Rozwój sterowników PLC, systemów DCS i układów hybrydowych powoduje, że właściwy dobór układu sterowania jeszcze nigdy nie był tak trudny jak obecnie. W podjęciu właściwej decyzji mogą pomóc odpowiedzi na pytania z siedmiu obszarów tematycznych.
W przeszłości odpowiedź na pytanie: czy dla naszej aplikacji lepszy będzie rozproszony system sterowania (Distributed Control System, DCS), czy sterownik programowalny (Programmable Logic Controller, PLC), nie nastręczała trudności. Zalety i wady obu tych rozwiązań były dobrze znane. W ostatnich jednak latach staje się to zadaniem coraz trudniejszym. Przede wszystkim ze względu na rozwój mikroprocesorów, który przyczynia się do zbliżania się do siebie obu omawianych technologii. Upodabnianie się sterowników PLC i systemów DCS zwiększyło wachlarz możliwości sterowania procesami.
Kiedy system się rozrośnie, może okazać się, że tradycyjny PLC lub DCS nie będzie już dłużej spełniał naszych oczekiwań. W takiej sytuacji wiedza na temat funkcjonalności sterowników PLC i systemów DCS jest niezbędna, aby prawidłowo dobrać odpowiednie rozwiązanie na potrzeby firmy. W niniejszej analizie będziemy używać dużych uogólnień. Oznacza to, że w każdej aplikacji mogą być wyjątki od reguł. Jednakże ogólne zasady zawsze pozostają w mocy.
Na pierwszy rzut oka architektury obu systemów wyglądają podobnie. I takie są? Mają następujące komponenty: urządzenia rozproszone, moduły We/Wy, sterowniki, interfejsy operatora (ang. Human Machine Interface, HMI), system nadzoru i elementy integrujące z systemem zarządzania. Jednakże różnice staną się bardziej widoczne, jeśli rozważymy naturę i wymagania stawiane aplikacji. Dla przykładu, w architekturze systemu DCS dla zapewnienia 100% niezawodności systemu często stosowana jest redundancja modułów We/Wy, kontrolerów, sieci i serwerów HMI. Jednym z bardziej popularnych zastosowań sterowników PLC jest sterowanie rozproszonymi urządzeniami dyskretnymi, takimi jak silniki i napędy. Efektywna praca takiego systemu wymagałaby kontrolera pracującego z dużymi prędkościami (typowo 10 do 20 ms na skan). Poza tym obsługa powinna mieć możliwość kontroli procesu i diagnozy stanu układu w języku, który zna (zazwyczaj jest to język drabinkowy).
Quiz Sterowniki / DCS
Poniższy ?quiz? to jedna z prostych metod, która pomoże w podjęciu decyzji dotyczącej wyboru sterowników PLC lub systemów DCS. Jeśli więcej wskazanych odpowiedzi znajdzie się w lewej kolumnie, wówczas system wymaga zastosowania sterowników PLC. Więcej odpowiedzi po prawej stronie oznacza konieczność wyboru systemu DCS. Jeżeli żadna kolumna nie będzie miała przewagi, aplikacja wymaga podejścia ?hybrydowego?. Oznacza to konieczność zastosowania systemu mającego funkcjonalność obu typów systemów.
Ponieważ PLC i DCS-y nie różnią się zbytnio z technologicznego punktu widzenia, musimy spojrzeć ?poza? technologię. Należy przyjrzeć się ?wbudowanej? w system przez dostawcę wiedzy eksperckiej z danego obszaru działalności. To pozwoli nam lepiej zrozumieć, do jakich procesów przygotowany jest określony system sterowania. W tym celu przygotowaliśmy siedem pytań. Pomogą w zrozumieniu sposobu działania firmy i wymagań stawianych aplikacji.
1. Charakterystyka produkcji
Typowe procesy, dla których przeznaczone były sterowniki PLC, polegały na montażu i/lub produkcji specyficznych elementów. Aplikacje takie obsługują jedną lub większą liczbę maszyn oraz systemy transportujące materiały pomiędzy nimi. Dodatkowo, zazwyczaj możliwe jest wizualne śledzenie cd. na str. 27 poszczególnych elementów w kolejnych etapach procesu produkcji. Sterowanie procesem z natury wymaga wielu operacji logicznych, często z dużymi prędkościami (im szybciej tym większy zysk). Sterowanie tego typu procesami jest też z reguły kombinacją sterowania z wykorzystaniem zarówno sterownika PLC, jak też interfejsu HMI.
Procesy, w których zwykle stosuje się systemy DCS, zazwyczaj polegają na przetwarzaniu surowców. Odbywa się to poprzez reakcje chemiczne lub fizyczne. Instalacje takie mogą być skonstruowane z jednego lub kilku urządzeń przetwarzających połączonych rurami. Jedną z ich kluczowych cech jest fakt, że operator nie widzi produktu, który zazwyczaj znajduje się w zbiornikach. System sterowania zawiera przy tym dużą liczbę prostych i skomplikowanych analogowych pętli regulacji. Dodatkowo zwykle mamy do czynienia z długim czasem skanu układu (100 ms lub więcej). Tego typu instalacje są często automatyzowane z wykorzystaniem systemów DCS. Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest wielkość i rozpiętość aplikacji (w tym m.in. liczbę punktów procesowych). Automatyzowane procesy mogą mieć charakter produkcji wsadowej. Sterowników PLC używa się efektywnie przy prostej produkcji wsadowej. Natomiast systemy DCS stosowane są przy produkcji bardziej skomplikowanej, która wymaga dużej elastyczności oraz zarządzania recepturami.
