DCS - rozproszone systemy sterowania

Temat jest bardzo rozległy , zdaję sobie sprawę, że jest trudny i skomplikowany – ja sam od 2007 w głównej mierze skupiłem swoją karierę zawodową na pracy z produktem firmy SIEMENS – SIMATIC PCS7 i temat DCS będę opierać w dużej mierze na tym systemie, ponieważ mam na swoim koncie kilkanaście z sukcesem wykonanych projektów oraz dużą liczbę przeprowadzonych szkoleń z tego zakresu.

Jeżeli nie pracowałeś do tej pory w przemyśle procesowym, to może to być duża nowość. Bo domeną systemów DCS jest właśnie przemysł procesowy. Tam gdzie jest dużo pomiarów analogowych ( przetworniki ciśnienia lub różnicy ciśnień, poziomu, przepływu, temperatury, pH, przewodności, zawartości tlenu i inne), dużo układów automatycznej regulacji, zaworów / przepustnic, czy pomp lub wentylatorów, mieszadeł oraz produkty/media nie są widoczne, czyli transportowane w rurociągach, buforowane lub przechorowywane w zbiornikach to masz do czynienia z popularną procesówką i właśnie do tego doskonale nadaje się DCS. Rozproszone system sterowania najczęściej wybierane są dla:

  • Przemysłu wodno-ściekowego ( oczyszcalnie ścieków, przepompownie) – choćby sławna oczyszczalnia Czajka działa pod kontrolą SIMATIC PCS7,
  • przemysłu energetycznego,
  • spożywczego (mleczarnie, cukrownie)
  • chemicznego,
  •  

DCS nie będzie szczególnie wygodny dla procesów typu automotive, czy procesów maszynowych, które charakteryzują się małą ilością sygnałów analogowych, a dużą ilością sygnałów cyfrowych – zwłaszcza od czujników, czy serwonapędów. Produkt jest widoczny na linii i w odróżnieniu od procesówki stosunkowo niewiele jest układów regulacji, a algorytmy sterowania są bardzo skomplikowane  i przygotowane szablony funkcji sterowania nie będą przydatne, bo każda maszyna lub linia działa inaczej.

Poza wiodącym system SIMATIC PCS7 możecie spotkać inne rozwiązania, jak choćby wymienię tylko kilka:

  • DeltaV lub Ovation od Emerson’a,
  • Freelance, lub 800xa od ABB,
  • Foxboro od Schneider Electric
  • Valmet DNA od Valmet
  • Oraz YOKOGAWA i jej CENTUM

DCS – Distributed Control Systems lub Decentralized Control Systems. Rozproszone systemy sterowania. Systemy sterowania z integrowaną wizualizacją – kompletny system sterowania odpowiedzialny za kontrolowanie i wizualizowanie wszystkich procesów w zakładzie produkcyjnym.
Charakteryzuje się tym, że sterowanie oraz ekrany synoptyczne są umieszczone na stacjach operatorskich znajdujących się  w sterowniach. W takim pomieszczeniu najczęściej znajduje się  kilka stacji operatorskich ( czyli zwykły komputer PC), przy których siedzą operatorzy i są oni odpowiedzialni za kontrolę i prawidłowe sterowanie procesu lub procesów w danym zakładzie produkcyjnym. Przy odpowiednich uprawnieniach i konfiguracji istnieje możliwość nawet podglądu i sterowania całą fabryką z tylko jednego komputera – stacji operatorskiej.

Za proces lub procesy odpowiada sterownik PLC, który w systemie SIMATIC PCS7 nazywany jest stacją automatyki – z angielskiego automation station. Jeżeli chodzi o sam sterownik, to dla produktu SIEMENS’a jest to S7-400, choć istnieje możliwość skorzystania z wersji partej na PC – jednak w ogromnej większości spotkasz się z urządzeniami typu S7-400.

Do stacji automatyki, czyli PLC podobnie jak w klasycznym rozwiązaniu podłącza się wejścia/wyjścia cyfrowe, jak i analogowe, czujniki i przetworniki oraz aktuatory, jak napędy, siłowniki, zawory etc. Sposób komunikacji jest w zasadzie dowolny. Dla PCS7 na poziomie polowych, czyli sieć łącząca czujniki i urządzenia wykonawcze bardzo długo wykorzystywano PROFIBUS DP, jednak 4 rewolucja przemysłowa zmieniła to i od wersji 9 PROFIBUS DP został zastąpiony PROFINETEM. Dla przetworników oraz urządzeń w strefach EX wykorzystuje się PROFIBUS PA lub Foundation Fieldbus.

