Un sistema de control distribuido ( DCS ) es un sistema de control computarizado para un proceso o planta, generalmente con muchos bucles de control , en el que los controladores autónomos se distribuyen por todo el sistema, pero no hay un control de supervisión central por parte de un operador. Esto contrasta con los sistemas que utilizan controladores centralizados; ya sean controladores discretos ubicados en una sala de control central o dentro de una computadora central. El concepto de DCS aumenta la confiabilidad y reduce los costos de instalación al localizar 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 las grandes industrias de procesos críticos para la seguridad, de alto valor agregado, y eran atractivos porque el fabricante del DCS suministraba 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 de los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) y DCS es muy similar, pero los DCS tienden a usarse en grandes plantas de proceso continuo donde la alta confiabilidad y seguridad son importantes, y la sala de control no está geográficamente remota. Muchos sistemas de control de máquinas presentan propiedades similares a las de los sistemas de control de plantas y procesos. [1]
El atributo clave de un DCS es su confiabilidad debido a la distribución del procesamiento de control entre los nodos del sistema. Esto mitiga un fallo de un solo procesador. Si un procesador falla, solo afectará a una sección del proceso de la planta, a diferencia de un fallo de una computadora central que afectaría a todo el proceso. Esta distribución de potencia de procesamiento local en los bastidores de conexión de entrada/salida (E/S) de campo también garantiza tiempos de procesamiento rápidos del controlador al eliminar posibles retrasos en la red y en el procesamiento central.
El diagrama adjunto es un modelo general que muestra los niveles de fabricación funcional utilizando control computarizado.
Refiriéndonos al diagrama;
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 que son donde se lleva a cabo el control y la programación de la producción.
Los nodos de 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 mediante el cableado redundante doble 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 procesamiento.
Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, procesan la información y deciden las acciones de control que deben ser señalizadas por los módulos de salida. Las entradas y salidas de campo pueden ser señales analógicas , por ejemplo, un bucle de corriente continua de 4 a 20 mA o señales de dos estados que activan o desactivan el interruptor, como contactos de relé o un interruptor semiconductor.
Los DCS están conectados a sensores y actuadores y utilizan el control de punto de ajuste para controlar el flujo de material a través de la planta. Una aplicación típica es un controlador PID alimentado por un medidor de flujo 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, que ordena a una válvula que funcione de manera 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 plantas químicas tienen varios miles de puntos de E/S y emplean DCS de gran tamaño. Sin embargo, los procesos no se limitan al flujo de fluidos a través de tuberías, sino que también pueden incluir cosas como máquinas de papel y sus controles de calidad asociados, variadores de velocidad y centros de control de motores , hornos de cemento , operaciones mineras , instalaciones de procesamiento de minerales y muchos otros .
Los DCS en aplicaciones de confiabilidad muy alta pueden tener procesadores redundantes duales con conmutación "activa" 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 . Las investigaciones recientes se centran en la síntesis de controladores distribuidos óptimos, que optimizan un determinado criterio de control H-infinito o H 2 . [2] [3]
Los sistemas de control distribuido (DCS) son sistemas dedicados que se utilizan en procesos de fabricación que son continuos u orientados a lotes.
Los procesos en los que se podría utilizar un DCS incluyen:
El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles locales en la planta de proceso. Sin embargo, esto requería una gran cantidad de supervisión humana para atender a 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. En efecto, esto supuso la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de una menor dotación de personal 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 de vuelta a la planta. Sin embargo, aunque proporcionaba un foco de control central, esta disposición era inflexible, ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de controlador, y se requería el movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver diferentes partes del proceso.
Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, fue posible sustituir estos controladores discretos por algoritmos informáticos alojados en una red de bastidores de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podían distribuirse por toda la planta y comunicarse con la pantalla gráfica de la sala o salas de control. Había nacido el sistema de control distribuido.
La introducción de los DCS permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como los bucles en cascada y los interbloqueos, y una fácil interconexión con otros sistemas informáticos de producción. Permitió un manejo sofisticado de las alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como los registradores de gráficos, permitió que los bastidores de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los tendidos de cables, y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado de la planta y los niveles de producción.
