System na bazie sterowników PLC czy rozproszony system sterowania DCS? Kilkuetapowa procedura wyboru może pomóc projektantom fabryk i nabywcom systemów sterowania w identyfikacji takiej technologii automatyki, która będzie najlepiej dopasowana do aplikacji w ich zakładzie przemysłowym.
W dążeniu do zdobycia większego udziału w rynku i nowych obszarów aplikacji producenci programowalnych sterowników logicznych PLC promują ideę łączenia ich z systemami informatycznymi SCADA, nadzorującymi przebieg procesów technologicznych lub produkcyjnych. Taka kombinacja może według nich wykazywać tę samą funkcjonalność co rozproszony system sterowania DCS (Distributed Control System). Połączone siły PLC i SCADA mogą zastąpić system DCS z powodu:
-> zwiększania pamięci i szybkości procesorów (Central Processing Unit – CPU), co umożliwia obsługę większej liczby pętli sterowania;
-> dostarczania większej niezawodności i dostępności, wdrażania redundancji na różnych poziomach, która w zasadzie odzwierciedla poziom redundancji charakterystyczny dla systemów DCS;
-> dodania funkcjonalności zmiennych dzielonych pomiędzy PLC a SCADA, co umożliwia w niektórych przypadkach tworzenie ujednoliconego środowiska inżynierskiego dla sterowników logicznych oraz interfejsów człowiek-maszyna (Human-Machine Interface – HMI).
Jednocześnie producenci systemów DCS próbują chronić swoje udziały w rynku (szczególnie w przemyśle petrochemicznym, gdzie wciąż dominują), rozszerzając swoją działalność na mniej zaawansowane technicznie gałęzie przemysłu, takie jak stacje uzdatniania wody i oczyszczalnie ścieków. Oznacza to, że:
-> podnoszą poprzeczkę dla układów sterujących procesami technologicznymi, dodając zaawansowane technologie sterowania, takie jak sieci neuronowe, sterowanie adaptacyjne lub sterowanie predykcyjne (Model Predictive Control – MPC);
-> zwiększają funkcjonalności sterowania dyskretnego przez stosowanie się do normy IEC 61131-3, opisującej języki programowania dla sterowników PLC;
-> zauważalnie dostosowują ceny swojego sprzętu do cen sterowników PLC najwyższej klasy.
Producenci do pewnego stopnia pozwolili na wymienialność pomiędzy systemami – nie mogą one jednak obsługiwać każdej aplikacji.
Procedura wyboru między systemem na bazie PLC a DCS
Pokazany na rysunku schemat blokowy wprowadza sześcioetapową procedurę wyboru pomiędzy systemem sterowania na bazie sterowników PLC a systemem rozproszonym DCS. Pomaga ona w uzyskaniu odpowiedzi na główne pytanie, która z tych dwóch technologii najlepiej pasuje do danej aplikacji. Każdy etap jest pytaniem, a udzielona odpowiedź powoduje przejście do następnego etapu procedury lub prowadzi do odpowiedzi na pytanie główne. Poniżej opisano szczegółowo każdy z tych etapów.
1. Czy dany proces technologiczny wymaga wdrożenia zaawansowanego sterowania procesami (Advanced Process Control – APC)?
Bez wątpienia większość aplikacji sterowania procesami może być wystarczająco dobrze obsługiwana za pomocą tradycyjnych układów sterowania, wykorzystujących regulatory proporcjonalno-różniczkująco-całkujące PID – lub przez łączenie ich z innymi tradycyjnymi funkcjami automatyki, takimi jak sprzężenie wyprzedzające (feedforward), sterowanie kaskadowe (cascade control), sterowanie z podzielonym zakresem pozycjonowania (split range control) oraz regulacja stosunku dwóch zmiennych (ratio control). Jednak ponieważ zakłady przemysłu przetwórczego wciąż wymagają wyższych poziomów stabilności i minimalizacji zmienności procesów – szczególnie w przypadku problemów ze sterowaniem, obejmujących wiele zmiennych i duże opóźnienia realizacji procesów – stale rośnie zapotrzebowanie na technologie APC, takie jak sieci neuronowe, regulacja adaptacyjna czy sterowanie predykcyjne. Producenci systemów DCS utorowali drogę do integrowania funkcjonalności APC, zaś wykorzystanie sterowników PLC jest ograniczone do tradycyjnych metod sterowania. Jeżeli jakiś proces wymaga jednej lub więcej technologii APC, system DCS staje się wówczas naturalnym wyborem.
