16 gennaio 2013

PLC e DCS: le radici storiche

Molti di noi lavorano nell'automazione di processo da decenni. E ci sono nuovi colleghi che quotidianamente rinfoltiscono i ranghi. Ed è proprio per i nuovi membri di questa comunità globale dell'automazione di processo che condivido una presentazione di Gordon Lawther di Emerson alla conferenza ChemInnovations dell'autunno scorso. La presentazione, "L'evoluzione dei PLC e dei DCS", tratta delle radici storiche, dei punti di forza e delle applicazioni storiche e dei progressi nel corso del tempo.

La genesi del PLC [Programmable Logic Controller] risale agli anni '60.

In quel periodo la General Motors impiegava enormi sforzi per modificare le linee automatizzate della fabbrica prima dell'introduzione di ogni nuovo Model Year (MY); automazione implementata mediante relè, temporizzatori e sequenziatori a camme, con il risultato che gli elettricisti impiegavano moltissimo tempo per il ricablaggio.

Per coloro che non hanno avuto il piacere di incontrare il famoso inventore del PLC, Dick Morley (NdT: Leggi a tal proposito la sua prima e unica intervista fatta da Armando Martin in Italia), è possibile avere l'occasione di incontrarlo durante alcuni eventi del settore, come la settimana dell'automazione di ISA, Il vertice marketing e vendite ISA, etc. Come scritto sulla sua voce Wikipedia:

Richard (Dick) Morley è noto come il "padre" del controllore logico programmabile (PLC), in quanto è stato coinvolto con la produzione del primo PLC per la General Motors, il Modicon, presso la  Bedford And Associates nel 1968.

Lo spostamento della logica dai dispositivi discreti al software, permetteva di ottenere una drastica riduzione dei tempi di ricablaggio dei processi produttivi discreti, alla General Motors come presso altri produttori.

Logica Ladder 
Gordon riassume così alcune caratteristiche generali dei primi PLC: erano economici, semplici da usare, di dimensioni ridotte, programmabili/gestibili dal personale interno, con interfacce operatore minimali e prevalentemente utilizzati nelle operazioni automatiche.
L'architettura era sovente costituita da una scheda rack con CPU e varie schede I/O connesse al livello di impianto; un terminale di programmazione veniva collegato al PLC per scaricare il software di controllo, scritto in logica Ladder.

Nel corso del tempo, questa architettura si è ampliata per includere collegamenti peer-to-peer tra i PLC, le workstation operatore, i moduli I/O remoti, etc; in seguito arrivarono anche la ridondanza, software aggiuntivi come gli archivi storici, le elaborazioni batch e il supporto per i bus e le reti.

Progettato per applicazioni discrete, il PLC ha avuto fin dall'inizio dei tempi ciclo di esecuzione al di sotto di 10msec in grado di supportare applicazioni per turbomacchine, contatori di impulsi, e applicazioni di arresto di sicurezza. Il sequencing è un'altra classe di applicazioni legata alla movimentazione dei materiali, per le linee di confezionamento e per la robotica, per citarne alcune. I PLC si sono anche dimostrati adatti ad equipaggiare sistemi montati su slitta, quali compressori d'aria, additivi chimici e mixer.

Sistemi distribuiti

I DCS [Distributed Control System] nascono dall'industria di processo.

Questo tipo di industria include processi continui che si trovano nella produzione di petrolio e gas, nella raffinazione, in chimica, e nell'estrazione mineraria. Inoltre, i DCS sono stati progettati per le elaborazioni a lotti tipicamente presenti in settori come quello farmaceutico, delle biotecnologie e dei prodotti chimici speciali. Le variabili di processo come portata, temperatura, pressione e livello avevano bisogno di essere strettamente e costantemente controllate, in special modo nei processi complessi come la distillazione, la fermentazione, le reazioni chimiche e le applicazioni legate al trasferimento di calore. Al posto dei relè i DCS sostituirono i controllori pneumatici, in cui il circuito di regolazione contiene aria compressa: invece del mal di testa causato dal cablaggio i DCS risolvevano quello causato dal portare le condotte pneumatiche dai collettori a ciascun regolatore.

