Sistema de controle distribuído - Distributed control system

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Um sistema de controle distribuído ( DCS ) é um sistema de controle computadorizado para um processo ou planta geralmente com muitos loops de controle , no qual os controladores autônomos são distribuídos por todo o sistema, mas não há controle de supervisão do operador central. Isso contrasta com os sistemas que usam controladores centralizados; ou controladores discretos localizados em uma sala de controle central ou em um computador central. O conceito DCS aumenta a confiabilidade e reduz os custos de instalação ao localizar funções de controle perto da planta de processo, com monitoramento e supervisão remotos.

Os sistemas de controle distribuído surgiram primeiro em grandes indústrias de processos críticos de segurança e de alto valor, e eram atraentes porque o fabricante de DCS forneceria o nível de controle local e o equipamento de supervisão central como um pacote integrado, reduzindo assim o risco de integração do projeto. Hoje, a funcionalidade dos sistemas SCADA e DCS são muito semelhantes, mas o DCS tende a ser usado em grandes plantas de processo contínuo, onde alta confiabilidade e segurança são importantes e a sala de controle não é geograficamente remota.

Estrutura

Níveis funcionais de uma operação de controle de fabricação

O principal atributo de um DCS é sua confiabilidade devido à distribuição do processamento de controle em torno dos nós do sistema. Isso atenua a falha de um único processador. Se um processador falhar, isso afetará apenas uma seção do processo da planta, ao contrário de uma falha de um computador central que afetaria todo o processo. Essa distribuição de poder de computação local para os racks de conexão de entrada / saída (E / S) de campo também garante tempos de processamento do controlador rápidos, removendo possíveis atrasos na rede e no processamento central.

O diagrama que acompanha é um modelo geral que mostra os níveis funcionais de fabricação usando controle computadorizado.

Referindo-se ao diagrama;

  • O nível 0 contém os dispositivos de campo, como sensores de fluxo e temperatura, e elementos de controle final, como válvulas de controle
  • O nível 1 contém os módulos de entrada / saída (E / S) industrializados e seus processadores eletrônicos distribuídos associados.
  • O nível 2 contém os computadores supervisores, que coletam informações dos nós do processador no sistema e fornecem as telas de controle do operador.
  • O nível 3 é o nível de controle de produção, que não controla diretamente o processo, mas se preocupa em monitorar a produção e monitorar as metas
  • O nível 4 é o nível de programação da produção.

Os níveis 1 e 2 são os níveis funcionais de um DCS tradicional, no qual todos os equipamentos fazem parte de um sistema integrado de um único fabricante.

Os níveis 3 e 4 não são estritamente controle de processo no sentido tradicional, mas onde ocorre o controle da produção e a programação.

Pontos técnicos

Exemplo de uma malha de controle de fluxo contínuo. A sinalização é feita pelos loops de corrente padrão da indústria de 4 a 20 mA e um posicionador de válvula "inteligente" garante que a válvula de controle opere corretamente.

Os nós do processador e os visores gráficos do operador são conectados por redes proprietárias ou padrão da indústria, e a confiabilidade da rede é aumentada pelo cabeamento de redundância dupla em diversas rotas. Essa topologia distribuída também reduz a quantidade de cabeamento de campo, posicionando os módulos de E / S e seus processadores associados perto da planta de processo.

Os processadores recebem informações dos módulos de entrada, processam as informações e decidem as ações de controle a serem sinalizadas pelos módulos de saída. As entradas e saídas de campo podem ser sinais analógicos, por exemplo, loop de corrente CC de 4–20 mA ou sinais de dois estados que ligam ou desligam, como contatos de relé ou uma chave semicondutora.

Os DCSs são conectados a sensores e atuadores e usam o controle de ponto de ajuste para controlar o fluxo de material pela planta. Uma aplicação típica é um controlador PID alimentado por um medidor de vazão e usando uma válvula de controle como o elemento de controle final. O DCS envia o setpoint exigido pelo processo para o controlador que instrui uma válvula a operar de forma que o processo alcance e permaneça no setpoint desejado. (consulte o esquema 4–20 mA, por exemplo).

