Wraz z rozwojem automatyki i rosnącą rolą systemów sterowania, coraz więcej gałęzi przemysłu poszukuje rozwiązań DCS (ang. Distributed Control System – rozproszony system sterowania) cechujących się bezpieczeństwem, możliwością decentralizacji i elastycznością. Dla takich odbiorców – do których należy m.in. energetyka – firma Mitsubishi Electric opracowała system sterowania PMSXpro.

Zasadniczo sterowanie w obiekcie, w którym ma miejsce tzw. proces ciągły, może być realizowane na dwa sposoby: poprzez zastosowanie sterowników PLC podłączonych do systemu SCADA lub poprzez system DCS.

Rys. 1. Wraz z rozwojem automatyki i rosnącą rolą systemów sterowania, coraz więcej gałęzi przemysłu poszukuje rozwiązań DCS cechujących się bezpieczeństwem, możliwością decentralizacji i elastycznością

System DCS

W przypadku pracy w oparciu o sterowniki zbierające dane dyskretne, które następnie są przekazywane do monitorującego cały proces systemu SCADA, przerwanie sygnału sterującego jednego z elementów systemu skutkuje zatrzymaniem pętli pomiędzy podukładami i w rezultacie całej produkcji. Można sobie na to pozwolić w przypadku, gdy ponowne uruchomienie produkcji jest stosunkowo łatwe, a jej zatrzymanie nie powoduje wielkich strat. W przypadku DCS ciężar zarządzania procesami zostaje przeniesiony ze sterowników PLC, które stały się elementami wykonawczymi, na systemy informatyczne. Zmiana jednego parametru powoduje zmianę innego lub najczęściej wielu innych elementów składowych całego procesu. Typowymi obszarami, gdzie występują tzw. procesy ciągłe, jest przemysł petrochemiczny i energetyka. Zmiana obciążenia powoduje przesunięcie punktu pracy i zmianę praktycznie wszystkich elementów składowych pracy elektrowni (chłodzenia, ilości paliwa, powietrza dostarczanego do kotła itp.). Dlatego właśnie w przypadku przemysłu energetycznego tak ważne jest zastosowanie systemu sterowania, w którym wszystkie dane z procesu są przekazywane przez moduły wejściowe do poszczególnych sterowników realizujących algorytm regulacji.

Rys. 2. Architektura systemu PMSXpro

PMSXpro – nowy system DCS

Jednym z nowoczesnych systemów DSC jest PMSXpro firmy Mitsubishi Electric. Z rozwiązania tego korzystają już m.in. spalarnie śmieci we Frankfurcie, w Hamm i Iserlohm, elektrociepłownie w Monachium i Frankfurcie czy oczyszczalnie ścieków w Norymberdze, Monachium, Düsseldorfie. Koncepcja Mitsubishi Electric charakteryzuje się wysokim poziomem bezpieczeństwa, przyjazną architekturą oraz elastycznością w użytkowaniu i rozbudowie, czyli cechami, które powinien posiadać efektywny DCS.

Rys. 3. System PMSXpro jest podzielony na niezależne serwery, z których każdy odpowiada za jakąś część procesu

