miniatura Un sistema de control distribuït (DCS) és un sistema de control informatitzat per a un procés o planta, generalment amb molts bucles de control, en què els controladors autònoms es distribueixen per tot el sistema, però no hi ha cap control de supervisió per part d'un operador central. Això contrasta amb els sistemes que utilitzen controladors centralitzats; ja siguin controladors discrets ubicats en una sala de control central o dins d'un ordinador central. El concepte DCS augmenta la fiabilitat i redueix els costos d'instal·lació localitzant les funcions de control a prop de la planta de procés, amb monitorització i supervisió remotes.
Els sistemes de control distribuït van sorgir per primera vegada en grans indústries de processos crítics per a la seguretat, d'alt valor, i eren atractius perquè el fabricant del DCS subministrava tant l'equip de control local com l'equip de supervisió central com un paquet integrat, reduint així el risc d'integració del disseny. Avui dia, la funcionalitat dels sistemes de control i adquisició de dades de supervisió (SCADA) i DCS és molt similar, però el DCS tendeix a utilitzar-se en grans plantes de procés continu on l'alta fiabilitat i seguretat és important, i la sala de control no és necessàriament geogràficament remota. Molts sistemes de control de màquines presenten propietats similars a les dels sistemes de control de plantes i processos.
Estructura miniatura|500x500px|Nivells funcionals d'una operació de control de fabricació L'atribut clau d'un DCS és la seva fiabilitat a causa de la distribució del processament de control al voltant dels nodes del sistema. Això mitiga una fallada d'un sol processador. Si un processador falla, només afectarà una secció del procés de la planta, a diferència d'una fallada d'un ordinador central que afectaria tot el procés. Aquesta distribució de la potència de càlcul local als bastidors de connexió d'entrada/sortida (E/S) de camp també garanteix temps de processament ràpids del controlador eliminant possibles retards de xarxa i de processament central.
El diagrama adjunt és un model general que mostra els nivells de fabricació funcionals mitjançant control informatitzat.
Fent referència al diagrama;
El nivell 0 conté els dispositius de camp, com ara sensors de flux i temperatura, i elements de control final, com ara vàlvules de control. El nivell 1 conté els mòduls d'entrada/sortida (E/S) industrialitzats i els seus processadors electrònics distribuïts associats. El nivell 2 conté els ordinadors de supervisió, que recopilen informació dels nodes processadors del sistema i proporcionen les pantalles de control de l'operador. El nivell 3 és el nivell de control de la producció, que no controla directament el procés, però que es preocupa de supervisar la producció i supervisar els objectius. El nivell 4 és el nivell de programació de la producció.
Els nivells 1 i 2 són els nivells funcionals d'un DCS tradicional, en què tots els equips formen part d'un sistema integrat d'un únic fabricant.
Els nivells 3 i 4 no són estrictament control de processos en el sentit tradicional, sinó on es duu a terme el control de la producció i la programació.
Punts tècnics miniatura|Exemple d'un bucle de control de flux continu. La senyalització és segons l'estàndard industrial de bucles de corrent de 4-20 mA i una vàlvula de control "intel·ligent". Els nodes del processador i les pantalles gràfiques de l'operador estan connectats a través de xarxes pròpies o estàndard de la indústria, i la fiabilitat de la xarxa augmenta mitjançant el cablejat de doble redundància a través de diverses rutes. Aquesta topologia distribuïda també redueix la quantitat de cablejat de camp en situar els mòduls d'E/S i els seus processadors associats a prop de la planta de procés.
Els processadors reben informació dels mòduls d'entrada, processen la informació i decideixen les accions de control que han de senyalitzar els mòduls de sortida. Les entrades i sortides de camp poden ser senyals analògics, p. ex. bucle de corrent continu de 4-20 mA o senyals de dos estats que commuten "encès" o "apagat", com ara contactes de relé o un interruptor semiconductor.
Els DCS estan connectats a sensors i actuadors i utilitzen el control del punt de consigna per controlar el flux de material a través de la planta. Una aplicació típica és un controlador PID alimentat per un cabalímetre i que utilitza una vàlvula de control com a element de control final. El DCS envia el punt de consigna requerit pel procés al controlador, que indica a una vàlvula que funcioni de manera que el procés arribi i es mantingui al punt de consigna desitjat. (vegeu esquema de 4-20 mA per exemple).
Les grans refineries de petroli i plantes químiques tenen diversos milers de punts d'E/S i utilitzen DCS molt grans. Tanmateix, els processos no es limiten al flux de fluids a través de canonades i també poden incloure coses com ara màquines de paper i els seus controls de qualitat associats, accionaments de velocitat variable i centres de control de motors, forns de ciment, operacions mineres, instal·lacions de processament de mineral i molts altres.
Els DCS en aplicacions de molt alta fiabilitat poden tenir processadors redundants duals amb commutació "en calent" en cas d'error, per millorar la fiabilitat del sistema de control.
Tot i que 4–20 mA ha estat el principal estàndard de senyalització de camp, els sistemes DCS moderns també poden admetre protocols digitals de bus de camp, com ara Foundation Fieldbus, Profibus, HART, Modbus, PC Link, etc.
Els DCS moderns també admeten xarxes neuronals artificials i aplicacions de lògica difusa. La recerca recent se centra en la síntesi de controladors distribuïts òptims, que optimitzen un cert criteri de control H-infinit o H2.
Aplicacions típiques Els sistemes de control distribuït (DCS) són sistemes dedicats que s'utilitzen en processos de fabricació continus o orientats a lots.