Grandes refinarias de petróleo e fábricas de produtos químicos têm vários milhares de pontos de E / S e empregam DCS muito grandes. Os processos não se limitam ao fluxo de fluidos através de tubos, no entanto, e também podem incluir coisas como máquinas de papel e seus controles de qualidade associados, unidades de velocidade variável e centros de controle de motores , fornos de cimento , operações de mineração , instalações de processamento de minério e muitos outros .

Os DCSs em aplicações de confiabilidade muito alta podem ter processadores redundantes duplos com comutação "quente" em caso de falha, para aumentar a confiabilidade do sistema de controle.

Embora 4–20 mA tenha sido o principal padrão de sinalização de campo, os sistemas DCS modernos também podem suportar protocolos digitais fieldbus , como Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus , PC Link, etc.

Os DCSs modernos também oferecem suporte a redes neurais e aplicativos de lógica difusa . Pesquisas recentes enfocam a síntese de controladores distribuídos ótimos, que otimizam um certo H-infinito ou o critério de controle H 2.

Aplicações típicas

Os sistemas de controle distribuído (DCS) são sistemas dedicados usados ​​em processos de manufatura contínuos ou orientados por lote.

Os processos onde um DCS pode ser usado incluem:

História

Uma sala de controle central da era pré-DCS. Embora os controles sejam centralizados em um lugar, eles ainda são discretos e não integrados em um sistema.
Uma sala de controle DCS onde as informações e controles da planta são exibidos em telas gráficas de computador. Os operadores estão sentados, pois podem visualizar e controlar qualquer parte do processo em suas telas, enquanto mantêm uma visão geral da planta.

Evolução das operações de controle de processo

O controle do processo de grandes plantas industriais evoluiu em vários estágios. Inicialmente, o controle seria dos painéis locais para a planta de processo. No entanto, isso exigia um grande recurso de mão de obra para atender a esses painéis dispersos e não havia uma visão geral do processo. O próximo desenvolvimento lógico foi a transmissão de todas as medições da planta para uma sala de controle central permanentemente operada. Efetivamente, essa foi a centralização de todos os painéis localizados, com as vantagens de níveis de tripulação mais baixos e visão mais fácil do processo. Freqüentemente, os controladores ficavam atrás dos painéis da sala de controle e todas as saídas de controle automático e manual eram transmitidas de volta à planta. No entanto, embora fornecesse um foco de controle central, esse arranjo era inflexível, pois cada loop de controle tinha seu próprio hardware de controlador e o movimento contínuo do operador dentro da sala de controle era necessário para visualizar diferentes partes do processo.

Com o advento dos processadores eletrônicos e displays gráficos, tornou-se possível substituir esses controladores discretos por algoritmos baseados em computador, hospedados em uma rede de racks de entrada / saída com seus próprios processadores de controle. Eles podem ser distribuídos pela planta e se comunicar com o display gráfico na sala ou salas de controle. O sistema de controle distribuído nasceu.

A introdução dos DCSs permitiu a fácil interconexão e reconfiguração dos controles da planta, como loops e intertravamentos em cascata, e fácil interface com outros sistemas de computador de produção. Ele habilitou o manuseio sofisticado de alarmes, introduziu o registro automático de eventos, removeu a necessidade de registros físicos, como gravadores gráficos, permitiu que os racks de controle fossem conectados em rede e, assim, localizados localmente para a planta para reduzir o cabeamento, e forneceu visões gerais de alto nível do status da planta e da produção níveis.

Origens

Os primeiros minicomputadores eram usados ​​no controle de processos industriais desde o início da década de 1960. O IBM 1800 , por exemplo, foi um dos primeiros computadores que tinha hardware de entrada / saída para reunir sinais de processo em uma planta para conversão de níveis de contato de campo (para pontos digitais) e sinais analógicos para o domínio digital.

O primeiro sistema de computador de controle industrial foi construído em 1959 na refinaria Texaco Port Arthur, Texas, com um RW-300 da Ramo-Wooldridge Company.