2. Ile pętli regulacji zawiera proces?
Sterowniki PLC najwyższej klasy są doskonale przygotowane do obsługiwania wielu pętli sterowania PID oraz realizacji innych funkcji automatyki. Jednak kwestia liczby pętli sterowania obsługiwanych przez sterownik PLC może ograniczyć wykorzystanie tych sterowników jako alternatywy dla systemu DCS w przemyśle przetwórczym.
Pętle sterowania PID zużywają znaczną ilość pamięci i dramatycznie wydłużają czas realizacji programu sterownika PLC. Może to utrudnić skuteczne wykonywanie operacji logicznych przez PLC. Z drugiej strony system DCS jest zaprojektowany tak, aby radził sobie z tym problemem, ponieważ rozdziela on wykonywanie programu sterującego na kilka procesorów i pozwala na udostępnianie informacji kilku procesorom.
Jeśli dostawca sterownika PLC nie potrafi zademonstrować, że urządzenie to może obsługiwać wymaganą liczbę pętli, mając przestrzeń na realizację dyskretnych funkcji logicznych, to odpowiedzią będzie wybór systemu DCS.
3. Czy charakter procesu technologicznego wymaga sterowni?
Szczegółowa wizualizacja procesu technologicznego i częste reakcje operatora stanowią podstawę funkcjonalności systemu sterowania DCS. Zadaniem sterowników PLC jest wykonywanie funkcji logicznych i sekwencjonowanie operacji realizowanych w procesie. Oprogramowanie SCADA/HMI daje możliwość wizualizacji tych samych informacji o procesie, zwykle przy mniejszej ilości szczegółów. Jeśli realizowany proces nie wymaga operatora monitorującego go ze sterowni i reagującego na nieprawidłowości, to wystarczy system ze sterownikami PLC i lokalnymi interfejsami HMI lub montowanymi w panelach komputerami przemysłowymi IPC z oprogramowaniem SCADA. Użycie systemu DCS w takiej sytuacji jest zarówno nieopłacalne, jak i niepraktyczne, o ile odpowiedź na pierwsze dwa pytania procedury wyboru brzmiała NIE. Przykładami takich procesów technologicznych są procesy realizowane przez systemy montowane na płozach (skid mounted systems) lub modułowe (packaged systems).
Jeśli realizowane operacje wymagają pełnego nadzoru ze sterowni, to opłacalnymi opcjami będą zarówno DCS, jak i połączenie PLC-SCADA, nawet gdy istnieje tylko kilka pętli sterowania do obsługiwania.
4. Czy wymagane jest szybkie sterowanie dyskretne?
Jeżeli chodzi o realizację sterowania dyskretnego i logicznego, sterowniki PLC nie mają sobie równych. Modele o wysokich parametrach potrafią bezproblemowo wykonywać w czasie jednej dziesiątej sekundy program obsługujący kilka tysięcy sygnałów wejściowych/wyjściowych (I/O). Dlatego zawsze pojawiają się w systemach wyłączania awaryjnego. W przypadku DCS z kolei nie chodzi o szybkość działania, ponieważ rozwiązanie to koncentruje swoją moc obliczeniową na ciągłej obsłudze pętli sterowania.
