ΤΟΥ ΛΕΩΝΙΔΑ ΖΑΪΜΗ*
Η ανάγκη για τον συγκεντρωτικό έλεγχο και πληροφόρηση της παραγωγικής διαδικασίας γεννήθηκε μαζί με την επανάσταση του αυτοματισμού. Η σταδιακή μείωση του ανθρώπινου παράγοντα στην παραγωγή και η αντικατάστασή του με σύνθετους αυτοματισμούς, έφερε την ανάγκη για συστήματα ελέγχου και πληροφόρησης τα οποία θα έδιναν την δυνατότητα της συνολικής επιτήρησης της διαδικασίας παραγωγής. Το πρόβλημα ήταν ιδιαίτερα εμφανές σε μεγάλες εγκαταστάσεις με πολύπλοκες διαδικασίες και πολλαπλά στάδια επεξεργασίας και /η σύνθετα συστήματα παραγωγής.
Κατά την δεκαετία του 60 επιχειρήθηκε η λύση μέσω ενός μεγάλου κεντρικού συστήματος για τον έλεγχο της συνολικής παραγωγικής διαδικασίας ενός εργοστασίου. Σύντομα όμως έγινε αντιληπτό ότι η τακτική αυτή όχι μόνο είναι δύσκολη στην εγκατάσταση, συντήρηση και επέκταση, αλλά είναι και ευάλωτη διότι ένα σφάλμα μπορούσε να προκαλέσει το σταμάτημα ολόκληρου του εργοστασίου.
Η επίλυση του προβλήματος αυτό ώθησε την ανάπτυξη τις δημιουργίας ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου μεγάλων εργοστασίων μέσω ενός δικτύου υπολογιστών που ήταν διαμοιρασμένα στον χώρο της παραγωγής. Λόγω της δικτυακής τους δομής, τα νέα αυτά συστήματα ονομάστηκαν Distributed Control Systems (Διαμοιρασμένο σύστημα ελέγχου) ή κοινώς DCS. Τα διασυνδεόμενα αυτά κατανεμημένα συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων λειτουργούν σαν ένα ενιαίο σύστημα με ενιαία διαχείριση συγκεντρωτική πληροφόρηση και έλεγχο. Τα πρώτα συστήματα DCS εμφανίστηκαν στην δεκαετία του 70 και εξελίχτηκαν ραγδαία κατά την τεχνολογική έκρηξη του 80 και 90.
Περίπου την ίδια περίοδο με τα DCS έκαναν και την εμφάνιση τους τα PLC (Programmable logic controller), η τεχνολογία και η προσέγγιση τους όμως ήταν τελείως διαφορετική από αυτήν των DCS και η χρήση τους ωφελούσε την επίλυση διαφορετικών προβλημάτων. Τα PLC ήταν συστήματα πολύ περιορισμένων δυνατοτήτων. Η χρήσις τους περιορίζονταν στον έλεγχο μεμονωμένων συστημάτων με κύριο σκοπό την αντικατάσταση των κλασικών αυτοματισμών ρελέ. Όταν μάλιστα πρωτοβγήκαν στην αγορά ονομαζόντουσαν ‘ τα έξυπνα ρελέ ’. Τα PLC ήταν αρκετά πιο γρήγορα στην επεξεργασία και πιο ευέλικτα στον προγραμματισμό τους από ανάλογες μονάδες ενός συστήματος DCS, αλλά είχαν περιορισμένη δυνατότητα επέκτασης και διασύνδεσης.
Συγχρόνως με τα παραπάνω, εμφανίστηκαν στην αγορά και τα συστήματα SCADA (Supervisory control and data acquisition). Τα συστήματα αυτά αναπτύχθηκαν με κύριο σκοπό την συλλογή δεδομένων από απόμακρα κέντρα και την διάθεσή τους σε κεντρικά σημεία για πληροφόρηση και έλεγχο. Τα SCADA είχαν αρκετά εκτεταμένη δυνατότητα συλλογής, καταγραφής και απεικόνισης πληροφοριών αλλά υστερούσαν στην δυνατότητα της επεξεργασίας τους για την διαχείριση της διαδικασίας μιας συνολικής παραγωγής.