Bezpieczeństwo

Na rynku często pojawiają się informacje o wykryciu nowych „dziur” w systemie Windows. Jest to poważny problem dla administratorów na całym świecie, którzy obarczeni odpowiedzialnością za bezpieczeństwo systemów są zależni od działań producenta lub muszą dokonywać korekt we własnym zakresie. Tak wielkich problemów nie mają administratorzy używający sytemu Linux, a szczególnie jego komercyjnych wersji. Ta myśl przyświecała inżynierom z firmy Mitsubishi Electric, których celem była budowa bezpiecznego i stabilnego systemu klasy DSC. Ponieważ system pracuje w zakładach przemysłowych o wysokich potrzebach bezpieczeństwa, jako system operacyjny wybrano jedną z wersji Linuxa. Dodatkowo zaprojektowano specjalną konstrukcję dla poszczególnych stacji operacyjnych, tak aby w warunkach przemysłowych uzyskać jak największą odporność na uszkodzenia. Każda ze stacji została wyposażona w redundantne zasilanie, twarde dyski (RAID system) i wentylatory chłodzące. Każda z tak przygotowanych stacji może być dodatkowo wyposażona w identyczne urządzenia redundantne, które w przypadku awarii w ułamku sekundy przejmują zadania tych podstawowych. Podczas normalnej pracy aktywna stacja kontroluje proces, a w przypadku wykrycia jakiegokolwiek problemu automatycznie przełącza się na stację pozostającą w trybie standby. To, co w istotny sposób wyróżnia system PMSXpro, to realnie dystrybucyjna architektura fizyczna. Większość spotykanych systemów to najczęściej serwer wpięty w sieć optyczną (najczęściej w ring), do którego są podpięte stacje wykonawcze w postaci sterowników, natomiast architektura podziału na poszczególne podprocesy jest tylko wirtualną maską. Mitsubishi zaprojektowało cały system jako podzielony na poszczególne, niezależne serwery, przydzielane do poszczególnych części procesu (rys. 3). Taka architektura pozwala na zwiększenie bezpieczeństwa w przypadku uszkodzenia głównej drogi komunikacyjnej w postaci optycznego ringu. W standardowych systemach DCS spowoduje to natychmiastową awarię i wyłączenie systemu, natomiast w systemie PMSXpro – tylko zgłoszenie awarii. Poszczególne serwery procesowe będą działać samodzielnie i zbierać wymagane dane do czasu usunięcia usterki. Gdy to nastąpi, dane zostaną zarchiwizowane w centralnym systemie bazy danych. Cały system archiwizacji automatycznie wykonuje kopie zapasowe przechowywane na odseparowanych serwerach z danymi. W przypadku potrzeby ich odzyskania, taki proces uruchamia się automatycznie. Tak skonstruowana architektura ułatwia także wymianę uszkodzonych serwerów. Stacje są identyczne i dlatego wystarczy odpowiednio przenieść systemowy adres IP do nowej stacji, aby móc bez specjalnego przeszkolenia podmienić uszkodzoną jednostkę na nową, a pozostałe czynności konfiguracyjne i uzupełnienie wymaganych danych nastąpi w sposób automatyczny. Taka unifikacja sprzętowa pozwala na ograniczenie kosztów utrzymania systemu w ruchu – wystarczy posiadać jedną dodatkową stację procesową, aby zapewnić szybką i sprawną wymianę w przypadku uszkodzenia dowolnej stacji.

Rys. 4. PMSXpro może być rozbudowywany w architekturze pojedynczej stacji

Elastyczność

Wielu producentów systemów DCS przygotowało swoje rozwiązania planując, że będą one działać tylko w dużych systemach, toteż problematyczna czy wręcz niemożliwa staje się dla nich realizacja mniejszych układów – jedno- czy dwuserwerowych. Drugim trudnym elementem pozostaje koszt takich rozwiązań. Taki problem nie występuje w przypadku systemu PMSXpro, który może być rozbudowywany w architekturze pojedynczej stacji. Dzięki temu system można dowolnie rozbudowywać o kolejne stacje, nie narażając się na bardzo wysokie koszty początkowej instalacji (nie płaci się za docelowy system, tylko za aktualnie używane serwery procesowe). Elastyczność systemu pozwala również na dołączanie jednostek znajdujących się w dużej odległości od siebie i wykorzystywanie dostępnych systemów komunikacji (rys. 5).

Rys. 5. Elastyczność PMSXpro pozwala na dołączanie jednostek znajdujących się w dużej odległości przy wykorzystaniu dostępnych systemów komunikacji

Komunikacja

System PMSXpro pozwala komunikować się także z systemami innych producentów. DCS firmy Mitsubishi Electric umożliwia to m.in. dla protokołów:
• Ethernet Network,
• Profibus DP/PA,
• Modbus TCP/RTU,
• zgodnych z IEC 60870-5-101 i IEC 60870-5-104,
• Siemens H1,
• Mitsubishi-Protocols.
Obecnie standardem jest też możliwość komunikacji z systemami bazodanowymi typu MES czy SAP. System PMSXpro umożliwia komunikację bezpośrednią w ramach software’owych interfejsów takich jak:
• OPC,
• PostgresSQL,
• Oracle Database,
• ODBC (Open Database Connectivity),
• Siemens S7 ISO on TCP RFC1006,
• Siemens S5 Dust 3964 – RK512,
• Philips P8.

Rys. 6. Prawidłowy dobór i optymalizacja systemów kontroli i sterowania to jedno z wyzwań stojących przed współczesnym przemysłem energetycznym

Dokumentacja sytemu została opracowana zgodnie z wymaganiami normy dla systemów energetycznych VGBR170, a programowanie oparto na normie IEC 61131-3. Jest to m.in. jeden z powodów popularności PMSXpro w krajach zachodnich: Anglii, Francji czy Niemczech.

Opracowano na podstawie
materiałów firmy Mitsubishi Electric