Sistema de control distribuït

Un sistema de control distribuït (DCS) és un sistema de control informatitzat per a un procés o planta, generalment amb molts bucles de control, en què els controladors autònoms es distribueixen per tot el sistema, però no hi ha cap control de supervisió per part d'un operador central. Això contrasta amb els sistemes que utilitzen controladors centralitzats; ja siguin controladors discrets ubicats en una sala de control central o dins d'un ordinador central. El concepte DCS augmenta la fiabilitat i redueix els costos d'instal·lació localitzant les funcions de control a prop de la planta de procés, amb monitorització i supervisió remotes.

Els sistemes de control distribuït van sorgir per primera vegada en grans indústries de processos crítics per a la seguretat, d'alt valor, i eren atractius perquè el fabricant del DCS subministrava tant l'equip de control local com l'equip de supervisió central com un paquet integrat, reduint així el risc d'integració del disseny. Avui dia, la funcionalitat dels sistemes de control i adquisició de dades de supervisió (SCADA) i DCS és molt similar, però el DCS tendeix a utilitzar-se en grans plantes de procés continu on l'alta fiabilitat i seguretat és important, i la sala de control no és necessàriament geogràficament remota. Molts sistemes de control de màquines presenten propietats similars a les dels sistemes de control de plantes i processos.

Estructura

Nivells funcionals d'una operació de control de fabricació

L'atribut clau d'un DCS és la seva fiabilitat a causa de la distribució del processament de control al voltant dels nodes del sistema. Això mitiga una fallada d'un sol processador. Si un processador falla, només afectarà una secció del procés de la planta, a diferència d'una fallada d'un ordinador central que afectaria tot el procés. Aquesta distribució de la potència de càlcul local als bastidors de connexió d'entrada/sortida (E/S) de camp també garanteix temps de processament ràpids del controlador eliminant possibles retards de xarxa i de processament central.

El diagrama adjunt és un model general que mostra els nivells de fabricació funcionals mitjançant control informatitzat.

Fent referència al diagrama;

• El nivell 0 conté els dispositius de camp, com ara sensors de flux i temperatura, i elements de control final, com ara vàlvules de control.
• El nivell 1 conté els mòduls d'entrada/sortida (E/S) industrialitzats i els seus processadors electrònics distribuïts associats.
• El nivell 2 conté els ordinadors de supervisió, que recopilen informació dels nodes processadors del sistema i proporcionen les pantalles de control de l'operador.
• El nivell 3 és el nivell de control de la producció, que no controla directament el procés, però que es preocupa de supervisar la producció i supervisar els objectius.
• El nivell 4 és el nivell de programació de la producció.

Els nivells 1 i 2 són els nivells funcionals d'un DCS tradicional, en què tots els equips formen part d'un sistema integrat d'un únic fabricant.

Els nivells 3 i 4 no són estrictament control de processos en el sentit tradicional, sinó on es duu a terme el control de la producció i la programació.

Punts tècnics

Exemple d'un bucle de control de flux continu. La senyalització és segons l'estàndard industrial de bucles de corrent de 4-20 mA i una vàlvula de control "intel·ligent".

Els nodes del processador i les pantalles gràfiques de l'operador estan connectats a través de xarxes pròpies o estàndard de la indústria, i la fiabilitat de la xarxa augmenta mitjançant el cablejat de doble redundància a través de diverses rutes. Aquesta topologia distribuïda també redueix la quantitat de cablejat de camp en situar els mòduls d'E/S i els seus processadors associats a prop de la planta de procés.

Els processadors reben informació dels mòduls d'entrada, processen la informació i decideixen les accions de control que han de senyalitzar els mòduls de sortida. Les entrades i sortides de camp poden ser senyals analògics, p. ex. bucle de corrent continu de 4-20 mA o senyals de dos estats que commuten "encès" o "apagat", com ara contactes de relé o un interruptor semiconductor.

Els DCS estan connectats a sensors i actuadors i utilitzen el control del punt de consigna per controlar el flux de material a través de la planta. Una aplicació típica és un controlador PID alimentat per un cabalímetre i que utilitza una vàlvula de control com a element de control final. El DCS envia el punt de consigna requerit pel procés al controlador, que indica a una vàlvula que funcioni de manera que el procés arribi i es mantingui al punt de consigna desitjat. (vegeu esquema de 4-20 mA per exemple).

Les grans refineries de petroli i plantes químiques tenen diversos milers de punts d'E/S i utilitzen DCS molt grans. Tanmateix, els processos no es limiten al flux de fluids a través de canonades i també poden incloure coses com ara màquines de paper i els seus controls de qualitat associats, accionaments de velocitat variable i centres de control de motors, forns de ciment, operacions mineres, instal·lacions de processament de mineral i molts altres.

Els DCS en aplicacions de molt alta fiabilitat poden tenir processadors redundants duals amb commutació "en calent" en cas d'error, per millorar la fiabilitat del sistema de control.

