Sistema de control distribuido

Un sistema de control distribuido (DCS) es un sistema de control computarizado para un proceso o planta generalmente con muchos lazos de control, en el que los controladores autónomos se distribuyen por todo el sistema, pero no hay control de supervisión del operador central. Esto contrasta con los sistemas que utilizan controladores centralizados; ya sea controladores discretos ubicados en una sala de control central o dentro de una computadora central. El concepto DCS aumenta la confiabilidad y reduce los costos de instalación al ubicar las funciones de control cerca de la planta de proceso, con monitoreo y supervisión remotos.

Los sistemas de control distribuido surgieron por primera vez en industrias de procesos críticos de seguridad grandes y de alto valor, y eran atractivos porque el fabricante de DCS suministraría tanto el nivel de control local como el equipo de supervisión central como un paquete integrado, reduciendo así el riesgo de integración del diseño. Hoy en día, la funcionalidad del control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) y los sistemas DCS son muy similares, pero DCS tiende a usarse en grandes plantas de proceso continuo donde es importante una alta confiabilidad y seguridad, y la sala de control no está geográficamente remota.

Estructura

El atributo clave de un DCS es su confiabilidad debido a la distribución del procesamiento de control alrededor de los nodos del sistema. Esto mitiga una falla de un solo procesador. Si falla un procesador, solo afectará una sección del proceso de la planta, a diferencia de una falla de una computadora central que afectaría todo el proceso. Esta distribución de potencia de cómputo local a los racks de conexión de entrada/salida (E/S) de campo también garantiza tiempos de procesamiento de controlador rápidos al eliminar posibles demoras de procesamiento central y de red.

El diagrama adjunto es un modelo general que muestra los niveles funcionales de fabricación utilizando control computarizado.

Refiriéndose al diagrama;

• Nivel 0 contiene los dispositivos de campo como sensores de flujo y temperatura, y elementos de control final, como válvulas de control
• El nivel 1 contiene los módulos de entrada y salida industrializados (I/O), y sus procesadores electrónicos distribuidos asociados.
• El nivel 2 contiene las computadoras de supervisión, que recogen información de los nodos procesadores en el sistema, y proporcionan las pantallas de control del operador.
• El nivel 3 es el nivel de control de la producción, que no controla directamente el proceso, sino que se ocupa de vigilar las metas de producción y vigilancia
• Nivel 4 es el nivel de programación de producción.

Los niveles 1 y 2 son los niveles funcionales de un DCS tradicional, en el que todos los equipos forman parte de un sistema integrado de un único fabricante.

Los niveles 3 y 4 no son estrictamente control de procesos en el sentido tradicional, sino donde se lleva a cabo el control y la programación de la producción.

Puntos técnicos

Los nodos del procesador y las pantallas gráficas del operador están conectados a través de redes patentadas o estándar de la industria, y la confiabilidad de la red aumenta con el cableado de doble redundancia en diversas rutas. Esta topología distribuida también reduce la cantidad de cableado de campo al ubicar los módulos de E/S y sus procesadores asociados cerca de la planta de proceso.

Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, procesan la información y deciden las acciones de control que serán señaladas por los módulos de salida. Las entradas y salidas de campo pueden ser señales analógicas, p. Bucle de corriente de 4–20 mA CC o señales de dos estados que se activan "on" o 'apagado', como contactos de relé o un interruptor de semiconductor.

Los DCS están conectados a sensores y actuadores y usan control de punto de referencia para controlar el flujo de material a través de la planta. Una aplicación típica es un controlador PID alimentado por un caudalímetro y que utiliza una válvula de control como elemento de control final. El DCS envía el punto de ajuste requerido por el proceso al controlador, el cual le indica a una válvula que opere para que el proceso alcance y permanezca en el punto de ajuste deseado. (consulte el esquema de 4–20 mA, por ejemplo).

Las grandes refinerías de petróleo y las plantas químicas tienen varios miles de puntos de E/S y emplean DCS muy grandes. Sin embargo, los procesos no se limitan al flujo de fluidos a través de tuberías y también pueden incluir cosas como máquinas de papel y sus controles de calidad asociados, unidades de velocidad variable y centros de control de motores, hornos de cemento, operaciones mineras, instalaciones de procesamiento de minerales y muchos otros.

Los DCS en aplicaciones de muy alta confiabilidad pueden tener procesadores duales redundantes con "caliente" cambiar en caso de falla, para mejorar la confiabilidad del sistema de control.

Aunque 4–20 mA ha sido el principal estándar de señalización de campo, los sistemas DCS modernos también pueden admitir protocolos digitales de bus de campo, como Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus, PC Link, etc.

Los DCS modernos también admiten redes neuronales y aplicaciones de lógica difusa. Investigaciones recientes se centran en la síntesis de controladores distribuidos óptimos, que optimizan un cierto H-infinito o el criterio de control H 2.

