Choć mówimy o zaawansowanych systemach sterowania zautomatyzowaną produkcją, to jednak obie technologie egzystują na rynku już od kilkudziesięciu lat. Sterowniki PLC (programowalne sterowniki logiczne) powstały w latach 70-80 XX w. jako naturalny, cyfrowy następca szaf przekaźnikowych. – Ich pierwotnym zadaniem była szybka obsługa dwustanowych sygnałów wejściowych, realizacja programu w oparciu o ich stany i odpowiednie wysterowanie wyjść, także dwustanowych – tłumaczy Rafał Tutaj, szef działu automatyki w firmie Elmark. Udział sygnałów analogowych zaczął się stopniowo zwiększać w II połowie lat 80. wraz z rozwojem przetworników A/C. Zawsze jednak podstawowym ich zadaniem było sterowanie procesami dyskretnymi, a więc takimi, które cechują się szybkością i relatywnie prostymi algorytmami programów.

Systemy DCS (rozproszone systemy sterowania) zaczęły pojawiać się nieco później, w latach 80. ubiegłego wieku. Jak wyjaśnia Rafał Tutaj, ich zadaniem było zbieranie stanów sygnałów analogowych, których źródła były często znacznie oddalone od samego sterownika. Pełniły one więc rolę koncentratora, z czasem wyposażonego w interfejsy sieciowe. Podstawowym zadaniem była obsługa programowych regulatorów, często złożonych, wielowymiarowych. Wykonywanie takich operacji wymagało odpowiednio dużych procesorów, co pociągało za sobą znacznie większe w porównaniu do PLC koszty.

– Przyjęło się, że sterowniki PLC są stosowane w procesach o mniejszej złożoności albo do sterowania tylko pewną częścią procesu. Są bardziej optymalne w szybkich procesach wymagających sterowania w sposób dyskretny – dodaje jeszcze Szymon Gregorczyk, inżynier ds. techniczno-handlowych w Bosch Rexroth. – Natomiast w momencie pojawienia się na rynku systemów DCS, przeznaczone one były do sterowania procesami złożonymi i wymagającymi pod względem sterowania.

Istotne różnice

Procesy o mniejszej złożoności, za to szybsze i oparte głównie na sygnałach cyfrowych to obszar, w którym zastosowanie znajdują obecnie przede wszystkim sterowniki PLC. Z kolei w procesach o dużo większej złożoności, z dużo większą liczbą wejść/wyjść, w których mamy do czynienia z dużą liczbą sygnałów analogowych i umożliwiających bardzo łatwe skalowalne rozwiązanie preferowane są rozproszone systemy DCS. Nie są to jednak jedyne różnice pomiędzy tymi technologiami. Systemy DCS najczęściej opierają się na jednej, zintegrowanej bazie danych, która łączy wizualizację, sterowanie oraz zbiera i udostępnia dane historyczne. Większość elementów w tym systemie pochodzi od jednego producenta, tworząc tym samym bardziej zintegrowaną architekturę. W rozwiązaniach opartych na sterownikach PLC, łączonych często z systemem SCADA, istnieje zaś większa możliwość łączenia różnych rozwiązań, dzięki czemu są one bardziej elastyczne i uniwersalne, a przy tym umożliwiają łatwiejszą modyfikację układu.

Jak dodaje Rafał Tutaj, tym co dzisiaj jeszcze oddziela w jakimś sensie te rozwiązania to poziom zabezpieczeń i redundancja. W typowych DCS (jak Bedrock) mamy możliwość stosowania podwójnych zasilaczy czy procesorów, które w momencie wystąpienia problemu mogą się przełączać i kontynuować pracę. Szyfrowany algorytm komunikacji pozwala na rozproszenie systemu sterowania z wykorzystaniem publicznej infrastruktury sieciowej. – Takie własności różnicują dzisiaj jeszcze obydwa systemy i w zasadzie są odpowiedzią na pytanie, kiedy co wybierać – tłumaczy Rafał Tutaj.

Oba systemy różnią się także funkcjonalnością oraz rodzajami procesów, jakie są przez nie obsługiwane. Systemy DCS występują w tych gałęziach przemysłu, gdzie wszelkiego rodzaju przestoje, a także awarie urządzeń i maszyn mogą generować duże straty. Dlatego też są one wykorzystywane w takich branżach jak chemiczna, petrochemiczna, energetyczna czy farmaceutyczna, a także w innych, gdzie mamy do czynienia z dużymi instalacjami przemysłowymi i ciągłymi procesami. Sterowniki PLC (wraz z systemem SCADA) także są wykorzystywane do kontrolowania całych linii produkcyjnych, a także do sterowania maszynami CNC czy mniejszymi procesami ciągłymi.

