Transformacja cyfrowa systemów sterowania procesami przemysłowymi – DCS oraz SCADA

For. freepik

Tradycyjne rozproszone systemy sterowania (DCS) oraz systemy nadzoru, sterowania i akwizycji danych SCADA mogą zostać ulepszone dzięki wprowadzaniu przemysłowej transformacji cyfrowej. Przyniesie to wiele korzyści firmom przemysłowym.

Nie należy pozwolić, aby początkowe sukcesy, uzyskane dzięki usieciowieniu systemów technologii operacyjnej w przemyśle, zahamowały teraz wprowadzanie innowacji technologicznych w dziedzinie Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) oraz przemysłowej transformacji cyfrowej (DX). Projekty zaawansowanych systemów sterowania, uwzględniające te innowacje, obejmują takie koncepcje jak interoperacyjność, modułowość, zgodność ze standardami i normami, skalowalność oraz przenośność.

Automatyzacja procesów przemysłowych za pomocą systemów DCS i SCADA – trochę historii

Pierwszy na świecie rozproszony system sterowania (DCS) został wprowadzony w przemyśle ponad 40 lat temu. W tamtych czasach systemy automatyki procesowej składały się z samodzielnych komponentów, realizujących funkcje sterowania oraz wizualizacji. Natomiast do sterowania pracą rurociągów i odwiertów często stosowano systemy nadzoru, sterowania i akwizycji danych (SCADA).

Systemy o obydwu architekturach zbierają dane z oprzyrządowania procesowego i odpowiednio reagują, wysyłając sygnały sterujące do elementów wykonawczych. Obydwa rodzaje systemów mogą sterować jednocześnie wieloma pętlami, obsługując złożone procesy technologiczne i produkcji. Ponieważ programowalne sterowniki logiczne (PLC) stały się bardzo zaawansowane technologicznie, to zaczęły być także wykorzystywane jako kontrolery przemysłowe na małą skalę.

Dawniej operatorzy systemów sterowania w zakładach przemysłowych musieli przebywać w zlokalizowanej centralnie sterowni lub „centrum dowodzenia”, ponieważ zdalny dostęp do interfejsów operatorskich (HMI) nie był możliwy. Wszelkie informacje dla innego personelu zakładu niż operatorzy były dostarczane za pomocą raportów, co często powodowało znaczne opóźnienia.

Rys. 1. Wcześniejsze systemy sterowania procesami przemysłowymi (po lewej) były odizolowane i składały się ze sprzętu wyprodukowanego przez wyspecjalizowane firmy. Późniejsze systemy, wykorzystujące znacznie większe sieci informatyczne (po prawej), stały się bardziej złożone i uzyskały większe możliwości. Gdy firma Yokogawa ponad 40 lat temu wprowadziła pierwszy na świecie rozproszony system sterowania (DCS), systemy przemysłowej automatyki procesowej składały się z samodzielnych komponentów realizujących funkcje sterowania i wizualizacji (oznaczenia HIS, FCS czy SCS – wg firmy Yokogawa). | Źródło: Yokogawa

Popularny i powszechnie dostępny sprzęt przychodzi z pomocą przemysłowi

W miarę upływu czasu wykorzystywane w przemyśle urządzenia i oprogramowanie dla systemów sterowania, produkowane w małych ilościach przez wyspecjalizowane firmy, zaczęły ustępować miejsca standardowemu sprzętowi, dostępnemu powszechnie na rynku – głównie komputerom typu PC. Przemysł zyskał dzięki temu nowe mechanizmy, umożliwiające połączenia sieciowe zasobów w zakładach. Dzięki przemysłowym sieciom informatycznym systemy automatyki procesowej mogły być sprzęgane z sieciami biurowymi w zakładach, a potem z Internetem. Umożliwiło to uzyskiwanie dostępu do danych, a nawet rzeczywiste sterowanie z dowolnej lokalizacji na świecie. Odizolowane systemy DCS czy SCADA (Rys. 1 po lewej) stały się częścią większej sieci czasu rzeczywistego (Rys. 1 po prawej), co mogło w końcu doprowadzić do połączenia „wszystkiego ze wszystkim”. To może być punktem wyjściowym rozważań, co pojawi się w dalszej kolejności. Firmy myślące perspektywicznie i mające obawy związane ze wdrażaniem przemysłowych strategii DX muszą przeanalizować, jak ich platformy DCS i SCADA wpisują się w szerszy obraz. Jak te systemy będą spełniać swoje tradycyjne funkcje w bardziej złożonym środowisku, w którym zacierają się granice pomiędzy warstwami w piramidzie automatyki i zaczynają tracić swoją odrębność (Rys. 2)?

Zmiany wprowadzane w przemyśle: konwergencja technologii IT/OT, wirtualizacja systemów informatycznych, analityka danych w chmurze oraz otwarte standardy dla systemów sterowania i automatyki przemysłowej

Wraz z konwergencją technologii IT oraz OT oraz wprowadzaniem technologii wirtualizacji systemów informatycznych wiele aplikacji inżynierskich i programowych przenosi się obecnie do chmury. Wykorzystywanie zaawansowanego oprogramowania w chmurze pozwala systemom sterowania procesami na wykonywanie wstępnego przetwarzania danych na krawędzi sieci (edge computing) oraz odgrywanie roli źródeł danych dla Przemysłowego Internetu Rzeczy. Środowiska oparte o chmurę mogą integrować dane z wielu źródeł i zwiększać dostępność danych, co wspiera analitykę danych oraz podejmowanie decyzji. Wykorzystywanie środowisk w chmurze, technologii IIoT oraz przetwarzania danych na krawędzi sieci wymaga od firm z przemysłu procesowego wykonywania modernizacji swoich starzejących się platform DCS i SCADA. Korzyścią dla firm przemysłowych z transformacji cyfrowej jest bardziej otwarta i cyberbezpieczna architektura oraz konstrukcja systemu sterowania.