Tot i que 4–20 mA ha estat el principal estàndard de senyalització de camp, els sistemes DCS moderns també poden admetre protocols digitals de bus de camp, com ara Foundation Fieldbus, Profibus, HART, Modbus, PC Link, etc.

Els DCS moderns també admeten xarxes neuronals artificials i aplicacions de lògica difusa. La recerca recent se centra en la síntesi de controladors distribuïts òptims, que optimitzen un cert criteri de control H-infinit o H2.

Aplicacions típiques

Els sistemes de control distribuït (DCS) són sistemes dedicats que s'utilitzen en processos de fabricació continus o orientats a lots.

Els processos on es pot utilitzar un DCS inclouen:

• Plantes químiques
• Plantes petroquímiques, refineries, plataformes petrolieres, FPSO i plantes de GNL
• Fàbriques de pasta i paper (vegeu també: sistema de control de qualitat QCS)
• Controls de calderes i sistemes de centrals elèctriques
• Centrals nuclears
• Sistemes de control ambiental
• Sistemes de gestió de l'aigua
• plantes de tractament d'aigua
• plantes de tractament d'aigües residuals
• Aliments i processament d'aliments
• Agroquímics i fertilitzants
• Metall i mines
• Fabricació d'automòbils
• plantes de processos metal·lúrgics
• fabricació farmacèutica
• plantes de refinació de sucre
• Aplicacions agrícoles

Història

Una sala de control central anterior a l'era DCS. Tot i que els controls estan centralitzats en un sol lloc, encara són discrets i no estan integrats en un sol sistema.

Evolució de les operacions de control de processos

El control de processos de les grans plantes industrials ha evolucionat a través de moltes etapes. Inicialment, el control es faria des de panells locals a la planta de procés. Tanmateix, això requeria una gran quantitat de supervisió humana per atendre aquests panells dispersos, i no hi havia una visió general del procés. El següent desenvolupament lògic va ser la transmissió de totes les mesures de la planta a una sala de control central amb personal permanent. Efectivament, això va ser la centralització de tots els panells localitzats, amb els avantatges d'uns nivells de personal més baixos i una visió general més fàcil del procés. Sovint els controladors estaven darrere dels panells de la sala de control, i totes les sortides de control automàtiques i manuals es transmetien de tornada a la planta. Tanmateix, tot i proporcionar un focus de control central, aquesta disposició era inflexible, ja que cada bucle de control tenia el seu propi maquinari de controlador, i es requeria el moviment continu de l'operador dins de la sala de control per veure les diferents parts del procés.

Amb l'arribada dels processadors electrònics i les pantalles gràfiques va ser possible substituir aquests controladors discrets per algoritmes basats en ordinador, allotjats en una xarxa de bastidors d'entrada/sortida amb els seus propis processadors de control. Aquests es podien distribuir per la planta i comunicar-se amb la pantalla gràfica de la sala o sales de control. Així va néixer el sistema de control distribuït.

Una sala de control DCS on la informació i els controls de la planta es mostren en pantalles gràfiques per ordinador. Els operadors estan asseguts, ja que poden veure i controlar qualsevol part del procés des de les seves pantalles, alhora que mantenen una visió general de la planta.

La introducció dels DCS va permetre una fàcil interconnexió i reconfiguració dels controls de planta, com ara bucles en cascada i enclavaments, i una fàcil interfície amb altres sistemes informàtics de producció. Va permetre una gestió sofisticada d'alarmes, va introduir el registre automàtic d'esdeveniments, va eliminar la necessitat de registres físics com ara enregistradors gràfics, va permetre que els bastidors de control es connectessin en xarxa i, per tant, es localitzessin localment a la planta per reduir el cablejat, i va proporcionar visions generals d'alt nivell de l'estat de la planta i els nivells de producció.

Orígens

Els primers miniordinadors es van utilitzar en el control de processos industrials des de principis de la dècada de 1960. L'IBM 1800, per exemple, va ser un dels primers ordinadors que tenia maquinari d'entrada/sortida per recopilar senyals de procés en una planta per convertir-los des dels nivells de contacte de camp (per a punts digitals) i senyals analògics al domini digital.

El primer sistema informàtic de control industrial es va construir el 1959 a la refineria Texaco de Port Arthur, Texas, amb un RW-300 de la Ramo-Wooldridge Company.

El 1975, tant Yamatake-Honeywell com l'empresa japonesa d'enginyeria elèctrica Yokogawa van introduir els seus propis DCS produïts de manera independent: els sistemes TDC 2000 i CENTUM, respectivament. L'empresa nord-americana Bristol també va introduir el seu controlador universal UCS 3000 el 1975. El 1978, Valmet va introduir el seu propi sistema DCS anomenat Damatic (l'última generació de Valmet DNAe basada en web). El 1980, Bailey (ara part d'ABB) va introduir el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ara part d'Emerson Electric) va introduir el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ara també part d'ABB) va introduir DCI-4000 (DCI significa Distributed Control Instrumentation).