Els processos on es pot utilitzar un DCS inclouen:
Plantes químiques Plantes petroquímiques, refineries, plataformes petrolieres, FPSO i plantes de GNL Fàbriques de pasta i paper (vegeu també: sistema de control de qualitat QCS) Controls de calderes i sistemes de centrals elèctriques Centrals nuclears Sistemes de control ambiental Sistemes de gestió de l'aigua plantes de tractament d'aigua plantes de tractament d'aigües residuals Aliments i processament d'aliments Agroquímics i fertilitzants Metall i mines Fabricació d'automòbils plantes de processos metal·lúrgics fabricació farmacèutica plantes de refinació de sucre Aplicacions agrícoles
Història miniatura|Una sala de control central anterior a l'era DCS. Tot i que els controls estan centralitzats en un sol lloc, encara són discrets i no estan integrats en un sol sistema.
Evolució de les operacions de control de processos El control de processos de les grans plantes industrials ha evolucionat a través de moltes etapes. Inicialment, el control es faria des de panells locals a la planta de procés. Tanmateix, això requeria una gran quantitat de supervisió humana per atendre aquests panells dispersos, i no hi havia una visió general del procés. El següent desenvolupament lògic va ser la transmissió de totes les mesures de la planta a una sala de control central amb personal permanent. Efectivament, això va ser la centralització de tots els panells localitzats, amb els avantatges d'uns nivells de personal més baixos i una visió general més fàcil del procés. Sovint els controladors estaven darrere dels panells de la sala de control, i totes les sortides de control automàtiques i manuals es transmetien de tornada a la planta. Tanmateix, tot i proporcionar un focus de control central, aquesta disposició era inflexible, ja que cada bucle de control tenia el seu propi maquinari de controlador, i es requeria el moviment continu de l'operador dins de la sala de control per veure les diferents parts del procés.
Amb l'arribada dels processadors electrònics i les pantalles gràfiques va ser possible substituir aquests controladors discrets per algoritmes basats en ordinador, allotjats en una xarxa de bastidors d'entrada/sortida amb els seus propis processadors de control. Aquests es podien distribuir per la planta i comunicar-se amb la pantalla gràfica de la sala o sales de control. Així va néixer el sistema de control distribuït. miniatura|Una sala de control DCS on la informació i els controls de la planta es mostren en pantalles gràfiques per ordinador. Els operadors estan asseguts, ja que poden veure i controlar qualsevol part del procés des de les seves pantalles, alhora que mantenen una visió general de la planta. La introducció dels DCS va permetre una fàcil interconnexió i reconfiguració dels controls de planta, com ara bucles en cascada i enclavaments, i una fàcil interfície amb altres sistemes informàtics de producció. Va permetre una gestió sofisticada d'alarmes, va introduir el registre automàtic d'esdeveniments, va eliminar la necessitat de registres físics com ara enregistradors gràfics, va permetre que els bastidors de control es connectessin en xarxa i, per tant, es localitzessin localment a la planta per reduir el cablejat, i va proporcionar visions generals d'alt nivell de l'estat de la planta i els nivells de producció.
Orígens Els primers miniordinadors es van utilitzar en el control de processos industrials des de principis de la dècada de 1960. L'IBM 1800, per exemple, va ser un dels primers ordinadors que tenia maquinari d'entrada/sortida per recopilar senyals de procés en una planta per convertir-los des dels nivells de contacte de camp (per a punts digitals) i senyals analògics al domini digital.
El primer sistema informàtic de control industrial es va construir el 1959 a la refineria Texaco de Port Arthur, Texas, amb un RW-300 de la Ramo-Wooldridge Company.
El 1975, tant Yamatake-Honeywell com l'empresa japonesa d'enginyeria elèctrica Yokogawa van introduir els seus propis DCS produïts de manera independent: els sistemes TDC 2000 i CENTUM, respectivament. L'empresa nord-americana Bristol també va introduir el seu controlador universal UCS 3000 el 1975. El 1978, Valmet va introduir el seu propi sistema DCS anomenat Damatic (l'última generació de Valmet DNAe basada en web). Valmet Distributed Control Systems (Valmet DNAe, Valmet DNA, and Valmet D3) El 1980, Bailey (ara part d'ABB) INFI 90 va introduir el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ara part d'Emerson Electric) va introduir el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ara també part d'ABB) va introduir DCI-4000 (DCI significa Distributed Control Instrumentation).
El DCS va sorgir en gran part a causa de l'augment de la disponibilitat de microordinadors i la proliferació de microprocessadors en el món del control de processos. Els ordinadors ja s'havien aplicat a l'automatització de processos durant un temps en forma de control digital directe (DDC) i control de punts de consigna. A principis dels anys setanta, Taylor Instrument Company (ara part d'ABB) va desenvolupar el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC2 i Bailey Controls els sistemes 1055. Totes aquestes eren aplicacions DDC implementades dins de miniordinadors (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) i connectades a maquinari d'entrada/sortida propietari. D'aquesta manera es va implementar un control continu i per lots sofisticat (per a l'època). Un enfocament més conservador va ser el control de punts de consigna, on els ordinadors de procés supervisaven clústers de controladors de procés analògics. Una estació de treball proporcionava visibilitat del procés mitjançant text i gràfics de caràcters rudimentaris. La disponibilitat d'una interfície gràfica d'usuari completament funcional estava molt lluny.
Desenvolupament