Введение

Распределенная система управления (DCS) – это компьютеризированная система управления процессом или предприятием, обычно с большим количеством контуров управления, в которой автономные контроллеры распределены по всей системе, но отсутствует централизованное операторское управление и надзор. Это отличается от систем, использующих централизованные контроллеры – либо дискретные контроллеры, расположенные в центральной диспетчерской, либо в центральном компьютере. Концепция DCS повышает надежность и снижает затраты на монтаж за счет локализации функций управления вблизи производственного объекта с возможностью удаленного мониторинга и надзора. Распределенные системы управления впервые появились в крупных, высокостоимостных, критически важных для безопасности отраслях промышленности и были привлекательны тем, что производитель DCS поставлял как локальный уровень управления, так и центральное оборудование надзора в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции при проектировании. Сегодня функциональность систем SCADA и DCS очень схожа, однако DCS обычно применяется на крупных непрерывных производственных предприятиях, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не находится на значительном удалении. Многие системы управления оборудованием обладают схожими характеристиками с системами управления предприятиями и процессами.

Технические моменты

Процессорные узлы и графические дисплеи оператора соединены по проприетарным или отраслевым стандартным сетям, а надежность сети повышается за счет двойной избыточности кабелей, проложенных по разным маршрутам. Эта распределенная топология также снижает количество полевых кабелей за счет размещения модулей ввода-вывода и соответствующих процессоров вблизи технологической установки. Процессоры получают информацию от входных модулей, обрабатывают ее и определяют управляющие действия, которые должны быть переданы выходными модулями. Полевые входы и выходы могут быть представлены аналоговыми сигналами, например, токовым циклом 4–20 мА постоянного тока, или двухпозиционными сигналами, переключающимися в состояние "включено" или "выключено", такими как контакты реле или полупроводниковые переключатели. DCS подключаются к датчикам и исполнительным механизмам и используют управление заданным значением для контроля потока материала по установке. Типичным примером является PID-регулятор, получающий данные от расходомера и использующий управляющий клапан в качестве конечного регулирующего элемента. DCS передает заданное значение, необходимое для процесса, регулятору, который, в свою очередь, дает команду клапану работать таким образом, чтобы процесс достиг и поддерживал желаемое заданное значение (см. схему 4–20 мА в качестве примера). Крупные нефтеперерабатывающие заводы и химические предприятия могут иметь несколько тысяч точек ввода-вывода и использовать очень большие DCS. Однако процессы не ограничиваются потоком жидкости по трубопроводам и могут включать в себя такие объекты, как бумагоделательные машины с соответствующим контролем качества, частотно-регулируемые приводы и центры управления двигателями, цементные печи, горнодобывающие операции, обогатительные фабрики и многие другие. DCS в приложениях, требующих очень высокой надежности, могут иметь двойные резервные процессоры с "горячим" резервированием при отказе, для повышения надежности системы управления. Хотя 4–20 мА является основным стандартом полевой сигнализации, современные DCS также могут поддерживать цифровые протоколы полевых шин, такие как Foundation Fieldbus, Profibus, HART, Modbus, PC Link и другие. Современные DCS также поддерживают приложения на основе нейронных сетей и нечеткой логики. Современные исследования сосредоточены на синтезе оптимальных распределенных регуляторов, оптимизирующих определенный критерий управления H-бесконечность или H2.

Эволюция операций контроля процесса

Контроль процессов на крупных промышленных предприятиях развивался в несколько этапов. Изначально управление осуществлялось с локальных панелей, расположенных непосредственно у технологического оборудования. Однако это требовало значительного количества персонала для наблюдения за этими разрозненными панелями и не обеспечивало целостного представления о процессе. Следующим логичным шагом стала передача всех показаний с предприятия в постоянно укомплектованную центральную диспетчерскую. По сути, это была централизация всех локальных панелей, с преимуществами в виде сокращения численности персонала и упрощения обзора процесса. Часто контроллеры располагались за панелями диспетчерской, а все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на предприятие. Однако, несмотря на централизацию управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и оператору приходилось постоянно перемещаться по диспетчерской для наблюдения за различными участками процесса. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети модулей ввода/вывода с собственными контроллерами. Эти модули могли быть распределены по всему предприятию и взаимодействовать с графическими дисплеями в диспетчерской или диспетчерских. Так родилась система распределенного управления (СРУ). Внедрение СРУ позволило легко соединять и переконфигурировать элементы управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко интегрировать их с другими производственными компьютерными системами. Это обеспечило возможность сложной обработки аварийных сигналов, автоматическую регистрацию событий, устранило необходимость в ведении бумажных журналов, таких как записи самописцев, позволило объединить контроллеры в сеть и, таким образом, размещать их непосредственно у оборудования для сокращения протяженности кабельных трасс, а также предоставило общую картину состояния предприятия и уровней производства.