I DCS avevano schede di I/O integrate, con controllo ad anello chiuso svolto dalla CPU del controller. I linguaggi di programmazione erano per lo più basati su Assembler, FORTRAN, e altri linguaggi logici ormai datati. Le variabili di processo, i setpoint, le uscite delle valvole e altri parametri erano rappresentati su display tabulari e mimici che assomigliavano ai cruscotti di controllo pneumatici che andavano a sostituire. I controller e le stazioni di lavoro degli operatori erano connesse mediante un bus di comunicazione.

Gordon ha evidenziato alcune delle caratteristiche comuni ai primi DCS: erano costosi, di grandi dimensioni, con complessi requisiti applicativi (a causa delle complessità dei processi da controllare), realizzati con tecnologie proprietarie per l'interfaccia operatore, per le comunicazioni, per gli strumenti di sviluppo e per le architetture ridondate in alta disponibilità, e infine con servizi / formazione forniti solo dal produttore del DCS o da terze parti. Inoltre, il tutto era pensato e progettato per una operatività "attended", in cui gli operatori partecipano al processo contribuendo a mantenere la qualità e la quantità del prodotto entro i limiti attesi.

I punti di forza intrinseci di architetture basate sui DCS sono l'ampia scalabilità, in grado di gestire interi impianti in cui gli I/O sono nell'ordine di grandezza delle decine-centinaia di migliaia di punti, forniscono agli operatori una stretta sorveglianza del processo, possiedono inoltre numerore librerie built-io per la gestione di controlli complessi, in continuo e per lotti, e mettono a disposizione una base di dati comune per semplificare la gestione delle funzioni di ingegneria. La ridondanza di questi sistemi si estende all'archietettura di alimentazione, di rete, di controller, di moduli I/O, etc.

Molte industrie come il "food & beverage" o le "Life Sciences" avevano stringenti requisiti sia per quanto riguarda le normative di controllo, sia per l'esigenza di alte velocità nel campo dell'automazione discreta. I DCS e i PLC, venivano così connessi per mezzo di interfacce seriali come RS232 / 422 e tramite OPC. Nel corso del tempo i PLC e DCS hanno acquisito ciascuno i punti di forza dell'altro: tecnologie e standard aperti si sono evoluti per aiutare queste migliorate capacità - reti ad alta velocità, protocolli aperti, linguaggi standard di programmazione industriali (IEC 1131), postazioni PC operatore, sistemi operativi Microsoft, bus I/O standard, ridondanza e altri servizi estesi.

Oggi la maggior parte dei sistemi, indipendentemente dalle proprie radici, hanno architetture hardware completamente ridondanti, bus I/O digitali, sistemi di sicurezza integrati, gestione e ottimizzazione degli asset, controllo di processo avanzato (APC), interfacce uomo-macchina (HMI) ad alte prestazioni, gestione avanzata dei lotti e connettività con la gestione della produzione, i sistemi MES e la pianificazione delle risorse aziendali (ERP). Innovazioni in grado di evolvere ulteriormente le capacità di questi sistemi continuano ad essere studiate e ricercate, come ad esempio l'Electronic Marshalling di Emerson.

L'attenzione delle industrie di processo, quando valutano possibili alternative, è solitamente rivolta verso la robustezza dell'architettura, la semplicità d'uso (operazioni, ingegneria, manutenzione e gestione degli impianti), la sicurezza, i servizi e il supporto locale, e l'esperienza e il curriculum aziendali sulle applicaizoni e sui settori industriali.



Questo post è la traduzione dell'articolo di Jim Cahill di Emerson dal titolo "Roots of PLCs and DCSs", che ringraziamo per il permesso alla traduzione e pubblicazione. Anche l'uso delle immagini originali ci è stato gentilmente concesso dallo stesso autore.