Z uwagi na fakt, że zakłady produkcyjne w wielu przypadkach zajmują ogromne powierzchnie, wykorzystuje się rozproszone wejścia/wyjścia – inaczej wyspy sygnałowe, to na stację automatyki składa się jedynie moduł zasilacza, CPU oraz moduły komunikacyjne łączące urządzenia polowe.
Wszystkie sterowniki składające się na dany DCS połączone są z sercem systemu sterowania, czyli serwerem, który zbiera i archiwizuje przesyłana ze sterowników do niego dane. Serwer to też zwykły komputer z odpowiednim oprogramowaniem.

Jak to są dane?
między innymi:

  • Dane z analogowych z przetworników pomiarowych – wartości procesowe, wartości zadane
  • Stany wejść / wyjść,
  • Alarmy przekroczenia progów
  • Dane z urządzeń obiektowych oraz ich statusy

Serwer również przesyła rozkazy od operatorów do sterownika, takie jak na przykład zmiana trybu pracy, start / stop lub otwórz zamknij – sterowanie manualne, zmiana progów alarmowych, zmiana nastaw regulatorów etc.

W najprostszym przykładzie serwer może służyć jako stacja operatorska, czyli umożliwi sterownia nie i monitoring procesu.

W większych systemach do serwera lub serwerów podłączone są stacje operatorskie, których zadanie to umożliwienie podglądu i sterowania procesem. Stacje operatorskie nie zapisują i archiwizują danych historycznych. Do tego służy wspomniany przed chwilą serwer lub w bardziej wymagających aplikacjach, gdy istnieje potrzeba szybkiego dostępu do starszych danych – HISTORIAN.

W PCS7 serwery i sterowniki, czyli stacje automatyki, połączone są ze sobą siecią ethernetową zwaną Plant Bus. Nie jest to zwykły Ethernet, ale Industrial Ethernet, czyli ethernet z tymże przeznaczony do warunków przemysłowych, odporny na niekorzystne warunki środowiskowe, takie jak wibracje, zakłócenia elektromagnetyczne, bardziej odporny mechanicznie etc.

Z kolei stacje operatorskie podłączone są tylko do serwerów także poprzez Industrial Ethernet, jednak jest to inna sieć, odseparowana od Plant Bus i zwykło się ją nazywać Terminal Bus – sieć terminalowa, końcowa łącząca terminale, stacje końcowe, czyli stacje operatorskie.

Separacja Plant Bus i Terminal Bus ogranicza ruch sieciowy dla tej pierwszej, co poprawia stabilność i jakość komunikacji między stacjami automatyki ( sterownikami), a serwerami – innymi słowy nie obciążamy niepotrzebnie sieci wymianą danych między stacjami operatorskimi, a serwerami.

O ile serwer jest sercem systemu, to w przypadku konfiguracji, rozruchu, czy wprowadzania zmian najważniejsza jest stacja inżynierska. – engineering station – ES.

ES połączony jest do dwóch wspomnianych sieci Plant Bus (sterowniki i serwery) oraz Terminal Bus (stacje operatorskie i serwer) dzięki czemu mamy możliwość tworzyć i wgrywać projekty/programy do wszystkich elementów systemu, jak sterowniki, serwery, stacje operatorskie, urządzenia polowe, czy inne opcjonalne rozwiązania, jak choćby wspomniany wcześniej Historian.

Innymi słowy ES to taki na stałe podłączony programator, na którym wykonuje się zadania programowania i konfiguracji oraz parametryzacji, a także diagnostyki.

W SIMATIC PCS7 do programowania PLC wykorzystuje się CFC oraz SFC.

CFC – Continous Function Chart – nie będę tego tłumaczyć, bo nikt nie posługuje się polskim tłumaczeniem tylko po prostu jest to Ce-eF-Ce. Są to swego rodzaju arkusze jak w Excel, z tymże bez tabelek – po prostu puste pola, do których przeciąga się/ umieszcza się bloki funkcyjne lub funkcje ( zwykłe FB lub FC z Simatic Managera) i łączy się wejścia i wyjścia za przy pomocy linii, pamiętając o łączeniu sygnałów tego samego typu.

