Pięciostopniowa piramida narzędzi i technologii automatyki tworzy niejako szkielet pozwalający na opisanie i opanowanie struktur inteligentnych procesów technologicznych oraz zasad umożliwiających ich ulepszanie. Dwa najniższe poziomy tej konstrukcji to: urządzenia/oprzyrządowanie oraz systemy sterowania.
Fundamentem każdego procesu technologicznego są realizujące go urządzenia (sprzęt). Przykładowo, w rafineriach ropy naftowej pierwszymi w kolejności realizacji procesu urządzeniami technologicznymi są pompy, zawory i orurowanie. Zakład odbiera surowce, magazynuje je w dużych zbiornikach, przepompowuje do kolumn rektyfikacyjnych, podgrzewa i rozdziela za pomocą destylacji na poszczególne frakcje – każda frakcja jest następnie przetwarzana w celu usunięcia zanieczyszczeń lub poddawana dalszej destylacji, aby otrzymać inne produkty. Gotowe produkty miesza się z dodatkami lub wysyła do innych zakładów do dalszego przetworzenia.
Podczas pracy rafinerii muszą być monitorowane warunki realizacji procesów technologicznych, zaś operatorzy muszą sterować położeniem zaworów i regulować prędkości obrotowe pomp, aby zapewnić właściwe natężenia przepływu oraz poziomy płynów w zbiornikach w całym systemie. W tym procesie technologicznym niezbędne jest zatem monitorowanie wartości temperatur i ciśnień.
I tu zaczyna się rola oprzyrządowania. Składa się ono z różnych czujników i nadajników, które przekazują dane do systemu sterowania. Status pomp odczytywany jest z napędów o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Drive – VFD) lub rozruszników silników. Dane dotyczące ciśnienia, temperatury i poziomu pochodzą z czujników obiektowych, rozproszonych w różnych lokalizacjach maszyn i linii przetwórczych. Przyrządy te są zwykle połączone przewodowo z programowalnymi sterownikami logicznymi (Programmable Logic Controller – PLC) lub rozproszonym systemem sterowania (Distributed Control System – DCS). Gdy dane z czujników zostaną już pobrane do systemu sterowania, operatorzy mogą zarządzać procesem technologicznym na podstawie informacji o aktualnych warunkach, parametrach pracy maszyn oraz wymaganiach realizacyjnych tego procesu. O ile systemy DCS są popularne w dużych rafineriach, to postęp technologiczny dokonujący się w branży sterowników PLC, zarówno w zakresie sprzętu, jak i oprogramowania (np. redundancja, obiektowo zorientowane języki programowania oraz integracja baz danych), czyni technologię PLC opłacalną do zastosowań w systemach każdej wielkości.
Warstwa druga: systemy sterowania
Drugą warstwę piramidy automatyki stanowi sprzęt umożliwiający operatorom sterowanie procesem technologicznym. W wielu zakładach chodzi o infrastrukturę i elementy rozproszonych systemów sterowania DCS, obsługujących komunikację danych na tzw. poziomie obiektowym. W innych przypadkach łączy się sterowniki PLC z informatycznym systemem nadrzędnym oraz nadzorującym przebieg procesu technologicznego SCADA.
Obecnie systemy DCS i PLC/SCADA są podobne pod względem funkcjonalnym. Automatyzują one pracę urządzeń technologicznych i zapewniają operatorom interfejs programowy do monitorowania i sterowania realizacją procesu technologicznego. Dane dotyczące tego procesu mogą być przechowywane w bazach danych programów archiwizujących lub na serwerach zewnętrznych w tzw. chmurze w celu dalszej ich analizy i sporządzania raportów obejmujących trendy, monitoring czasów przestojów oraz integracji z danymi testowymi kontroli jakości. Postępy technologiczne w systemach PLC/SCADA powodują zbliżanie ich do systemów DCS wraz z ulepszaniem integracji baz danych, standaryzowanej logiki sterowania, grafiki procesowej i redundancji sprzętowej.
