Пора ли менять DCS на универсальную систему управления?

Что такое универсальная система управления (UCS), и действительно ли она способна заменить распределённые системы управления в будущих задачах по управлению технологическими процессами? Каковы основные преимущества UCS?

Две проблемы современных DCS

Истории распределённой системы управления (DCS) уже почти 50 лет со времени её появления в 1975 году. За это время DCS стала незаменимой автоматизированной системой в обрабатывающей промышленности, обеспечивая оптимизацию точного управления технологическими процессами, повышение безопасности производства и модернизацию за счёт внедрения интеллектуальных и цифровых возможностей.

В эпоху цифрового интеллекта DCS справляется со многими задачами, однако этого уже недостаточно. По мере непрерывного и комплексного развития обрабатывающих отраслей промышленности к системам управления технологическими процессами предъявляются всё более высокие требования к сбору, передаче и обработке больших объёмов полевых данных. Кроме того, такие системы должны обеспечивать высокую точность, надёжность, комплексную интеграцию функций управления и контроля, а также обладать интеллектуальными возможностями. Однако традиционным платформам DCS сложно удовлетворить все эти требования по двум основным причинам:

1. Отсутствие открытости. Каждый производитель жёстко привязывает аппаратную и программную части к собственной системе. Выбрав DCS конкретного производителя, приходится «оставаться с ним до конца», что значительно усложняет обслуживание, модернизацию и управление жизненным циклом оборудования.

2. Плохая совместимость. Стандарты полевой шины в DCS охватывают восемь различных международных спецификаций IEC 61158, из-за чего возникают проблемы совместимости и неизбежные «острова данных».

Кроме того, учитывая потребности пользователей, DCS имеет ограниченные ресурсы для удовлетворения современных цифровых требований по вычислительным мощностям, пропускной способности, скорости, точности и другим параметрам. Широкое использование аналоговых приборов и приборов на базе полевой шины требует множества плат ввода-вывода, шлюзов и кабелей, что ведёт к затяжным проектным циклам, высоким затратам на установку и сложному обслуживанию.

Архитектура «cloud-network-end»

Из-за исторических ограничений традиционные DCS уже не в состоянии удовлетворять запросы новой эпохи. В начале своего существования система управления на основе полевой шины (FCS), которую многие считали неизбежной заменой DCS, так и не получила массового признания; в итоге полевая шина использовалась лишь как элемент шинной сети DCS. Сегодня рынок обрабатывающей промышленности ожидает новое поколение систем управления технологическими процессами — более совершенных, универсальных и интеллектуальных, интегрирующих новейшие технологии и способных продвинуть отрасль по пути цифровизации и интеллектуализации.

FCS (Fieldbus Control System) — это система управления технологическими процессами, основанная на использовании полевой шины для прямой цифровой связи между полевыми устройствами (датчиками, исполнительными механизмами) и контроллерами. В отличие от DCS, FCS использует децентрализованную архитектуру, где полевые приборы обладают встроенной функциональностью для выполнения задач управления и передачи данных. FCS активно применяется в автоматизации процессов, но из-за сложностей стандартизации и интеграции с другими системами не получила такого широкого распространения, как DCS.

К счастью, достижения в сфере передовых технологий позволяют вернуться к ключевым характеристикам систем управления — чувствительности, коммуникациям и вычислениям.

UCS (Universal Control System) — это концепция новой системы управления технологическими процессами, которая позиционируется как эволюционное развитие традиционной DCS (Distributed Control System). UCS ориентирована на широкое использование современных цифровых технологий: облачных вычислений, программно-определяемых (software-defined) решений и высокоскоростной промышленной сети. Цель UCS — повысить гибкость, масштабируемость, надёжность и открытость систем управления, а также упростить их интеграцию с новейшими ИТ-технологиями.

Система UCS, разработанная компанией Supcon Technology, основана на этой идее и использует минималистскую архитектуру «cloud-network-end», включающую в себя центр обработки данных, полностью оптическую промышленную сеть и интеллектуальное полевое оборудование:

• Центр обработки данных управления выступает «мозгом» UCS, отвечающим за выполнение программ, анализ и обработку данных, а также реализацию функций контроля и управления. Главная особенность в том, что систему не обязательно разворачивать на выделенном аппаратном обеспечении контроллера — можно использовать общую ИТ-инфраструктуру и развитые облачные технологии. Программно-определяемая модель даёт возможность динамически масштабировать ресурсы в соответствии с текущими потребностями, обеспечивая эластичность и гибкость в вычислительных мощностях. Центр обработки данных управления также работает под управлением NyxOS, облачной операционной системы реального времени, созданной для безопасного и надёжного промышленного управления. Кроме того, резервированная и распределённая архитектура развертывания обеспечивает высокую доступность и отказоустойчивость.