Η αλματώδης ανάπτυξη των μικροϋπολογιστών και γενικότερα της τεχνολογίας επικοινωνίας και αυτοματισμού έφερε και μεγάλη εξέλιξη στα στις δυνατότητες των PLC. Η εξέλιξη των PLC είναι τέτοια που για πολλούς η διαχωριστική τους γραμμή από τα DCS αρχίζει πλέον να γίνεται δυσδιάκριτη. Τα εξελιγμένα συστήματα PLC/SCADA, έχουν σήμερα την δυνατότητα να διαχειρίζονται αξιόπιστα μεγάλη ποσότητα πληροφοριών, είναι ιδιαιτέρως ευέλικτα, ταχύτατα, έχουν την δυνατότητα επικοινωνίας και διασύνδεσης μεταξύ τους και με μεγάλη ποικιλία δικτύων και συσκευών.
Κατά την δεκαετία του 90, οι κατασκευαστές των συστημάτων DCS είδαν την αγορά τους να πολιορκείται από λύσεις ολοκληρωμένες βασισμένες σε συστήματα PLC και SCADA. Στην προσπάθειά τους να κρατήσουν μέρος της αγοράς κυρίως στις μικρότερες εφαρμογές ανέπτυξαν τα Mini DCS συστήματα τα οποία είναι βασισμένα στην φιλοσοφία του DCS αλλά πιο περιορισμένα σε δυνατότητες. Η προσπάθεια αυτή όμως δεν είχε την αναμενόμενη επιτυχία κυρίως λόγω της διαφοράς τιμής των νέων αυτών συστημάτων από τα συστήματα απαρτιζόμενα από PLC/SCADA.
Σήμερα δεν υπάρχουν πλέον οι τεράστιες διάφορες μεταξύ των PLC, SCADA και των DCS που υπήρχαν παλαιοτέρα . Παρόλα αυτά, η βασική διάφορα της φιλοσοφίας των δυο λύσεων καθορίζει και την αγορά στην οποία απευθύνονται.
Τα DCS συστήματα προσεγγίζουν τον συνολικό έλεγχο και πληροφόρηση μιας εκτεταμένης εγκατάστασης με κύριο άξονα την παραγωγική διαδικασία των/του προϊόντος του εκάστοτε εργοστάσιου. Ως εκ τούτου προσφέρουν λύσεις για την συλλογή μεγάλου αριθμού δεδομένων, την επεξεργασία τους με περίπλοκους αλγόριθμους ελέγχου και προστασίας σε διάφορα επίπεδα αλλά και την διασφάλιση της συνεχούς λειτουργίας του ίδιου συστήματος (redundancy) έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η εν γένει λειτουργία του εργοστάσιου. Η φιλοσοφία στην αρχιτεκτονική του λογισμικού ενός DCS έχει βασικό προσανατολισμό την παραγωγή. Κοιτάζει την υπό έλεγχο παραγωγή σαν το κέντρο του κόσμου και στην απεικόνιση του συστήματος και αποδίδει στους χρήστες επεξεργασμένες πληροφορίες σχετικές με την παραγωγή. Η εξειδίκευση αυτή αναγκάζει τα DCS συστήματα να είναι πιο αργά από τα PLC αλλά και πιο κλειστά σε δυνατότητες διασύνδεσης με αλλά συστήματα, υποσυστήματα και την ανταλλαγή πληροφοριών μέσω κοινών δικτυακών συστημάτων.
Τα DCS συστήματα απαρτίζονται συνήθως από ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου, το οποίον είναι συνδεδεμένο με όλα τα σημεία τις εγκατάστασης που καλείται να επιτηρήσει μέσω τοπικών ελεγκτών και άλλων υποσυστημάτων όπως :
• Μονάδες περισυλλογής πρωτογενών δεδομένων (Ι/Ο) όπως ψυχρές επαφές η αναλογικές μετρήσεις. Πέρα από την απλή περισυλλογή και μετάδοση των δεδομένων, οι μονάδες αυτές συνήθως παρέχουν και μια αυτόνομη λογική για μια πρωτογενή επεξεργασία των σημάτων. • Μικρο-ελεγκτές που ελέγχουν συγκεκριμένα συστήματα (π.χ. ρυθμιστής στροφών, ελεγκτής μιας αυτόνομης παραγωγικής διαδικασίας, σύστημα ελέγχου οξύτητας – pH- πρώτης ύλης παραγωγής κλπ.)
