестік сигналдарды жинауға арналған кіріс/шығыс жабдығына ие болған алғашқы компьютерлердің бірі. Бірінші өнеркәсіптік басқару компьютерлік жүйесі 1959 жылы Техас штатының Порт-Артур қаласындағы Texaco мұнай өңдеу зауытында Ramo Wooldridge Company компаниясының RW 300 машинасымен құрастырылды. 1975 жылы Yamatake Honeywell және жапондық электротехникалық фирма Yokogawa өздеріндік өндірілген DCS жүйелерін – TDC 2000 және CENTUM жүйелерін ұсынды. АҚШ-тағы Bristol компаниясы да 1975 жылы UCS 3000 әмбебап контроллерін ұсынды. 1978 жылы Valmet Damatic (соңғы ұрпағы Valmet DNA деп аталады) деп аталатын өз DCS жүйесін енгізді. 1980 жылы Bailey (қазір ABB құрамында) NETWORK 90 жүйесін, Fisher Controls (қазір Emerson Electric құрамында) PROVoX жүйесін, ал Fischer & Porter Company (қазір де ABB құрамында) DCI 4000 (DCI – Distributed Control Instrumentation, Таратылған басқару құралдары) жүйесін ұсынды. DCS жүйелерінің пайда болуына микрокомпьютерлердің қолжетімділігінің артуы және процестерді басқару саласында микропроцессорлардың кеңінен таралуы себеп болды. Компьютерлер бұрыннан-ақ процестерді автоматтандыруға тікелей цифрлық басқару (DDC) және белгілегіш бақылау түрінде қолданылып келді. 1970 жылдардың басында Taylor Instrument Company (қазір ABB құрамында) 1010 жүйесін, Foxboro FOX1 жүйесін, Fisher Controls DC2 жүйесін және Bailey Controls 1055 жүйесін әзірледі. Бұлардың барлығы мини-компьютерлерде (DEC PDP 11, Varian Data Machines, MODCOMP және т.б.) іске асырылған DDC қолданбалары болып табылды және меншіктік кіріс/шығыс жабдықтарына қосылды. Осылайша, сол кездегі жоғары деңгейдегі үздіксіз және партиялық басқару жүзеге асырылды. Белгілегіш бақылау – консервативті тәсіл, онда процестік компьютерлер аналогтық процестік контроллерлердің кластерлерін қадағалайды. Жұмыс станциясы мәтін мен қарапайым графикалық белгілерді пайдаланып процестің ақпаратын көрсетеді. Толыққанды графикалық пайдаланушы интерфейсінің болуы әлі де алыс болатын.

Даму

DCS моделінің негізгі ерекшелігі басқару функциялық блоктарының енгізілуі болды. Функционалдық блоктар "Table Driven" бағдарламалық жасақтамасының бастапқы DDC тұжырымдамаларынан дамыды. Объектіге бағытталған бағдарламалық жасақтаманың алғашқы көріністерінің бірі – функциялық блоктар, аналогтық аппараттық басқару компоненттерін имитациялайтын және PID алгоритмдерін орындау сияқты процестерді басқару үшін қажетті тапсырмаларды атқаратын дербес код "блоктары" болды. Функционалдық блоктар ДКБ жеткізушілері үшін бақылаудың басым әдісі болып қала береді және қазіргі таңда Foundation Fieldbus сияқты негізгі технологиялармен қолдалады. Midac Systems компаниясы 1982 жылы Австралияның Сидней қаласында объектіге бағытталған, таратылған цифрлық басқару жүйесін жасады. Орталық жүйеде 11 микропроцессор жұмыс істеді, олар тапсырмаларды және жалпы жадты бөлісіп, әрқайсысы екі Z80 процессорларын басқаратын таратылған контроллерлердің желілік байланыс желісіне қосылды. Бұл жүйе Мельбурн университетінде орнатылды. Таратылған контроллерлер, жұмыс станциялары және басқа есептеу элементтері арасындағы цифрлық байланыс (бір-біріне тікелей қол жеткізу) DCS-тің маңызды артықшылықтарының бірі болды. Желілерге тиісті көңіл бөлінді, олар процестік қолданбалар үшін детерминизм және резервтік сияқты арнайы функцияларды қамтитын, аса маңызды байланыс арналарын қамтамасыз етті. Осының нәтижесінде көптеген жеткізушілер IEEE 802.4 желілік стандартын қабылдады. Бұл шешім ақпараттық технология процестерді автоматтандыру саласына енгенде және IEEE 802.3, IEEE 802.4 емес, басқару LAN ретінде басымдыққа ие болғанда қажетті миграция толқынына жағдай жасады.

1980 жылдардың желілік-орталық дәуірі

1980 жылдары пайдаланушылар DCS жүйелерін тек процестерді басқарудың қарапайым құралы ретінде қарамай, одан да артық мүмкіндіктерге ие деп қарауға кірісті. Тікелей цифрлық басқару DCS жүйесінің ең алғашқы мысалын 1981-1982 жылдары Австралияның Midac компаниясы R Tec Австралияда жасалған аппараттық құралдарды пайдаланып құрастырды. Мельбурн университетінде орнатылған жүйе, кампустағы ғимараттарды басқару бөлмесінің "алдыңғы бөлігімен" байланыстыру үшін жүйелік байланыс желісін қолданды. Әр қашықтан басқару блогы екі Z80 микропроцессорымен, ал басқару бөлмесіндегі бөлік – параллель өңдеу конфигурациясындағы он бір Z80 процессорларымен жұмыс істеді. Бұл конфигурация тапсырмаларды бөлісуге және 20 000-ға дейін басқару объектілерін бір мезгілде орындауға мүмкіндік берді. Егер жүйе ашық бола алса және кәсіпорынның барлық бөлімдерімен көбірек деректер бөлісе алса, одан да үлкен жетістіктерге қол жеткізілетініне сенім болды. DCS жүйелерінің ашықтығын арттыруға жасалған алғашқы әрекеттер сол кездегі ең көп қолданылатын операциялық жүйе – UNIX-ті қабылдауға әкелді. UNIX және оның серігі – TCP IP желілік технологиясы АҚШ Қорғаныс министрлігі тарапынан ашықтық принципін ескере отырып әзірленді, бұл процестік өнеркәсіптер шешуге тырысқан мәселе еді. Осының нәтижесінде, жеткізушілер де өздерінің меншік протоколдарымен Ethernet желілерін қолдана бастады. Толық TCP/IP стандарты іске асырылмаса да, Ethernet пайдалану объектілерді басқару және жаһандық деректерге қол жеткізу технологиясының алғашқы үлгілерін жасауға мүмкіндік берді. 1980 жылдары DCS инфрақұрылымына интеграцияланған алғашқы PLC-лер де пайда болды. Өсімдіктер туралы деректерді сақтау үшін де кеңейтілген автоматтандыру жүйелерінің мүмкіндіктерін пайдаланатын тарихшылар пайда болды. UNIX және Ethernet желілік технологияларын қабылдаған алғашқы DCS жеткізушісі – 1987 жылы I/A Series жүйесін ұсынған Foxboro компаниясы болды.