Rzeczywiście rozproszony? Systemy sterowania w branży rafineryjno-petrochemicznej i chemicznej
Do połowy lat 70. XX wieku podstawą automatyki było powietrze pomiarowe. I choć dziś nadal używane są urządzenia pneumatyczne, zastępuje się je elektrycznymi przetwornikami, wyposażonymi w coraz bardziej zaawansowaną
elektronikę.
Przyrządy pomiarowe zasilane powietrzem wypracowywały standardowy pneumatyczny sygnał wyjściowy, który systemem rurek impulsowych dostarczany był do pneumatycznych regulatorów, które z kolei wysyłały sygnał do pneumatycznych urządzeń wykonawczych. Pneumatyka, ze względu na swoje niezaprzeczalne zalety, takie jak: iskrobezpieczeństwo (a co za tym idzie możliwość pracy w nawet najbardziej zagrożonych wybuchem środowiskach stref Zone 0 lub Zone 20), niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne, niezawodność oraz prostą budowę, jest
używana w niektórych gałęziach przemysłu do dziś. Oprócz zalet, ma ona także wady: duże rozmiary i ciężar urządzeń, mała dokładność przetwarzania, a przede wszystkim mała szybkość działania i ograniczony zasięg przesyłania sygnału, które komplikują projektowanie instalacji przemysłowych. Stopniowo, wraz z rozwojem urządzeń elektrycznych, zastępowano nimi pneumatykę. Jednak, mimo iż proces ten trwa już co najmniej pół wieku, pneumatyczne elementy wykonawcze automatyki, np. zawory z napędami pneumatycznymi, są ciągle używane i zdecydowanie wygrywają ze swoimi elektrycznymi konkurentami. Pozostała większość przyrządów nie potrafiła się tak skutecznie obronić...
Rozproszony system sterowania
Aby móc w pełni wykorzystać rosnące możliwości przyrządów pomiarowych, w połowie lat 70. XX wieku najpierw firma Yokogawa, a zaraz po niej Honeywell wprowadziły do użytku system DCS (ang. distributed control system), czyli rozproszony system sterowania. Dziś DCS stał się standardem w przemyśle rafineryjnym i chemicznym. Opanowuje także m.in. energetykę i przemysł spożywczy, papierniczy oraz cementownie. Przymiotnik „rozproszony” odnosi się do konfiguracji systemu, w którym występuje jednostka centralna (central unit) i połączone z nią moduły zdalnych wejść/ wyjść (remote input/output I/O modules - RIO). System wejść/wyjść jest interfejsem pomiędzy urządzeniami obiektowymi a jednostką centralną, której procesory są odpowiedzialne za przyjęcie i przetworzenie sygnałów z urządzeń pomiarowych zlokalizowanych na obiekcie oraz wysłanie jako odpowiedzi sygnałów sterujących
z powrotem na obiekt, do urządzeń wykonawczych (a wszystko to dzieje się w czasie rzeczywistym). Rozproszenie
występujące w nazwie systemu umożliwia optymalne rozlokowanie systemu DCS na obiekcie.
Trzy rodzaje konfiguracji
Ze względu na rozmieszczenie części składowych rozproszonego systemu sterowania można wyróżnić trzy rodzaje konfiguracji: konfiguracja wyspowa, konfiguracja z jednym centralnym TIR-em (TIR – ang. technical instrument room – pomieszczenie, w którym są zlokalizowane szafy RIO) oraz konfiguracja z satelitarnym (satelitarnymi) TIR-em.
Konfiguracja wyspowa rozproszonego systemu sterowania zakłada umieszczenie jednostki centralnej systemu w niewielkim pomieszczeniu TIR, znajdującym się zwykle w sąsiedztwie sterowni i wyniesienie szaf wejść/wyjść na obiekt oraz rozmieszczenie ich w głównych węzłach technologicznych. Szafy wejść/ wyjść łączy się z jednostką centralną kablami światłowodowymi.
Dzięki rozmieszczeniu szaf wejść/wyjść na obiekcie jest to rzeczywiście konfiguracja rozproszona. Drugim rozwiązaniem jest konfiguracja z jednym centralnym TIR-em, która przewiduje lokalizacje całego systemu sterowania
(jednostka centralna i szafy wejść/ wyjść) w jednym dużym pomieszczeniu TIR, w którym przy pomocy wielożyłowych kabli zbiorczych doprowadzone są sygnały z obiektu. Trzecia z wymienionych powyżej konfiguracji – konfiguracja z satelitarnym TIR-em – jest połączeniem dwóch poprzednich konfiguracji. Szafy wejść/wyjść są zlokalizowane nie w jednym, lecz w dwóch lub więcej pomieszczeniach TIR, które nie umieszczone bezpośrednio
na obiekcie, ale w budynkach przy instalacji. Satelitarne TIR-y łączą się z głównym TIR-em kablami światłowodowymi, natomiast sygnały z obiektu doprowadzone są przy pomocy wielożyłowych kabli zbiorczych do
odpowiednich TIR-ów.
TIR na stacji pomp
Pierwszym przykładem zastosowania konfiguracji rozproszonego systemu sterowania są projekty wymagające dużej powierzchni pod instalację, o niedużym zagęszczeniu pomiarów, jak i występujących w większych grupach. Przykładem może być stacja pomp, gdzie na stosunkowo dużym obszarze zlokalizowanych jest zwykle kilka głównych węzłów skupiających większość urządzeń pomiarowych i elementów wykonawczych. Główne węzły takiej stacji to zwykle: pompy główne – utrzymujące przepływ w rurociągu, zbiorniki buforowe – zabezpieczające ciągłość pracy pompowni w przypadku zamknięcia rurociągu przed lub za pompownią, pompy pomocnicze – zapewniające
połączenia pomiędzy zbiornikami buforowymi a rurociągiem, opomiarowanie wejścia ewentualnych strumieni dodatkowych włączanych do głównego rurociągu oraz rozdzielnia elektryczna. Dla takiej instalacji najlepszym rozwiązaniem wydaje się system rozproszony z szafami zdalnych wejść/wyjść rozmieszczonymi w głównych węzłach technologicznych instalacji i częścią centralną w pomieszczeniu TIR.