Em 1975, tanto a Honeywell quanto a empresa japonesa de engenharia elétrica Yokogawa lançaram seus próprios DCSs produzidos independentemente - sistemas TDC 2000 e CENTUM, respectivamente. A Bristol, sediada nos Estados Unidos, também lançou seu controlador universal UCS 3000 em 1975. Em 1978, a Valmet lançou seu próprio sistema DCS, denominado Damatic (última geração denominado Valmet DNA). Em 1980, Bailey (agora parte da ABB) introduziu o sistema NETWORK 90, Fisher Controls (agora parte da Emerson Electric ) introduziu o sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (agora também parte da ABB) introduziu DCI-4000 (DCI significa Distribuído Instrumentação de controle).

O DCS surgiu em grande parte devido ao aumento da disponibilidade de microcomputadores e à proliferação de microprocessadores no mundo do controle de processos. Os computadores já haviam sido aplicados à automação de processos por algum tempo na forma de controle digital direto (DDC) e controle de ponto de ajuste. No início dos anos 1970, a Taylor Instrument Company (agora parte da ABB) desenvolveu o sistema 1010, Foxboro o sistema FOX1, Fisher Controls o sistema DC 2 e Bailey Controls os sistemas 1055. Todos esses eram aplicativos DDC implementados em minicomputadores ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP etc.) e conectados a hardware de entrada / saída proprietário. Sofisticado (para a época), tanto o controle contínuo quanto o de lote foram implementados dessa forma. Uma abordagem mais conservadora era o controle de ponto de ajuste, em que computadores de processo supervisionavam clusters de controladores de processo analógicos. Uma estação de trabalho forneceu visibilidade do processo usando texto e gráficos de personagens rudimentares. A disponibilidade de uma interface gráfica de usuário totalmente funcional estava longe.

Desenvolvimento

Central para o modelo DCS foi a inclusão de blocos de função de controle. Os blocos de funções evoluíram a partir de conceitos DDC mais primitivos de software "Orientado a Tabela". Uma das primeiras modalidades de software orientado a objeto, os blocos de função eram "blocos" autocontidos de código que emulavam componentes de controle de hardware analógico e realizavam tarefas essenciais para o controle de processo, como a execução de algoritmos PID. Os blocos de funções continuam a resistir como o método predominante de controle para fornecedores DCS e são suportados por tecnologias-chave, como Foundation Fieldbus hoje.

Midac Systems, de Sydney, Austrália, desenvolveu um sistema de controle digital direto distribuído orientado a objetos em 1982. O sistema central executou 11 microprocessadores compartilhando tarefas e memória comum e conectado a uma rede de comunicação serial de controladores distribuídos, cada um executando dois Z80s. O sistema foi instalado na Universidade de Melbourne.

A comunicação digital entre controladores distribuídos, estações de trabalho e outros elementos de computação (acesso ponto a ponto) era uma das principais vantagens do DCS. As atenções foram devidamente centradas nas redes, que forneceram as tão importantes linhas de comunicação que, para aplicações de processos, deviam incorporar funções específicas como determinismo e redundância. Como resultado, muitos fornecedores adotaram o padrão de rede IEEE 802.4. Esta decisão preparou o terreno para a onda de migrações necessárias quando a tecnologia da informação mudou para a automação de processos e IEEE 802.3 em vez de IEEE 802.4 prevaleceu como a LAN de controle.

A era centrada em rede da década de 1980

Na década de 1980, os usuários começaram a ver os DCSs como mais do que apenas um controle de processo básico. Um dos primeiros exemplos de DCS de controle digital direto foi concluído pela empresa australiana Midac em 1981–82 usando hardware R-Tec desenvolvido pela Austrália. O sistema instalado na Universidade de Melbourne usou uma rede de comunicação serial, conectando os prédios do campus a uma "interface" da sala de controle. Cada unidade remota executou dois microprocessadores Z80 , enquanto o front end executou onze Z80s em uma configuração de processamento paralelo com memória comum paginada para compartilhar tarefas e que poderia executar até 20.000 objetos de controle simultâneos.