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 de Port Arthur, Texas, con un RW-300 de la Ramo-Wooldridge Company. [4]
En 1975, tanto Yamatake-Honeywell [5] como la firma japonesa de ingeniería eléctrica Yokogawa introdujeron sus propios DCS de producción independiente: los sistemas TDC 2000 y CENTUM, respectivamente. Bristol, con sede en EE. UU., también introdujo su controlador universal UCS 3000 en 1975. En 1978, Valmet introdujo su propio sistema DCS llamado Damatic (la última generación denominada Valmet DNA [6] ). En 1980, Bailey (ahora parte de ABB [7] ) introdujo el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ahora parte de Emerson Electric ) introdujo el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ahora también parte de ABB [8] ) introdujo el 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 DC 2 y Bailey Controls los sistemas 1055. Todas estas eran aplicaciones DDC implementadas dentro de minicomputadoras ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP, etc.) y conectadas a hardware de entrada/salida propietario. De esta manera se implementó un control continuo y por lotes sofisticado (para la época). 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 proporcionaba visibilidad del proceso mediante texto y gráficos de caracteres rudimentarios. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamente funcional estaba muy lejos.
Un elemento central del modelo DCS fue la inclusión de bloques de funciones de control. Los bloques de funciones evolucionaron a partir de conceptos DDC más primitivos de software "controlado por tablas". Una de las primeras realizaciones del software orientado a objetos, los bloques de funciones eran "bloques" de código autónomos que emulaban componentes de control de hardware analógicos y realizaban tareas 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 hoy en día están respaldados por tecnologías clave como Foundation Fieldbus [9] .
Midac Systems, de Sydney, Australia, desarrolló en 1982 un sistema de control digital directo distribuido y orientado a objetos. El sistema central ejecutaba 11 microprocesadores que compartían tareas y memoria común y estaban conectados a una red de comunicación en serie de controladores distribuidos, cada uno de los cuales ejecutaba dos Z80. El sistema se instaló en la Universidad de Melbourne. [ cita requerida ]
La comunicación digital entre controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos informáticos (acceso peer to peer) fue una de las principales ventajas del DCS. La atención se centró debidamente en las redes, que proporcionaban las importantísimas líneas de comunicación que, para las aplicaciones de procesos, debían incorporar funciones específicas como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de redes IEEE 802.4. Esta decisión preparó el terreno para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información se trasladó a la automatización de procesos y el IEEE 802.3 en lugar del IEEE 802.4 prevaleció como la red de área local de control.
En la década de 1980, los usuarios comenzaron a considerar los DCS como algo más que un control básico de procesos. Un ejemplo muy temprano de un DCS de control digital directo fue completado por la empresa australiana Midac en 1981-82 utilizando hardware diseñado por R-Tec Australia. El sistema instalado en la Universidad de Melbourne utilizó una red de comunicaciones en serie, conectando los edificios del campus a una sala de control "front-end". Cada unidad remota ejecutaba dos microprocesadores Z80 , mientras que la parte frontal 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 lograba 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 los 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. El estándar TCP/IP completo no se implementó, pero el uso de Ethernet hizo posible implementar las primeras instancias de tecnología de gestión de objetos y 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 tecnologías de redes UNIX y Ethernet fue Foxboro, que introdujo el sistema I/A Series [10] en 1987.
El impulso hacia la apertura en la década de 1980 ganó impulso durante la década de 1990 con la creciente adopción de componentes comerciales listos para usar (COTS) y estándares de TI. Probablemente la mayor transición realizada 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 realizado la transición a Windows.