Aplicaciones típicas

Los sistemas de control distribuido (DCS) son sistemas dedicados que se utilizan en procesos de fabricación continuos o por lotes.

Los procesos en los que se puede usar un DCS incluyen:

• Plantas químicas
• Petrochemical (oil) and refineries
• Molinos de púlpito y papel (ver también: sistema de control de calidad QCS)
• Controles y sistemas de centrales eléctricas
• Plantas de energía nuclear
• Sistemas de control ambiental
• Sistemas de gestión del agua
• Plantas de tratamiento de agua
• Plantas de tratamiento de aguas residuales
• Procesamiento de alimentos y alimentos
• Agroquímicos y fertilizantes
• Metal y minas
• Fabricación de automóviles
• Plantas de proceso metalúrgico
• Fabricación farmacéutica
• Plantas de refinado de azúcar
• Aplicaciones agrícolas

Historia

Evolución de las operaciones de control de procesos

El control de procesos de grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control sería desde paneles locales hasta la planta de proceso. Sin embargo, esto requería un gran recurso de mano de obra para atender estos paneles dispersos, y no había una visión general del proceso. El siguiente desarrollo lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. Efectivamente, esta fue la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de niveles de personal más bajos y una visión general más sencilla del proceso. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control y todas las salidas de control automáticas y manuales se transmitían a la planta. Sin embargo, aunque proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible ya que cada lazo de control tenía su propio hardware de controlador y se requería un movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver las diferentes partes del proceso.

Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, fue posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos basados en computadora, alojados en una red de racks de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podrían distribuirse por la planta y comunicarse con la pantalla gráfica en la sala o salas de control. Nació el sistema de control distribuido.

La introducción de DCS permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como bucles en cascada y enclavamientos, y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos de producción. Habilitó el manejo sofisticado de alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como registradores gráficos, permitió que los racks de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los tendidos de cableado, y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado y la producción de la planta. niveles

Orígenes

Las primeras minicomputadoras se utilizaron en el control de procesos industriales desde principios de la década de 1960. La IBM 1800, por ejemplo, fue una de las primeras computadoras que tenía hardware de entrada/salida para recopilar señales de proceso en una planta para la conversión de niveles de contacto de campo (para puntos digitales) y señales analógicas al dominio digital.

El primer sistema informático de control industrial se construyó en 1959 en la refinería Texaco Port Arthur, Texas, con un RW-300 de Ramo-Wooldridge Company.

En 1975, tanto Yamatake-Honeywell como la firma japonesa de ingeniería eléctrica Yokogawa introdujeron sus propios sistemas DCS de producción independiente: TDC 2000 y CENTUM, respectivamente. Bristol, con sede en EE. UU., también presentó su controlador universal UCS 3000 en 1975. En 1978, Valmet presentó su propio sistema DCS llamado Damatic (última generación llamado Valmet DNA). En 1980, Bailey (ahora parte de ABB) presentó el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ahora parte de Emerson Electric) presentó el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ahora también parte de ABB) presentó DCI-4000 (DCI significa Instrumentación de control distribuido).

El DCS surgió en gran medida debido a la mayor disponibilidad de microcomputadoras y la proliferación de microprocesadores en el mundo del control de procesos. Las computadoras ya se habían aplicado a la automatización de procesos durante algún tiempo en forma de control digital directo (DDC) y control de punto de ajuste. A principios de la década de 1970, Taylor Instrument Company (ahora parte de ABB) desarrolló el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC² y Bailey Controls los sistemas 1055. Todas estas fueron aplicaciones DDC implementadas dentro de minicomputadoras (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) y conectadas a hardware propietario de Entrada/Salida. De esta manera se implementó un control sofisticado (para la época) tanto continuo como por lotes. Un enfoque más conservador fue el control de punto de ajuste, donde las computadoras de proceso supervisaban grupos de controladores de proceso analógicos. Una estación de trabajo proporcionó visibilidad en el proceso usando texto y gráficos de caracteres toscos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamente funcional estaba muy lejos.

Desarrollo

Un elemento central del modelo DCS fue la inclusión de bloques de funciones de control. Los bloques de funciones evolucionaron a partir de los primeros conceptos DDC más primitivos de "Table Driven" software. Una de las primeras realizaciones de software orientado a objetos, los bloques de funciones eran "bloques" autónomos. de código que emulaba componentes de control de hardware analógico y realizaba tareas que eran esenciales para el control de procesos, como la ejecución de algoritmos PID. Los bloques de funciones siguen siendo el método de control predominante para los proveedores de DCS y cuentan con el respaldo de tecnologías clave como Foundation Fieldbus en la actualidad.