Acreditava-se que se a abertura pudesse ser alcançada e maiores quantidades de dados pudessem ser compartilhados por toda a empresa, coisas ainda maiores poderiam ser alcançadas. As primeiras tentativas de aumentar a abertura dos DCSs resultaram na adoção do sistema operacional predominante da época: o UNIX . O UNIX e sua tecnologia de rede complementar TCP-IP foram desenvolvidos pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos para a abertura, que era precisamente o problema que as indústrias de processo estavam procurando resolver.

Como resultado, os fornecedores também começaram a adotar redes baseadas em Ethernet com suas próprias camadas de protocolo proprietário. O padrão TCP / IP completo não foi implementado, mas o uso de Ethernet possibilitou a implementação das primeiras instâncias de gerenciamento de objetos e tecnologia de acesso global a dados. A década de 1980 também testemunhou os primeiros PLCs integrados à infraestrutura DCS. Historiadores de toda a fábrica também surgiram para capitalizar o alcance estendido dos sistemas de automação. O primeiro fornecedor de DCS a adotar tecnologias de rede UNIX e Ethernet foi a Foxboro, que lançou o sistema I / A Series em 1987.

A era centrada em aplicativos da década de 1990

A unidade em direção à abertura em 1980 ganhou impulso na década de 1990 com o aumento da adoção de off-the-shelf comercial (COTS) componentes e padrões de TI. Provavelmente, a maior transição realizada durante esse tempo foi a mudança do sistema operacional UNIX para o ambiente Windows. Embora o domínio do sistema operacional em tempo real ( RTOS ) para aplicativos de controle permaneça dominado por variantes comerciais em tempo real do UNIX ou sistemas operacionais proprietários, tudo acima do controle em tempo real fez a transição para o Windows.

A introdução da Microsoft nas camadas de desktop e servidor resultou no desenvolvimento de tecnologias como OLE para controle de processo (OPC) , que agora é um padrão de conectividade da indústria de fato. A tecnologia da Internet também começou a deixar sua marca na automação e no mundo, com a maioria dos DCS HMI suportando conectividade com a Internet. A década de 1990 também foi conhecida pelas "Guerras do Fieldbus", onde organizações rivais competiram para definir o que se tornaria o padrão fieldbus IEC para comunicação digital com instrumentação de campo em vez de comunicações analógicas de 4 a 20 miliamperes. As primeiras instalações de fieldbus ocorreram na década de 1990. No final da década, a tecnologia começou a desenvolver um impulso significativo, com o mercado consolidado em torno de Ethernet I / P, Foundation Fieldbus e Profibus PA para aplicações de automação de processos. Alguns fornecedores construíram novos sistemas desde o início para maximizar a funcionalidade com fieldbus, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell com sistemas Experion & Plantscape SCADA , ABB com System 800xA, Emerson Process Management com o sistema de controle Emerson Process Management DeltaV , Siemens com SPPA -T3000 ou Simatic PCS 7 , Forbes Marshall com o sistema de controle Microcon + e Azbil Corporation com o sistema Harmonas-DEO . As técnicas do fieldbus têm sido usadas para integrar máquinas, inversores, aplicativos de monitoramento de qualidade e condição a um DCS com sistema Valmet DNA.

O impacto do COTS, no entanto, foi mais pronunciado na camada de hardware. Durante anos, o principal negócio dos fornecedores de DCS foi o fornecimento de grandes quantidades de hardware, principalmente E / S e controladores. A proliferação inicial de DCSs exigiu a instalação de quantidades prodigiosas desse hardware, a maioria fabricada de baixo para cima por fornecedores de DCS. Componentes de computador padrão de fabricantes como Intel e Motorola, no entanto, tornaram o custo proibitivo para os fornecedores de DCS continuarem fabricando seus próprios componentes, estações de trabalho e hardware de rede.