La introducción de Microsoft en las capas de escritorio y servidor resultó en el desarrollo de tecnologías como OLE para control de procesos (OPC) , que ahora es un estándar de conectividad de facto de la industria. La tecnología de Internet también comenzó a dejar su marca en la automatización y el mundo, con la mayoría de las HMI de DCS que admiten conectividad a Internet. La década de 1990 también fue conocida por las "Guerras de buses de campo", donde las organizaciones rivales compitieron para definir lo que se convertiría en el estándar de bus de campo IEC para la comunicación digital con instrumentación de campo en lugar de comunicaciones analógicas de 4 a 20 miliamperios. Las primeras instalaciones de buses de campo se produjeron en la década de 1990. Hacia fines 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 el bus de campo, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell con los sistemas SCADA Experion y Plantscape , ABB con System 800xA, [11] Emerson Process Management [12] con el sistema de control DeltaV de Emerson Process Management , Siemens con SPPA-T3000 [13] o Simatic PCS 7, [14] Forbes Marshall [15] con el sistema de control Microcon+ y Azbil Corporation [16] con el sistema Harmonas-DEO. Las técnicas de bus de campo se han utilizado para integrar aplicaciones de control de máquinas, accionamientos, calidad y condición en un DCS con el sistema Valmet DNA. [6]
Sin embargo, el impacto de los COTS fue más pronunciado en la capa de hardware. Durante años, el negocio principal 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 mayor parte fabricado desde cero por los proveedores de DCS. Sin embargo, los componentes informáticos estándar de fabricantes como Intel y Motorola hicieron que a los proveedores de DCS les resultara prohibitivo seguir fabricando sus propios componentes, estaciones de trabajo y hardware de red.
A medida que los proveedores hicieron la transición a componentes COTS, también descubrieron que el mercado de hardware se estaba reduciendo rápidamente. COTS no solo resultó en menores costos de fabricación para el proveedor, sino también en una disminución constante de los precios para los usuarios finales, quienes también se mostraban cada vez más expresivos sobre lo que percibían como costos de hardware excesivamente 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/fiabilidad y funcionalidad de estos sistemas emergentes siguen mejorando. Los proveedores tradicionales de DCS introdujeron un sistema DCS de nueva generación basado en las últimas normas de comunicación e IEC, lo que resultó en una tendencia a combinar los conceptos/funcionalidades tradicionales para PLC y DCS en una solución única, llamada " Sistema de automatización de procesos " (PAS). Las brechas entre los diversos sistemas permanecen en áreas como: la integridad de la base de datos, la funcionalidad previa a la ingeniería, la madurez del sistema, la transparencia de la comunicación y la confiabilidad. Si bien se espera que la relación de costos sea relativamente la misma (cuanto más potentes sean los sistemas, más costosos serán), la realidad del negocio de la automatización a menudo opera estratégicamente caso por caso. El siguiente paso de evolución actual 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 estar en el rango de 15 a más de 20 años, lo que hace que el mercado de reemplazo sea un desafío. Muchos de los sistemas más antiguos que se instalaron en los años 1970 y 1980 todavía están en uso hoy en día, y hay una base considerable de sistemas instalados en el mercado que se están acercando 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 como se construían pocas plantas nuevas, el mercado de nuevo hardware se estaba desplazando rápidamente a regiones más pequeñas, aunque de crecimiento más rápido, como China, América Latina y Europa del Este.
Debido a la contracción del negocio de hardware, los proveedores comenzaron a realizar la difícil transición de un modelo de negocio basado en hardware a uno basado en software y servicios de valor añadido. Es una transición que todavía se está realizando hoy en día. La cartera de aplicaciones ofrecida por los proveedores se expandió considerablemente en los años 90 para incluir áreas como la gestión de la producción, el control basado en modelos, la optimización en tiempo real, la gestión de activos de planta (PAM), las herramientas de gestión del rendimiento en tiempo real (RPM), la gestión de alarmas y muchas otras. Sin embargo, para obtener el verdadero valor de estas aplicaciones, a menudo se requiere un contenido de servicio considerable, que los proveedores también proporcionan.
Los últimos avances en DCS incluyen las siguientes nuevas tecnologías:
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 los DCS. Los controladores DCS ahora suelen estar equipados con servidores integrados y brindan acceso web en movimiento. Aún está por verse si los DCS liderarán el Internet industrial de las cosas (IIOT) o tomarán prestados elementos clave de él.
Muchos proveedores ofrecen la opción de una HMI móvil, compatible con Android e iOS . Con estas interfaces, la amenaza de violaciones de seguridad y posibles daños a la planta y al proceso son ahora muy reales.