• Δεν είναι λίγες και οι περιπτώσεις που τα DCS διασυνδέονται ακόμη και με PLC που πραγματοποιούν ευρύτερους τοπικούς ελέγχους.
Η επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων σε ένα DCS σύστημα γίνεται συνήθως βάσει μιας ιεραρχικής δομής. Το κεντρικό σύστημα DCS επικοινωνεί με υποσυστήματα τα οποία είναι υπεύθυνα για την επίβλεψη των τοπικών διαδικασιών. Η επικοινωνία αυτή γίνεται μέσω ενός δικού του κυκλώματος ειδικής συνήθως αρχιτεκτονικής βάσει κάποιου ειδικά διατεθειμένο ψηφιακού field Bus.
Μερικές από τις λειτουργικές δυνατότητες και ιδιαιτερότητες ενός DCS συστήματος είναι:
• Επιτρέπει εύκολη και άμεση επικοινωνία σε όλα τα ιεραρχικά σταδία άμεσα με απ’ ευθείας σύνδεση με το ελεγχόμενο σημείο.
• Επιτρέπει την παραμετροποίηση μιας διαδικασίας σε ζωντανό χρόνο από την κονσόλα ελέγχου στο control room (πχ PID tuning) χωρίς να σταματήσει το σύστημα.
• Χρησιμοποιεί συστήματα πολλαπλών εφαρμογών το οποίον επιτρέπει στον χρήστη να ‘τρέχει’ διάφορες εφαρμογές παράλληλα με τις τρέχουσες εργασίες του συστήματος, ενώ συγχρόνως μπορεί να πραγματοποιεί και τοπικούς ελέγχους.
• Έχει ενσωματωμένα διαγνωστικά προγράμματα και προγραμματισμένες απεικονίσεις που αυτόματα επεκτείνονται ή αναβαθμίζονται όταν τροποποιείται η τράπεζα πληροφοριών του συστήματος. Η τράπεζα πληροφοριών είναι κεντρική στο σύστημα και περιλαμβάνει όλες τις πληροφορίες των τοπικών οργάνων ελέγχου
• Έχει γραφικές απεικονίσεις, διαθέτει διαγνωστικά προγράμματα που λειτουργούν on-line, δημιουργεί αυτομάτως τα αναγκαία πληροφοριακά για την ορθή λειτουργία του συγκροτήματος έγγραφα και εκτελεί προγραμματισμένες στρατηγικές. Οι χρήστες εκτελούν στρατηγικές ελέγχου σαν ανεξάρτητες εφαρμογές, με αποτέλεσμα οι αλλαγές στην λογική μέρους του συστήματος ελέγχου να μην επηρεάζει την λειτουργία του υπολοίπου.
Αντιθέτως με τα DCS, τα συστήματα βασισμένα σε PLC και SCADA είναι προσανατολισμένα στην ταχύτατη περισυλλογή και επεξεργασία στοιχείων και πληροφοριών με το κέντρο του κόσμου να είναι η πληροφορία που συλλέγεται. Σαν συστήματα είναι αρκετά πιο γρήγορα και πιο ευέλικτα αλλά δεν διαθέτουν την εξειδίκευση στην παραγωγική διαδικασία ενός DCS. Παρόλο που ένα τέτοιο σύστημα μεριμνά και για την παραγωγική διαδικασία, κύριος στόχος είναι η ταχύτητα απόδοσης ενός αποτελέσματος στον χρήστη και όχι ο έλεγχος της συνολικής διαδικασίας της παραγωγής.
Εκτός από την ταχύτητα, η γενική φιλοσοφία των συστημάτων αυτών είναι η απόλυτη ευελιξία στην διασύνδεση τους με αλλά συστήματα για την ανταλλαγή και την διάθεση δεδομένων. Έτσι παρόλο που ένα σύστημα PLC/SCADA υστερεί στην εξειδίκευση, υπερτερεί στην ταχύτητα και στην ευελιξία της εγκατάστασης.