À medida que os fornecedores faziam a transição para componentes COTS, eles também descobriram que o mercado de hardware estava encolhendo rapidamente. COTS não resultou apenas em custos de fabricação mais baixos para o fornecedor, mas também em preços cada vez mais baixos para os usuários finais, que também estavam se tornando cada vez mais ativos no que consideravam custos de hardware excessivamente altos. Alguns fornecedores que anteriormente eram mais fortes no negócio de PLC , como a Rockwell Automation e a Siemens, foram capazes de alavancar sua experiência em hardware de controle de fabricação para entrar no mercado de DCS com ofertas econômicas, enquanto a estabilidade / escalabilidade / confiabilidade e funcionalidade destes emergentes os sistemas ainda estão melhorando. Os fornecedores DCS tradicionais introduziram o Sistema DCS de nova geração com base nos mais recentes padrões de comunicação e IEC, o que resultou em uma tendência de combinar os conceitos / funcionalidades tradicionais para PLC e DCS em uma solução única - chamada de " Sistema de automação de processos " (PAS) . As lacunas entre os diversos sistemas permanecem em áreas como: integridade do banco de dados, funcionalidade de pré-engenharia, maturidade do sistema, transparência de comunicação e confiabilidade. Embora seja esperado que a relação de custo seja relativamente a mesma (quanto mais poderosos os sistemas, mais caros eles serão), a realidade do negócio de automação costuma operar estrategicamente, caso a caso. A próxima etapa de evolução atual é chamada de Sistemas Colaborativos de Automação de Processos .

Para agravar o problema, os fornecedores também estavam percebendo que o mercado de hardware estava ficando saturado. O ciclo de vida dos componentes de hardware, como E / S e fiação, também está normalmente na faixa de 15 a mais de 20 anos, tornando-se um mercado de reposição desafiador. Muitos dos sistemas mais antigos que foram instalados nas décadas de 1970 e 1980 ainda estão em uso hoje, e há uma base instalada considerável de sistemas no mercado que estão se aproximando do fim de sua vida útil. Economias industriais desenvolvidas na América do Norte, Europa e Japão já tinham muitos milhares de DCSs instalados, e com poucas ou nenhuma nova fábrica sendo construída, o mercado de novo hardware estava mudando rapidamente para regiões menores, embora de crescimento mais rápido, como China, América Latina e Europa Oriental.

Por causa do encolhimento dos negócios de hardware, os fornecedores começaram a fazer a transição desafiadora de um modelo de negócios baseado em hardware para um baseado em software e serviços de valor agregado. É uma transição que ainda está sendo feita hoje. O portfólio de aplicativos oferecido pelos fornecedores se expandiu consideravelmente nos anos 90 para incluir áreas como gerenciamento de produção, controle baseado em modelo, otimização em tempo real, gerenciamento de ativos de planta (PAM), ferramentas de gerenciamento de desempenho em tempo real (RPM), gerenciamento de alarmes , e muitos outros. Para obter o valor real desses aplicativos, no entanto, muitas vezes requer um conteúdo de serviço considerável, que os fornecedores também fornecem.

Sistemas modernos (2010 em diante)

Os mais recentes desenvolvimentos em DCS incluem as seguintes novas tecnologias:

  1. Sistemas e protocolos sem fio
  2. Transmissão remota , registro e historiador de dados
  3. Interfaces e controles móveis
  4. Servidores da web incorporados

Cada vez mais, e ironicamente, os DCS estão se tornando centralizados no nível da planta, com a capacidade de se conectar ao equipamento remoto. Isso permite que o operador controle tanto no nível da empresa (macro) quanto no nível do equipamento (micro), dentro e fora da planta, porque a importância da localização física diminui devido à interconectividade principalmente graças ao acesso sem fio e remoto.

Quanto mais protocolos sem fio são desenvolvidos e refinados, mais eles são incluídos no DCS. Os controladores DCS agora são frequentemente equipados com servidores incorporados e fornecem acesso à web em trânsito. Ainda não se sabe se a DCS vai liderar a Internet das Coisas Industrial (IIOT) ou emprestar elementos-chave.

Muitos fornecedores oferecem a opção de um HMI móvel, pronto para Android e iOS . Com essas interfaces, a ameaça de violações de segurança e possíveis danos à planta e ao processo agora são muito reais.

Veja também

Referências