Midac Systems, de Sydney, Australia, desarrolló un sistema de control digital directo distribuido orientado a objetos en 1982. El sistema central ejecutaba 11 microprocesadores que compartían tareas y memoria común y estaba conectado a una red de comunicación en serie de controladores distribuidos, cada uno con dos Z80. El sistema se instaló en la Universidad de Melbourne.

La comunicación digital entre controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos informáticos (acceso de igual a igual) fue una de las principales ventajas del DCS. La atención se centró debidamente en las redes, que proporcionaron las líneas de comunicación más importantes que, para las aplicaciones de proceso, debían incorporar funciones específicas como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4. Esta decisión sentó las bases para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información pasó a la automatización de procesos y prevaleció IEEE 802.3 en lugar de IEEE 802.4 como LAN de control.

La era centrada en la red de la década de 1980

En la década de 1980, los usuarios comenzaron a ver los DCS como algo más que un simple control de procesos básico. La empresa australiana Midac completó un ejemplo muy temprano de un DCS de control digital directo en 1981–82 utilizando hardware diseñado por R-Tec Australian. El sistema instalado en la Universidad de Melbourne utilizaba una red de comunicaciones en serie, que conectaba los edificios del campus con una sala de control 'front-end'. Cada unidad remota ejecutaba dos microprocesadores Z80, mientras que la interfaz ejecutaba once Z80 en una configuración de procesamiento paralelo con memoria común paginada para compartir tareas y que podía ejecutar hasta 20 000 objetos de control simultáneos.

Se creía que si se podía lograr la apertura y se podían compartir mayores cantidades de datos en toda la empresa, se podrían lograr cosas aún mayores. Los primeros intentos de aumentar la apertura de los DCS dieron como resultado la adopción del sistema operativo predominante en ese momento: UNIX. UNIX y su tecnología de red complementaria TCP-IP fueron desarrollados por el Departamento de Defensa de EE. UU. para la apertura, que era precisamente el problema que las industrias de procesos buscaban resolver.

Como resultado, los proveedores también comenzaron a adoptar redes basadas en Ethernet con sus propias capas de protocolo patentadas. No se implementó el estándar TCP/IP completo, pero el uso de Ethernet hizo posible implementar las primeras instancias de gestión de objetos y tecnología de acceso global a datos. La década de 1980 también fue testigo de los primeros PLC integrados en la infraestructura DCS. También surgieron historiadores de toda la planta para capitalizar el alcance extendido de los sistemas de automatización. El primer proveedor de DCS en adoptar las tecnologías de red Ethernet y UNIX fue Foxboro, quien introdujo el sistema de la Serie I/A en 1987.

La era centrada en las aplicaciones de la década de 1990

El impulso hacia la apertura en la década de 1980 cobró impulso durante la década de 1990 con la mayor adopción de estándares de TI y componentes comerciales estándar (COTS). Probablemente la transición más grande que se llevó a cabo durante este tiempo fue el paso del sistema operativo UNIX al entorno Windows. Si bien el ámbito del sistema operativo en tiempo real (RTOS) para aplicaciones de control sigue dominado por variantes comerciales en tiempo real de UNIX o sistemas operativos propietarios, todo lo que está por encima del control en tiempo real ha hecho la transición a Windows.

La introducción de Microsoft en las capas de escritorio y servidor dio como resultado el desarrollo de tecnologías como OLE para el control de procesos (OPC), que ahora es un estándar de conectividad industrial de facto. La tecnología de Internet también comenzó a dejar su huella en la automatización y en el mundo, y la mayoría de las HMI de DCS admiten la conectividad a Internet. La década de 1990 también fue conocida por las "Fieldbus Wars", donde las organizaciones rivales compitieron para definir lo que se convertiría en el estándar de bus de campo IEC para comunicación digital con instrumentación de campo en lugar de comunicaciones analógicas de 4 a 20 miliamperios. Las primeras instalaciones de bus de campo ocurrieron en la década de 1990. Hacia el final de la década, la tecnología comenzó a desarrollar un impulso significativo, con el mercado consolidado en torno a Ethernet I/P, Foundation Fieldbus y Profibus PA para aplicaciones de automatización de procesos. Algunos proveedores construyeron nuevos sistemas desde cero para maximizar la funcionalidad con bus de campo, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell con Experion & Sistemas Plantscape SCADA, ABB con System 800xA, Emerson Process Management con el sistema de control Emerson Process Management DeltaV, Siemens con SPPA-T3000 o Simatic PCS 7, Forbes Marshall con el sistema de control Microcon+ y Azbil Corporation con el sistema Harmonas-DEO. Se han utilizado técnicas de bus de campo para integrar aplicaciones de monitoreo de condiciones, calidad y máquinas en un DCS con el sistema Valmet DNA.