Główną różnicę pomiędzy systemami DCS a PLC/SCADA stanowi ich architektura. DCS jest systemem zintegrowanym, zawierającym w jednym pakiecie: sterowniki, wejścia/wyjścia (I/O), program do archiwizacji danych procesowych oraz interfejs operatora. System DCS tworzy zwykle wiele mniejszych lub większych sterowników, obsługujących konkretne urządzenia lub obszary procesu technologicznego. Wielu dostawców oferuje standardowe opcje sterowników i sprzętu I/O, co upraszcza specyfikację systemu. To podejście sprawia, że wdrożenie redundancji zapewniającej spójną realizację procesu staje się sprawą stosunkowo łatwą. Interfejs operatora jest celowo wbudowany bezpośrednio do systemu DCS. Integracja DCS od początku do końca może uprościć rozwijanie tego systemu, w porównaniu do PLC/SCADA.
Sterowniki PLC i systemy SCADA są indywidualnymi komponentami, które muszą być ze sobą zintegrowane jako jeden system. Dostarcza to wielu opcji wyboru sprzętu i oprogramowania w porównaniu do systemu DCS. Można dobrać sterownik PLC i związane z nim wejścia/wyjścia, aby były spełnione specyficzne wymagania procesu technologicznego, przy czym dostępnych jest wiele poziomów funkcjonalności i związanych z nimi kosztów instalacji systemowych. Przy realizacji procesu technologicznego za pomocą PLC zwykle wykorzystuje się jedno lub dwa takie urządzenia do sterowania całym procesem.
System SCADA zapewnia interfejs operatora i może być łatwo zintegrowany ze sterownikami PLC, jeśli pochodzą one od tego samego dostawcy co SCADA.
Podsumowując: system SCADA i sterowniki PLC są dwiema osobnymi jednostkami, wymagającymi osobnego wdrożenia i utrzymania.
Wybór systemu sterowania
Przy wyborze pomiędzy systemem DCS a PLC/SCADA należy rozważyć kilka kwestii. Pierwszą z nich jest całkowity koszt wdrożenia, obejmujący zarówno sam zakup, instalację i integrację, jak też zobowiązania dostawcy dotyczące długoterminowej pracy całego systemu, takie jak szkolenia operatorów i personelu utrzymania ruchu oraz bieżące koszty wsparcia technicznego.
Innym kluczowym czynnikiem jest to, jakie systemy są wykorzystywane w pozostałych zakładach danej firmy. Stosowanie podobnych rozwiązań może zmniejszyć w całym przedsiębiorstwie koszty szkolenia i wsparcia technicznego. Z technicznego punktu widzenia w systemie DCS mogą istnieć komponenty, które są niedostępne w systemie PLC/SCADA i odwrotnie. Bywają one stosunkowo proste, jak w przypadku wstępnie zdefiniowanego szablonu dla specyficznego urządzenia, ale też niekiedy skomplikowane, jak w algorytmach adaptacyjnej optymalizacji procesu w samym sterowniku. W miarę postępu technologicznego kwestia ta ma jednak coraz mniejsze znaczenie przy wyborze pomiędzy dwoma systemami lub nawet specyficznymi dostawcami.
Z perspektywy nietechnicznej dokonanie właściwego wyboru jest także podyktowane przez doświadczenia z przeszłości. Jeśli ktoś pracował już z danym systemem, prawdopodobnie fakt ten wpłynie na jego decyzję. Dobre doświadczenia zwrócą uwagę na konkretne opcje, złe będą skłaniać do ich unikania. Jeśli rozpatrzenie innych kwestii nie pomogło w wyborze, to właśnie ta może być decydująca, bo przy systemach sterowania mających działać wiele lat ważne jest, aby rozpocząć ich wdrażanie od pozytywnego nastawienia kadry inżynierskiej do danego rozwiązania.
Podsumowanie
W większości istniejących fabryk decyzje o wyborze pomiędzy systemem sterowania DCS a PLC/SCADA dawno już podjęto. Ewentualna rozbudowa systemu zwykle obejmie wtedy integrację nowych komponentów z istniejącą już infrastrukturą. Z kolei nowe zakłady będą wymagały wykonania dokładnej analizy, wykazującej stopień przydatności systemu dla realizowanego procesu technologicznego. Niezależnie jednak od typu zainstalowanego systemu sterowania właśnie on tworzy fundament automatyki we współczesnym zakładzie przemysłowym.
Autor: Alex Marcy jest inżynierem, współwłaścicielem i prezesem firmy integratorskiej Corso Systems.