El DCS va sorgir en gran part a causa de l'augment de la disponibilitat de microordinadors i la proliferació de microprocessadors en el món del control de processos. Els ordinadors ja s'havien aplicat a l'automatització de processos durant un temps en forma de control digital directe (DDC) i control de punts de consigna. A principis dels anys setanta, Taylor Instrument Company (ara part d'ABB) va desenvolupar el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC2 i Bailey Controls els sistemes 1055. Totes aquestes eren aplicacions DDC implementades dins de miniordinadors (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) i connectades a maquinari d'entrada/sortida propietari. D'aquesta manera es va implementar un control continu i per lots sofisticat (per a l'època). Un enfocament més conservador va ser el control de punts de consigna, on els ordinadors de procés supervisaven clústers de controladors de procés analògics. Una estació de treball proporcionava visibilitat del procés mitjançant text i gràfics de caràcters rudimentaris. La disponibilitat d'una interfície gràfica d'usuari completament funcional estava molt lluny.

Desenvolupament

La inclusió de blocs de funcions de control va ser fonamental en el model DCS. Els blocs de funcions van evolucionar a partir de conceptes DDC més primitius del programari "controlat per taules". Una de les primeres formes de realització del programari orientat a objectes, els blocs de funcions eren "blocs" de codi autònoms que emulaven components de control de maquinari analògic i realitzaven tasques essencials per al control de processos, com ara l'execució d'algoritmes PID. Els blocs de funcions continuen sent el mètode de control predominant per als proveïdors de DCS i actualment són compatibles amb tecnologies clau com ara Foundation Fieldbus.

Midac Systems, de Sydney, Austràlia, va desenvolupar un sistema de control digital directe distribuït orientat a objectes el 1982. El sistema central executava 11 microprocessadors que compartien tasques i memòria comuna i es connectaven a una xarxa de comunicació sèrie de controladors distribuïts que executaven dos Z80 cadascun. El sistema es va instal·lar a la Universitat de Melbourne.

La comunicació digital entre controladors distribuïts, estacions de treball i altres elements informàtics (accés peer-to-peer) va ser un dels principals avantatges del DCS. L'atenció es va centrar degudament en les xarxes, que proporcionaven les línies de comunicació tan importants que, per a les aplicacions de processos, havien d'incorporar funcions específiques com el determinisme i la redundància. Com a resultat, molts proveïdors van adoptar l'estàndard de xarxa IEEE 802.4. Aquesta decisió va preparar l'escenari per a l'onada de migracions necessàries quan la tecnologia de la informació va passar a l'automatització de processos i l'IEEE 802.3 en lloc de l'IEEE 802.4 va prevaldre com a LAN de control.

L'era centrada en la xarxa dels anys vuitanta

A la dècada del 1980, els usuaris van començar a veure els DCS com més que un simple control de processos bàsic. Un exemple molt primerenc d'un DCS de control digital directe va ser completat per l'empresa australiana Midac el 1981-82 utilitzant maquinari dissenyat per R-Tec a Austràlia. El sistema instal·lat a la Universitat de Melbourne utilitzava una xarxa de comunicacions en sèrie, connectant els edificis del campus a una sala de control "front end". Cada unitat remota executava dos microprocessadors Z80, mentre que el front end executava onze Z80 en una configuració de processament paral·lel amb memòria comuna paginada per compartir tasques i que podia executar fins a 20.000 objectes de control concurrents.

L'era centrada en les aplicacions dels anys noranta

L'impuls cap a l'obertura durant la dècada del 1980 va guanyar impuls durant la dècada del 1990 amb l'adopció creixent de components informatics comercials estàndard (COTS) i estàndards informàtics. Probablement, la transició més gran que es va dur a terme durant aquest temps va ser el pas del sistema operatiu UNIX a l'entorn Windows. Mentre que l'àmbit del sistema operatiu en temps real (RTOS) per a aplicacions de control continua dominat per variants comercials en temps real d'UNIX o sistemes operatius propietaris, tot el que està per sobre del control en temps real ha fet la transició a Windows.

Sistemes moderns (a partir del 2010)

Els darrers desenvolupaments en DCS inclouen les noves tecnologies següents:

1. Sistemes i protocols sense fil
2. Transmissió remota, registre i historial de dades
3. Interfícies i controls mòbils
4. Servidors web integrats

Cada cop més, i irònicament, els sistemes de control de dades (DCS) s'estan centralitzant a nivell de planta, amb la possibilitat d'iniciar sessió a l'equip remot. Això permet a l'operador controlar tant a nivell d'empresa (macro) com a nivell d'equip (micro), tant dins com fora de la planta, perquè la importància de la ubicació física disminueix a causa de la interconnectivitat, principalment gràcies a l'accés sense fil i remot.