Sin embargo, el impacto de COTS fue más pronunciado en la capa de hardware. Durante años, el principal negocio de los proveedores de DCS había sido el suministro de grandes cantidades de hardware, en particular, E/S y controladores. La proliferación inicial de DCS requirió la instalación de cantidades prodigiosas de este hardware, la mayoría fabricado desde abajo por proveedores de DCS. Sin embargo, los componentes informáticos estándar de fabricantes como Intel y Motorola hacían que los proveedores de DCS tuvieran un costo prohibitivo para continuar fabricando sus propios componentes, estaciones de trabajo y hardware de red.

Cuando los proveedores hicieron la transición a los componentes COTS, también descubrieron que el mercado de hardware se estaba reduciendo rápidamente. COTS no solo dio como resultado costos de fabricación más bajos para el proveedor, sino que también redujo constantemente los precios para los usuarios finales, quienes también se estaban haciendo cada vez más vociferantes sobre lo que percibían como costos de hardware indebidamente altos. Algunos proveedores que anteriormente eran más fuertes en el negocio de PLC, como Rockwell Automation y Siemens, pudieron aprovechar su experiencia en la fabricación de hardware de control para ingresar al mercado de DCS con ofertas rentables, mientras que la estabilidad/escalabilidad/confiabilidad y funcionalidad de estos emergentes los sistemas siguen mejorando. Los proveedores tradicionales de DCS introdujeron el sistema DCS de nueva generación basado en los últimos estándares de comunicación e IEC, lo que resultó en una tendencia de combinar los conceptos/funcionalidades tradicionales para PLC y DCS en una solución única, denominada "Sistema de automatización de procesos" 34; (PAS). Las brechas entre los diversos sistemas permanecen en áreas tales como: la integridad de la base de datos, la funcionalidad previa a la ingeniería, la madurez del sistema, la transparencia y la confiabilidad de la comunicación. Si bien se espera que la relación de costos sea relativamente la misma (cuanto más poderosos sean los sistemas, más costosos serán), la realidad del negocio de la automatización a menudo opera estratégicamente caso por caso. El próximo paso actual de la evolución se llama Sistemas de Automatización de Procesos Colaborativos.

Para agravar el problema, los proveedores también se dieron cuenta de que el mercado de hardware se estaba saturando. El ciclo de vida de los componentes de hardware, como E/S y cableado, también suele oscilar entre 15 y más de 20 años, lo que lo convierte en un mercado de reemplazo desafiante. Muchos de los sistemas más antiguos que se instalaron en las décadas de 1970 y 1980 todavía están en uso y existe una base considerable de sistemas instalados en el mercado que se acercan al final de su vida útil. Las economías industriales desarrolladas en América del Norte, Europa y Japón ya tenían muchos miles de DCS instalados, y con pocas o ninguna planta nueva en construcción, el mercado de nuevo hardware estaba cambiando rápidamente a regiones más pequeñas, aunque de más rápido crecimiento, como China, América Latina., y Europa del Este.

Debido a la reducción del negocio de hardware, los proveedores comenzaron a realizar la desafiante transición de un modelo de negocio basado en hardware a uno basado en software y servicios de valor agregado. Es una transición que todavía se está haciendo hoy. La cartera de aplicaciones ofrecida por los proveedores se expandió considerablemente en la década de los 90 para incluir áreas como gestión de la producción, control basado en modelos, optimización en tiempo real, gestión de activos de planta (PAM), herramientas de gestión del rendimiento en tiempo real (RPM), gestión de alarmas, y muchos otros. Sin embargo, para obtener el verdadero valor de estas aplicaciones, a menudo se requiere un contenido de servicio considerable, que también brindan los proveedores.

Sistemas modernos (2010 en adelante)

Los últimos desarrollos en DCS incluyen las siguientes nuevas tecnologías:

1. Sistemas y protocolos inalámbricos
2. Transmisión remota, registro e historiador de datos
3. Interfaz y controles móviles
4. Servidores web incorporados

Cada vez más, e irónicamente, los DCS se están centralizando a nivel de planta, con la capacidad de iniciar sesión en el equipo remoto. Esto permite al operador controlar tanto a nivel de empresa (macro) como a nivel de equipo (micro), tanto dentro como fuera de la planta, porque la importancia de la ubicación física disminuye debido a la interconectividad principalmente gracias al acceso inalámbrico y remoto.

Cuanto más se desarrollan y perfeccionan los protocolos inalámbricos, más se incluyen en DCS. Los controladores DCS ahora suelen estar equipados con servidores integrados y proporcionan acceso web sobre la marcha. Queda por ver si DCS liderará el Internet industrial de las cosas (IIOT) o tomará prestados elementos clave.

Muchos proveedores ofrecen la opción de una HMI móvil, lista para Android e iOS. Con estas interfaces, la amenaza de brechas de seguridad y posibles daños a la planta y el proceso ahora son muy reales.