Τα συστήματα αυτά ονομάζονται από πολλούς ως «υβριδικά» μιας και δεν είναι έτοιμα προϊόντα με δεδομένη δομή και υλικά όπως τα DCS. Λόγω αυτού, η δομή και τα υλικά που χρησιμοποιούνται μπορεί και να διαφέρουν από εγκατάσταση σε εγκατάσταση ανάλογα με τις απαιτήσεις και την ζητούμενη εφαρμογή. Και εδώ όμως η πιο συνήθης δομή είναι ιεραρχική με τοπικά υποσυστήματα περισυλλογής και επεξεργασίας δεδομένων που διασυνδέονται σε ένα κεντρικό SCADA το οποίο και αναλαμβάνει την γενικότερη επιτήρηση της εγκατάστασης. Τα τοπικά αυτά υποσυστήματα είναι συνήθως εγκαταστάσεις PLC (ενδεχόμενος με ένα τοπικό SCADA / HMI) που αναλαμβάνουν τόσο την συλλογή και την πρωτογενή επεξεργασία των δεδομένων όσο και τον έλεγχο της τοπικής διαδικασίας. Η επικοινωνία των PLC μεταξύ τους και με το σύστημα SCADA γίνεται μέσω ανοιχτών βιομηχανικών πρωτοκόλλων (πχ Modbus, Ethernet, κλπ).
Σήμερα, ένα σωστά σχεδιασμένο τέτοιο σύστημα μπορεί να προσφέρει την ίδια εξασφάλιση της διαθεσιμότητας (Redundancy) όπως τα DCS και σχεδόν την ίδια λειτουργικότητα. Ανάμεσα στα πλεονέκτημα του είναι η ταχύτατη «ζωντανή» πληροφόρηση των δεδομένων, γεγονότων και καταστάσεων, η εύκολη διασύνδεση και ενσωμάτωση υφισταμένων συστημάτων αυτοματισμού και ελέγχου και η δυνατότητα του αξιόπιστου έλεγχου της εγκατάστασης από μεγάλες αποστάσεις (remote locations). Η ευελιξία που παρέχεται από τον ελεύτερο προγραμματισμό των PLCs και του SCADA είναι επίσης ένα πλεονέκτημα μιας και μπορεί να παρέχει το απόλυτα επιθυμητό για τον χρήστη αποτέλεσμα. Παρόλα αυτά η χρήση των PLC περιορίζει την εύκολη τροποποίηση της λογικής και των παραμέτρων λειτουργίας μιας παραγωγικής διαδικασίας σε ζωντανό χρόνο.
Έχοντας αναπτύξει τα ως άνω πρέπει να σημειωθεί ότι η απάντηση στο κρίσιμο αυτό ερώτημα «πιο σύστημα είναι το καλύτερο» δεν είναι απλή διότι εξαρτάται από την εφαρμογή. Τα συστήματα DCS είναι εξειδικευμένες ολοκληρωμένες λύσεις με μεγάλη ιστορία και αποδεδειγμένα αποτελέσματα σε εγκαταστάσεις μεγάλου μεγέθους και απαιτήσεων. Τα συστήματα βασισμένα σε PLC και SCADA είναι ενδεχομένως νεότερης τεχνολογίας με μεγαλύτερη ταχύτητα και ευελιξία αλλά δεν έχουν εδραιώσει ακόμα την καταλληλότητα τους στον έλεγχο της διαδικασίας μεγάλων εγκαταστάσεων.
Ως εκ τούτου. είναι γενικώς παραδεκτό ότι το DCS, αν και κατά πολύ ακριβότερο, είναι η μόνη σωστή επιλογή για την συνολική κάλυψη των αναγκών μεγάλων εγκαταστάσεων όπως διυλιστήρια η πολύπλοκες βιομηχανικές εγκαταστάσεις μεγάλης έκτασης όπου και αποσβένει γρήγορα την αξία κτήσεώς του. Αντιθέτως, τα «υβριδικά» συστήματα είναι σχεδόν μονόδρομος σε μικρότερες βιομηχανικές εγκαταστάσεις κυρίως λόγο κόστους αλλά και για την ευελιξία των τεχνοοικονομικών λύσεων που παρέχουν. Παρόλο που υπάρχει και η λύσης των Mini-DCS αυτά πολλές φορές είναι αρκετά ακριβά για την λειτουργία για την οποία ζητούνται. Σε κάθε περίπτωση η σωστή μελέτη των αναγκών και η έρευνα είναι η μόνη εξασφάλιση για την απόκτηση του καλύτερου συστήματος για την εκάστοτε εγκατάσταση.
*Ο κ. Ζαϊμης είναι γενικός διευθυντής της εταιρίας ΜΑS A.E.