Происхождение

Первые миникомпьютеры использовались для управления промышленными процессами с начала 1960-х годов. Например, IBM 1800 был одним из первых компьютеров, оснащенных аппаратным обеспечением ввода-вывода для сбора сигналов процесса на предприятии, с преобразованием уровней контактов (для дискретных сигналов) и аналоговых сигналов в цифровую форму. Первая промышленная компьютерная система управления была создана в 1959 году на нефтеперерабатывающем заводе Texaco Port Arthur в Техасе с использованием RW 300 компании Ramo Wooldridge. В 1975 году компании Yamatake Honeywell и японская электротехническая фирма Yokogawa представили собственные независимо разработанные системы DCS – TDC 2000 и CENTUM соответственно. В 1975 году американская компания Bristol также представила свой универсальный контроллер UCS 3000. В 1978 году Valmet представила собственную систему DCS под названием Damatic (новейшее поколение называется Valmet DNA). В 1980 году компания Bailey (ныне часть ABB) представила систему NETWORK 90, Fisher Controls (ныне часть Emerson Electric) – систему PROVoX, а Fischer & Porter Company (также ныне часть ABB) – DCI 4000 (DCI расшифровывается как Distributed Control Instrumentation – распределенная контрольно-измерительная аппаратура). Появление DCS во многом обусловлено возросшей доступностью микрокомпьютеров и распространением микропроцессоров в области управления процессами. Компьютеры уже некоторое время применялись для автоматизации процессов в виде прямого цифрового управления (DDC) и управления уставками. В начале 1970-х годов компания Taylor Instrument Company (ныне часть ABB) разработала систему 1010, Foxboro – систему FOX1, Fisher Controls – систему DC2, а Bailey Controls – системы 1055. Все эти системы представляли собой приложения DDC, реализованные на базе миникомпьютеров (DEC PDP 11, Varian Data Machines, MODCOMP и т.д.) и подключенные к проприетарному оборудованию ввода-вывода. Таким образом был реализован сложный (для того времени) непрерывный и периодический контроль. Более консервативным подходом было управление уставками, при котором процессовые компьютеры осуществляли надзор за группами аналоговых контроллеров процессов. Рабочая станция обеспечивала визуализацию процесса с использованием текста и примитивной символьной графики. До появления полностью функционального графического пользовательского интерфейса было еще далеко.

Разработка

Центральным элементом модели DCS было включение функциональных блоков управления. Функциональные блоки развились из ранних, более примитивных концепций DDC-программного обеспечения, основанных на таблицах данных ("Table Driven"). Являясь одним из первых примеров реализации объектно-ориентированного программного обеспечения, функциональные блоки представляли собой самодостаточные программные модули, эмулирующие аналоговые компоненты управления и выполняющие задачи, необходимые для управления технологическими процессами, такие как реализация PID-алгоритмов. Функциональные блоки и сегодня остаются основным методом управления для поставщиков DCS и поддерживаются ключевыми технологиями, такими как Foundation Fieldbus. Компания Midac Systems из Сиднея, Австралия, разработала объектно-ориентированную распределенную систему прямого цифрового управления в 1982 году. Центральная система работала на 11 микропроцессорах, совместно выполняющих задачи и использующих общую память, и была подключена к последовательной сети распределенных контроллеров, каждый из которых работал на двух процессорах Z80. Система была установлена в Университете Мельбурна. Цифровая связь между распределенными контроллерами, рабочими станциями и другими вычислительными элементами (взаимодействие типа "одноранговая сеть") являлась одним из ключевых преимуществ DCS. Соответствующее внимание было уделено сетям, обеспечивающим важнейшие каналы связи, которые для технологических приложений должны были включать в себя такие специфические функции, как детерминированность и резервирование. В результате многие поставщики приняли сетевой стандарт IEEE 802.4. Это решение подготовило почву для волны миграций, необходимых, когда информационные технологии вошли в сферу автоматизации технологических процессов, и стандарт IEEE 802.3, а не IEEE 802.4, стал преобладающим в качестве управляющей локальной сети.

Сетевая эра 1980-х годов

В 1980-х годах пользователи стали рассматривать DCS как нечто большее, чем просто системы базового управления технологическими процессами. Одним из самых ранних примеров DCS с прямой цифровой регулировкой стала система, разработанная австралийской компанией Midac в 1981–82 годах с использованием аппаратного обеспечения, спроектированного R Tec Australia. Система, установленная в Университете Мельбурна, использовала последовательную сеть связи, соединяющую здания кампуса с "фронтендом" диспетчерской. Каждый удаленный блок работал на двух микропроцессорах Z80, а фронтенд – на одиннадцати Z80 в параллельной конфигурации обработки с использованием страничной общей памяти для совместного выполнения задач и способный обрабатывать до 20 000 одновременно управляемых объектов. Считалось, что достижение открытости и расширение обмена данными по всему предприятию позволит добиться еще больших результатов. Первые попытки повысить открытость DCS привели к внедрению доминирующей операционной системы того времени – UNIX. UNIX и сопутствующая сетевая технология TCP/IP были разработаны Министерством обороны США с целью обеспечения открытости, что как раз и было необходимо для решения проблем в обрабатывающих отраслях. В результате поставщики также начали использовать сети на основе Ethernet со своими проприетарными протоколами. Полный стандарт TCP/IP не был реализован, но использование Ethernet позволило внедрить первые системы управления объектами и технологии глобального доступа к данным. В 1980-е годы также появились первые ПЛК, интегрированные в инфраструктуру DCS. Широкомасштабные исторические архивы данных также стали использоваться для расширения возможностей автоматизированных систем. Первым поставщиком DCS, внедрившим технологии UNIX и Ethernet, стала компания Foxboro, представившая систему I/A Series в 1987 году.