NAMUR („User Association of Automation Technology in Process Industries”) to międzynarodowe stowarzyszenie firm z branży automatyki przemysłowej. Stworzyło ono projekt NAMUR Open Architecture (NOA). Natomiast Open Process Automation Forum (OPAF) jest organizacją zrzeszającą użytkowników końcowych, producentów i dostawców, integratorów systemów, organizacje standaryzacyjne oraz wyższe uczelnie. Obecnie NOA i OPAF kierują inicjatywami tworzenia otwartych architektur systemów sterowania i automatyki przemysłowej poprzez odchodzenie od systemów firmowych. Obydwie organizacje opisują, w jaki sposób systemy niezależne od producentów sprzętu i oprogramowania mogą wykorzystywać najnowocześniejszy sprzęt i jego funkcje, co pozwala firmom przemysłowym unikać uzależnienia od konkretnych producentów/dostawców sprzętu. Kluczowe koncepcje OPAF obejmują: interoperacyjność, modułowość, zgodność ze standardami i normami, zgodność ze standardami bezpieczeństwa, skalowalność i przenośność oprogramowania. W ramach NOA niezależna domena o nazwie „monitoring i optymalizacja” (M+O) jest przygotowana niezależnie od istniejącego systemu. Zbiera ona dane bezpośrednio od robotów i dronów oraz nowych czujników: korozji, dźwięku, wibracji oraz innych wielkości, wykorzystywanych w utrzymaniu ruchu. Dane w istniejącym systemie są importowane za pomocą protokołu OPC UA, dlatego zaawansowane sterowania, analityka i diagnostyka mogą być realizowane na obiektach lub w terenie.

Rys. 2. Wraz z rozpowszechnianiem się cyfryzacji w przemyśle oraz konwergencji technologii IT/OT warstwy tradycyjnego modelu referencyjnego architektury przedsiębiorstwa Purdue (Purdue Enterprise Reference Architecture, PERA) stają się w znacznie mniejszym stopniu odrębne. Otwarte platformy mogą wspierać zarówno środowiska DCS, jak i SCADA. | Źródło: Yokogawa

Systemy samouczące się oraz inne nowości technologiczne w sterowaniu procesami przemysłowymi

Systemy DCS i SCADA, wspierane przez wdrażanie transformacji cyfrowej, obecnie ulegają zmianom i ewoluują. Ta podróż do świata cyfrowego dopiero się zaczyna. Stwarza to jednak wyzwania dla firm z branży przemysłu procesowego, szczególnie zastanawiających się nad podjęciem trudnej decyzji o dokonaniu podstawowej modernizacji swoich systemów sterowania. Żaden producent nie będzie bowiem zadowolony z oferty zainstalowania nowego sprzętu, posiadającego te same możliwości co istniejący.

Każdy nowy system sterowania będzie bardziej modułowy, co umożliwi modernizowanie lub wymianę poszczególnych sekcji w razie potrzeby, gdy pojawią się nowe produkty, dające nowe możliwości. Ale to dopiero początek. Automatyka przemysłowa zyska takie możliwości, jakie obecnie można sobie tylko wyobrazić. Systemy DCS uzyskają możliwości samouczenia, dzięki którym będą mogły lepiej rozumieć sterowane przez siebie procesy. To rozwinie możliwość automatycznego wykonywania złożonych funkcji sterowania, takich jak procedury (uruchomienie, stopniowe zmiany itd.) przy minimalnej lub bez interwencji operatora. Fabryki uzyskają redukcję liczby wypadków oraz czasu przestojów wynikających z ludzkich błędów. Jednocześnie będą one funkcjonować na optymalnym poziomie.

Większe usieciowienie systemów będzie wspierało zintegrowane centra operacyjne wraz z dynamicznymi wskazówkami dla operatorów, ułatwionymi przez systemy alarmowe o wysokiej jakości. Ten postęp technologiczny pomoże firmom produkcyjnym w uzyskaniu nowych, wyższych poziomów optymalizacji i bezpieczeństwa systemów. Dynamiczne symulatory w postaci cyfrowych bliźniaków pozwalają operatorom i personelowi kierowniczemu oceniać zmiany warunków operacyjnych poprzez prognozowanie warunków realizacji procesów technologicznych i produkcji.

Te możliwości zostaną uzyskane dzięki otwartym systemom sterowania, wspierającym technologie IIoT oraz operacje w chmurze, w tym protokoły OPC UA i MQTT (message queuing telemetry transport) wraz z innymi informatycznymi protokołami przesyłania danych, takimi jak SNMP (simple network management protocol) oraz ICMP (internet control message protocol).


Kevin Finnan, konsultant ds. transformacji cyfrowej i marketingu przemysłowego w firmie Yokogawa Corporation of America. Wataru Nakagawa, menedżer ds. marketingu produktów dla systemów w firmie Yokogawa Electric Corp.