2. Koszt produktu i przestoju
Jeśli cena pojedynczej sztuki produktu jest relatywnie niska, a/lub przerwy w zasilaniu skutkują jedynie stratami w produkcji (nie powodując przy tym uszkodzeń zainstalowanego sprzętu), wówczas zastosowanie sterowników PLC będzie prawdopodobnie najlepszym rozwiązaniem. Jeśli jednak ceny wykorzystywanych surowców są wysokie, a przerwy w zasilaniu mogą doprowadzić do awarii urządzeń i sytuacji zagrożenia, wtedy powinniśmy stosować systemy DCS. W niektórych procesach chemicznych prawidłowe sterowanie procesem (nawet w stanie ustalonym) jest zadaniem niezwykle istotnym, ponieważ w momencie utrat zasilania może dojść do stężenia produktów w instalacji. Jeśli na przykład w rafinerii wyłączona zostanie krakownica katalityczna, może upłynąć wiele dni, zanim będzie ona mogła ponownie wrócić do pracy. A to oznaczałoby oczywiście ogromne straty dla zakładu.
3. ?Serce? systemu
Zwykle ?sercem? układu sterowania procesem produkcyjnym jest sterownik PLC. To on zawiera wszystkie algorytmy sterowania, które decydują o przemieszczaniu produktu wzdłuż linii montażowej. Interfejs użytkownika sprowadza się zazwyczaj jedynie do panelu operatorskiego lub komputera klasy PC, który dostarcza operatorowi krytyczne dane. W systemach tych wykorzystuje się wprawdzie dane pochodzące z analizy przebiegu procesu, jednak większą wagę przywiązuje się w nich do niezawodności interfejsu HMI. W procesach zmiennych i niebezpiecznych, w których dodatkowo operator nie widzi surowców i produktu, to właśnie interfejs HMI urasta do miana ?serca? systemu. Przy tympodejściu HMI znajduje się w centralnym pomieszczeniu kontroli procesu, jedynym miejscu z kompletnym wglądem w kontrolowany proces.
4. Wymagania wobec operatora
W systemach sterowania ze sterownikami PLC głównym zadaniem operatora jest obsługa sytuacji wyjątkowych. Informacje statusowe i alarmowanie sytuacji wyjątkowych pomaga operatorowi we właściwej obsłudze procesu. W wielu przypadkach może on obsłużyć proces bez interfejsu HMI. Z kolei DCS wymaga od operatora ciągłej interakcji z systemem. W zasadzie im lepiej operator zna proces, tym lepiej i z większą efektywnością będzie mógł nim sterować.
5. Pożądane cechy systemu
Szybkość działania układu sterowania jest jednym z głównych czynników różniących systemy PLC i DCS. Sterowniki PLC przewidziane są do pracy w układach, w których wymagane są szybkie skany, rzędu 10 ms i mniejsze. DCS w większości przypadków nie musi być tak szybki. Czasy próbkowania w poszczególnych pętlach regulacji wynoszą zazwyczaj od 100 do 500 ms. W niektórych przypadkach szybsze czasy próbkowania mogą być wręcz niepożądane, gdyż prowadzą do przedwczesnego zużywania się urządzeń wykonawczych. Dodatkowe koszty redundancji mogą być zasadne w typowym systemie DCS. Najczęściej są jednak nieuzasadnione w systemach wykorzystujących sterowniki PLC. Wyłączenie sterowników PLC w celu rekonfiguracji systemu może nie mieć istotnego wpływu na proces. Po prostu system zazwyczaj nie działa w sposób ciągły, a poza tym może zostać w prosty sposób wystartowany ponownie. Natomiast w systemach DCS zmiany konfiguracji muszą być wykonywane online, ponieważ proces nie może zostać przerwany. Przykładowo, wielki piec pracuje bez przerw od pięciu do siedmiu lat.
6. Wymagany poziom dostosowania systemu do potrzeb klienta
Predefiniowane bloki funkcyjne, standardy, szablony i obszerne biblioteki są tym wszystkim, czego oczekują inżynierzy od systemów DCS. Najwyższy priorytet w systemie DCS ma zawsze niezawodność systemu. Często skutkuje to powstaniem systemu, który oferuje niezliczoną liczbę funkcji zapewniających powtarzalność i niezawodność. Takie podejście skutkuje jednak niemożnością (bez tworzenia dodatkowych modułów) dokonania wielu indywidualnych zmian.
7. Oczekiwania inżyniera
Użytkownicy sterowników PLC oczekują zazwyczaj konfigurowalnych platform złożonych z łatwo programowalnych elementów, co pozwala na szybkie wykonanie zadania. Często inżynierowie oraz integratorzy bez zbędnej zwłoki podciągają rękawy i przystępują do programowania. Narzędzia dostarczane do obsługi sterowników są typowo optymalizowane do łatwiejszego programowania. Poczynając od poszczególnych elementów, a kończąc na ich integracji, co jest bardzo dobrym rozwiązaniem dla małych aplikacji. Z drugiej strony, inżynierowie wykorzystujący systemy DCS są najbardziej efektywni przy projektowaniu aplikacji z góry na dół (przykładając dużą wagę do interfejsu).
Bob Nelson jest menadżerem sprzedaży sterowników PLC a Todd Stauffer menadżerem sprzedaży systemów DCS w Siemens Energy & Automation.
Artykuł pod redakcją dra inż. Pawła Dworaka z Politechniki Szczecińskiej