• Полностью оптическая промышленная сеть предполагает соединение между центром обработки данных и полевым оборудованием по оптоволокну. Полевые данные поступают напрямую в центр обработки данных со скоростью 10 Гбит/с и имеют параллельное резервирование. Это даёт свыше 80% экономии на проводах и размещении кабельного хозяйства.

• Полевое интеллектуальное оборудование — это датчики, исполнительные механизмы и прочие полевые приборы, входящие в состав UCS. В UCS компания Supcon применила технологию Ethernet-APL (Ethernet Advanced Physical Layer), позволяющую использовать искробезопасные взрывозащищённые распределительные коробки и модули APL для зоны 2. Это делает приборы IP-ориентированными и увеличивает скорость обмена данными более чем в 100 раз.

Очевидно, что в сравнении с традиционной архитектурой DCS трёхуровневая структура UCS «облако–сеть–конец» открывает новую главу в развитии DCS и имеет исключительное значение для новой цифровой эпохи.

Что такое UCS?

UCS (Universal Control System) — это концепция новой системы управления технологическими процессами, которая позиционируется как эволюционное развитие традиционной DCS (Distributed Control System). UCS ориентирована на широкое использование современных цифровых технологий: облачных вычислений, программно-определяемых (software-defined) решений и высокоскоростной промышленной сети.

Программно-определяемые, полностью цифровые и облачные технологии — это современные тренды в сфере управления, а также три ключевые характеристики UCS. Обрабатывающие отрасли предъявляют высокие требования к системам управления, требуя от них «безопасности, стабильности, долговечности и выдающихся возможностей». Если система не способна предоставить всё перечисленное, её ценность для предприятия невелика. Именно благодаря программно-определяемому подходу, полностью цифровой структуре и облачному характеру UCS может существенно сократить издержки, уменьшить площадь размещения шкафов на 90%, сократить расходы на прокладку кабеля на 80% и сократить сроки строительства вдвое.

Упрощённая до предела архитектура UCS привносит беспрецедентные изменения в систему управления, устраняя ограничения традиционных физических контроллеров, модулей ввода-вывода и целых групп шкафов. UCS также преодолевает присущие классическим DCS недостатки — закрытость, специализированную структуру, жёсткую иерархию и ограниченную вычислительную мощность. В результате система управления больше не требует громоздких шкафов, что даёт весомые и очевидные преимущества для пользователей.

На уровне разработки, соответствуя букве «U» (universal) в UCS (universal and open), система разделяет программное и аппаратное обеспечение. Программная часть не требует обязательной привязки к конкретному оборудованию и может создаваться на языках программирования, широко используемых специалистами в сфере ИТ. Это снижает сложность разработки, упрощает эксплуатацию и обслуживание, а также способствует ускорению интеграции ИТ/ОТ-технологий.

На прикладном уровне конвергенции технологий UCS реализует центр обработки данных управления на основе частного облака, что даёт неоспоримые преимущества для внедрения передовых ИТ-технологий. Партнёры экосистемы могут разрабатывать собственные облачные приложения на базе единой платформы, добиваясь богатого функционала. В классических DCS подобная интеграция на уровне управления крайне затруднительна.

Интеграция Ethernet APL в UCS

В эпоху цифрового интеллекта усовершенствованный физический уровень Ethernet (Ethernet APL) стал оптимальным выбором для полевых приборов и исполнительных механизмов, работающих с большими объёмами данных.

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) — это промышленная технология, разработанная для обеспечения высокоскоростной и безопасной передачи данных в условиях сложных производственных сред, таких как химическая, нефтегазовая, фармацевтическая и другие отрасли. Ethernet-APL расширяет возможности классического Ethernet, адаптируя его к требованиям автоматизации технологических процессов и полевой сети.

Компания Supcon давно обратила внимание на эту тенденцию. Полевое оборудование на базе APL вносит в UCS полностью цифровой режим передачи сигналов. Ethernet APL обеспечивает пропускную способность до 10 Мбит/с и связь на расстоянии до 1000 метров, а также позволяет одновременно передавать данные и осуществлять питание полевых устройств, соответствующих требованиям взрывозащищённого исполнения. Приборы APL могут заменить приборы с интерфейсами 4–20 мА и HART, исключая необходимость в платах ввода-вывода для аналого-цифрового преобразования.

*Supcon Technology (Ханчжоу, Китай) — это высокотехнологичная компания, специализирующаяся на автоматизации производственных процессов и цифровых решениях для промышленности. Основана в 1993 году и за время своей деятельности заработала репутацию одного из ведущих китайских разработчиков распределённых систем управления (DCS), программного обеспечения для промышленной автоматизации и интеллектуальных полевых приборов.