DCS = Distributed Control System Rozproszony system sterowania ...

38
DCS = Distributed Control System Rozproszony system sterowania w aspekcie architektury systemu sterowania oraz infrastruktury sprzętowo-programowej sterowania Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski Wykład w ramach przedmiotu Komputerowe systemy sterowania, sem 6, AiR

Transcript of DCS = Distributed Control System Rozproszony system sterowania ...

DCS = Distributed Control System

Rozproszony system sterowania w aspekcie architektury systemu sterowania

oraz infrastruktury sprzętowo-programowej sterowania

Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski

Wykład w ramach przedmiotu Komputerowe systemy sterowania, sem 6, AiR

• 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