Różnice się zacierają

Powyższy podział na typowe zastosowania dla systemów PLC oraz DCS coraz bardziej traci jednak na znaczeniu, a wszystko przez postęp technologiczny w tym obszarze, zwiększający możliwości obu typów sterowników. Jedną z zauważalnych tendencji w obszarze automatyki produkcji jest możliwość zamiennego stosowania tych systemów – wiele procesów, których sterowanie realizowane było do tej pory przez DCS, może być również sterowane przez zaawansowane sterowniki PLC z HMI oraz systemami SCADA. – Rozwój systemów PLC, a co za tym idzie szybsze procesory i większa pamięć, powoduje stosowanie sterowników PLC w miejscu, gdzie dotychczas były stosowane sterowniki DCS – mówi Szymon Gregorczyk. – Producenci rozwiązań DCS również rozwijają swoje produkty poprzez wprowadzenie sterowania predykcyjnego i adaptacyjnego, co umożliwia im dalsze utrzymywanie się na rynku, pomimo coraz mocniejszego konkurenta w postaci procesowych sterowników PLC.

Opisany wyżej sztywny podział zastosowań obu systemów istniał mniej więcej do początku XXI wieku, kiedy rozwój procesorów zaczął nabierać tempa. Wpływ na to miały także spadające ceny rozwiązań, rosnąca moc obliczeniowa, pojawiające się nowe systemy sieciowe, zwiększające się dostępne pamięci, a także oprogramowanie narzędziowe, które również rozwija się i oferuje nowe możliwości. Jako przykład zachodzących zmian w tym obszarze Rafał Tutaj wymienia firmę Unitronics. – Pojedynczy procesor Unistream jest w stanie obsługiwać do 2000 punktów, zarówno analogowych, jak i cyfrowych. Modułowa konstrukcja pozwala na instalację szeregu interfejsów sieciowych, dzięki którym możemy dołączyć zdalne bloki Remote I/O. W ten sposób od strony sprzętowej możemy więc zbudować system lokalny, kompaktowy, idealny do rozwiązań dyskretnych. Możemy także go rozproszyć, zwiększając przy tym liczbę sygnałów analogowych, tak by zapewnić obsługę wielu pętli regulacyjnych – wyjaśnia szef działu automatyki w firmie Elmark.

Sterowanie procesami w czasach Przemysłu 4.0

Zapowiadane zmiany związane z czwartą rewolucją przemysłową jeszcze bardziej wpłyną na automatyzację procesów zachodzących w przedsiębiorstwach, pośrednio więc również na systemy do sterowania nimi. Zresztą już teraz producenci układów sterowania podkreślają, że zmuszeni są wprowadzać zaawansowane rozwiązania, by sprostać potrzebom rynku.

– Układy sterowania Rexroth rozwijają się w bardzo dynamicznym tempie. W systemach hydraulicznych mamy do dyspozycji chmurowe systemy predykcyjne, które wykorzystują dane zbierany poprzez sterowniki PLC. Ponadto sterowniki PLC coraz częściej korzystają z nowych protokołów komunikacyjnych, takich jak OPC UA i są otwarte na języki wysokiego poziomu, takie jak Python, C#, Java – wymienia Dominik Skoneczny, inżynier ds. techniczno-handlowych w Bosch Rexroth.

Również Rafał Tutaj zwraca uwagę na nowe możliwości obecnych rozwiązań. Oprogramowanie UniLogic daje bardzo szerokie możliwości wykorzystania całego systemu. Mamy tu zarówno język typowy dla sterowników PLC (Ladder Diagram), jak i DCS (Function Block czy „C”). Również dostępny mechanizm obsługi zmiennych (proste dane, struktury, tablice itp.) pozwala na wykorzystanie zasobów sterownika w szerokim spektrum zastosowań. – Ten element jest szczególnie ważny w dobie Industry 4.0, kiedy zachodzi konieczność integracji z systemami nadrzędnymi. Szybkość wymiany informacji zależy dzisiaj tak naprawdę od przepustowości zakładowej. Sterownik jest w stanie przygotować i odebrać dane w formie takiej, jaka jest wymagana przez poziom IT – tłumaczy Rafał Tutaj i dodaje, że kolejne lata przyniosą kolejne etapy zbliżania obydwu rozwiązań. – Tak naprawdę gdzieś pod koniec tej dekady będziemy mieli jeden hybrydowy system, pozwalający na sterowanie dowolnym procesem. Dobierać będziemy karty do sygnałów i sieci, procesory do mocy obliczeniowej, a resztę wykona program, którego złożoność zależeć będzie tylko od wymagań i inwencji programisty.