Jeśli dany proces technologiczny wymaga szybkiej realizacji, należy wybrać technologię PLC. Jeśli odpowiedź na pytanie pierwsze lub drugie procedury wyboru brzmiała TAK, czyli „system DCS jest koniecznością”, wówczas należy rozważyć dwa oddzielne systemy sterowania: DCS do sterowania procesem i PLC do sterowania systemami związanymi z logiką cyfrową i bezpieczeństwem.
5. Czy proces wymaga częstych modyfikacji?
Zarówno systemy na bazie sterowników PLC, jak i systemy DCS umożliwiają modyfikacje programów, ponowne programowanie, a nawet przywracanie ustawień fabrycznych, aby rozpocząć pracę systemu od początku. Jednak – pomimo że istnieje taka możliwość – wykonywanie tego rodzaju modyfikacji w połączeniu PLC i SCADA może być trudnym zadaniem. W odróżnieniu od systemów DCS, które wykorzystują jedną bazę danych dla zmiennych logicznych, HMI oraz historycznych, zmienne PLC i SCADA zwykle są obsługiwane przez oddzielne bazy danych, czasami za pośrednictwem bazy danych na serwerze OPC. To czyni modyfikowanie logiki lub dodatkowego sprzętu w fabryce zadaniem czasochłonnym. Ponadto zwiększa ryzyko wystąpienia błędów konfiguracyjnych.
Jeżeli proces nie wymaga częstych modyfikacji sprzętu czy logiki, wówczas prawidłowym wyborem będzie system sterowania na bazie PLC. Jeśli zaś wymagane są częste modyfikacje, należy rozważyć system DCS – ale dopiero po odpowiedzi na ostatnie pytanie procedury wyboru.
6. Czy w fabryce pracują osoby, które potrafią modyfikować system sterowania?
W procesie wyboru technologii sterowania koszty sprzętu nie są zazwyczaj rozważane. Większość producentów sterowników PLC i systemów DCS udowodniła, że jeśli chcą, mogą obniżyć ceny dla danych projektów. A koszty te są niezwykle istotne do rozważenia podczas dyskusji nad przyszłymi modyfikacjami systemu sterowania, stanowiąc część tzw. całkowitego kosztu posiadania systemu (Total Cost of Ownership – TCO).
Dostawcy sterowników PLC mieszczą się w biznesowym modelu wspierania partnerów – każdy producent PLC dysponuje integratorami systemów, którzy są dobrze przeszkoleni w zakresie oferowanych przez tę firmę produktów: PLC, SCADA/HMI oraz innych z branży automatyki. Większość producentów DCS oferuje sprzedaż usług inżynierskich oraz integracji systemów. Wynajęcie integratora systemów do realizacji prac związanych z modyfikacją systemu sterowania na bazie PLC może kosztować dziennie nawet o ponad połowę mniej, niż życzą sobie dostawcy systemów DCS za wykonanie tych samych prac.
Formalne szkolenie z obsługi systemu DCS dla personelu fabryki stanowi więc pewien koszt, ale długoterminowo sprawdza się jako bardziej opłacalne i wydajne pod względem efektów działania przeszkolonych pracowników. Jeżeli jednak system DCS rozważany jest głównie ze względu na to, że proces technologiczny będzie wymagał częstych modyfikacji, a personel fabryki nie potrafi im sprostać, to połączenie PLC i SCADA wydaje się bardziej ekonomicznym wyborem.
Uzasadnienie zakupu sterowników
Rozwiązania związane z DCS i PLC rozrastają się w ostatnich latach na wiele podobnych sposobów. Zazwyczaj jednak staranna analiza wymagań każdego realizowanego procesu technologicznego pokazuje obszary, w których jedna technologia automatyki okazuje się lepsza od drugiej w spełnieniu wszystkich bieżących lub przyszłych wymagań.
Autor: Shady Yehia jest założycielem i autorem bloga o sterowaniu (The Control Blog), partnerem CFE Media ds. treści, menedżerem ds. ofertowania sprzętu pomiarowego, produktów z branży automatyki i sterowania oraz usług inżynierskich w firmie zajmującej się integracją systemów procesów technologicznych.