W bibliotekach dostępne są bloki przygotowane przez producenta i w ogromnej ilości przypadków wystarczają do standardowych aplikacji, wymienię choćby bloki:

  • Napędów (start/stop, rewersyjny, falownikowy),
  • Zawory otwórz/zamknij lub regulacyjny, a także motozawór,
  • Regulator PID z wyjściem ciągłym bądź impulsowym,
  • Pomiar cyfrowy lub analogowy,
  • Zadawanie wartości ze stacji operatorskich (wartości analogowe, cyfrowe etc)
  • Blokady – „interloki”

Dostępne są również inne biblioteki wyspecjalizowane w konkretnych gałęziach przemysłu, które można dokupić i zainstalować. Jeżeli nie chcesz wydawać pieniędzy, to możesz sam taki blok napisać w klasycznych językach jak:

  • LAD/FBD,
  • STL,
  • SCL .

Atutem bloków przygotowanych przez producenta jest po pierwsze standard i pewność działania zgodnie z opisem w Helpie. Dzięki temu modernizując system u innego klienta, który korzysta ze standardowych bibliotek wiesz czego się po danym programie spodziewać, nie musisz wgryzać się w kod i zastanawiać się jak to działa i co autor miał na myśli.

Po drugie bloki, które wymagają kontroli ze stacji operatorskiej posiadają stacyjki (faceplate’ty) za pomocą których możliwe jest sterowanie z systemów wizualizacji, które generowane są automatycznie do wizualizacji.

W największym uproszczeniu gdybyś chciał sterować pompą, to wystarczy do CFC wyciągnąć przygotowany szablon, podłączyć wejścia wyjścia po czym skompilować program dla PLC i go wgrać, potem przeprowadzić kompilację i wgranie do serwera i voila – już można sterować pompą z wizualizacji, bo ikonka, która otwiera stacyjkę pompy pojawi się automatycznie na wybranym ekranie synoptycznym.

Poza CFC szeroko wykorzystuje się SFC, czyli sekwencery. Jeżeli miałeś do czynienia kiedyś choćby z S7-Graph lub innym językiem sekwencyjnym, to pewnie kojarzysz, że w krokach programujemy , czy inaczej przypisujemy akcje i wykonujemy ją aż do spełniania odpowiednich warunków umieszczonych w tranzycji, czyli warunku przejścia.

Podobnie jak dla bloków z bibliotek, do SFC generuje się także stacyjki oraz graficzne przedstawienie kroków warunków przejścia z możliwością podglądania, które akcje są aktualnie wykonywane i które warunki są aktualnie spełnione bądź nie.

Właśnie te mechanizmy automatycznego generowania zmiennych do wizualizacji ( tak zwanych tagów), ikonek i powiązanych z nimi stacyjkami, alarmów i archiwów, a na nawet przycisków przełączających ekrany na wizualizacji wprost z projektu w SIMATIC Manager sprawia, że praca jest szybsza, łatwiejsza i odporniejsza na błędy.
To wszystko co oferują DCS’y można oczywiście osiągnąć z wykorzystaniem klasycznego systemu PLC + SCADA, jednak minusem będzie wspomniany wcześniej brak standardu, większy nakład pracy oraz większe zagrożenie popełnienia błędów i wydłużony czas uruchomienia.

Na koniec zostawiłem temat bezpieczeństwa, który jest cechą charakterystyczną rozproszonych systemów sterowania.

Zacznijmy od redundancji, dla które istnieje bardzo duża liczba możliwości i tylko od zasobności portfela zależy, które elementy będą nadmiarowe.

Począwszy od pojedynczego CPU ze zdublowanymi zasilaczami, czy modułami komunikacyjnymi przez zdublowane całe stacje AS, po redundantne serwery, sieci w postaci ringów, a nawet zdublowanych ringów kończąc na redundancji urządzeń obiektowych, jak przetworniki czy napędy.
Dodatkowo systemy typu SAFETY ( te żółte lub z żółtymi etykietami) sprawia, że DCS jest pod względem bezpieczeństwa najbardziej stabilnym systemem.