分散制御システム

分散制御システム( DCS )は、プロセスまたはプラント用のコンピュータ化された制御システムであり、通常は多数の制御ループを備え、自律型コントローラがシステム全体に分散されていますが、中央オペレータによる監視制御はありません。これは、中央制御室または中央コンピュータ内にある個別のコントローラを使用する集中型コントローラを使用するシステムとは対照的です。 DCS の概念は、リモート監視と監視によりプロセス プラントの近くに制御機能をローカライズすることで、信頼性を高め、設置コストを削減します。

分散制御システムは、大規模で高価値、安全性が重要なプロセス産業で最初に登場しました。DCS メーカーがローカル制御レベルと中央監視機器の両方を統合パッケージとして提供し、設計統合リスクを軽減するため魅力的でした。今日、監視制御およびデータ収集 (SCADA)システムと DCS システムの機能はよく似ていますが、DCS は、高い信頼性とセキュリティが重要で、制御室が地理的に離れていない大規模な連続プロセスプラントで使用される傾向があります。多くの機械制御システムは、プラントおよびプロセス制御システムと同様の特性を示します。^[1]

DCS の重要な特性は、システム内のノードに制御処理を分散させることで得られる信頼性です。これにより、単一のプロセッサ障害が軽減されます。プロセッサに障害が発生した場合、プロセス全体に影響する中央コンピュータの障害とは対照的に、プラント プロセスの 1 つのセクションにのみ影響します。フィールド入力/出力 (I/O) 接続ラックにローカルに計算能力を分散することで、ネットワークと中央処理の遅延がなくなり、コントローラの処理時間が短縮されます。

添付の図は、コンピュータ制御を使用した機能的な製造レベルを示す一般的なモデルです。

図を参照すると;

• レベル0には、流量センサーや温度センサーなどのフィールドデバイス、制御弁などの最終制御要素が含まれます。
• レベル 1 には、工業化された入出力 (I/O) モジュールと、それに関連する分散型電子プロセッサが含まれます。
• レベル 2 には、システム上のプロセッサ ノードから情報を収集し、オペレータ制御画面を提供する監視コンピュータが含まれます。
• レベル3は生産管理レベルであり、プロセスを直接制御するのではなく、生産の監視と目標の監視に関係します。
• レベル4は生産計画レベルです。

レベル 1 と 2 は従来の DCS の機能レベルであり、すべての機器が単一の製造元の統合システムの一部となります。

レベル 3 と 4 は、厳密には従来の意味でのプロセス制御ではありませんが、生産管理とスケジュールが実行される場所です。

プロセッサ ノードとオペレータグラフィカル ディスプレイは、独自のネットワークまたは業界標準のネットワークを介して接続され、さまざまなルートでの二重冗長ケーブル配線によってネットワークの信頼性が向上します。この分散トポロジでは、I/O モジュールとそれに関連するプロセッサをプロセス プラントの近くに配置することで、フィールド配線の量も削減されます。

プロセッサは入力モジュールから情報を受信し、その情報を処理し、出力モジュールによって送信される制御アクションを決定します。フィールド入力と出力は、4～20 mA DC 電流ループなどのアナログ信号、またはリレー接点や半導体スイッチなどの「オン」または「オフ」を切り替える 2 状態信号にすることができます。

DCS はセンサーとアクチュエータに接続され、設定点制御を使用して工場内の材料の流れを制御します。一般的なアプリケーションは、フロー メーターから供給され、最終制御要素として制御バルブを使用するPID コントローラーです。DCS はプロセスに必要な設定点をコントローラーに送信し、コントローラーはプロセスが目的の設定点に到達してその設定点に留まるようにバルブの動作を指示します (例として 4～20 mA の回路図を参照)。

大規模な石油精製所や化学工場には数千の I/O ポイントがあり、非常に大規模な DCS が採用されています。ただし、プロセスはパイプを通る流体の流れに限定されず、製紙機械とそれに関連する品質管理、可変速ドライブとモーター制御センター、セメント窯、採掘作業、鉱石処理施設なども含まれます。

非常に高い信頼性のアプリケーションの DCS には、障害時に「ホット」スイッチオーバーするデュアル冗長プロセッサを搭載して、制御システムの信頼性を高めることができます。

4～20mA が主なフィールド信号規格となっていますが、最新の DCS システムは、 Foundation Fieldbus、profibus、HART、 modbus、PC Link など のフィールドバスデジタル プロトコルもサポートできます。

現代のDCSはニューラルネットワークやファジーロジックアプリケーションもサポートしています。最近の研究では、特定のH無限大またはH 2制御基準を最適化する最適分散コントローラの合成に焦点を当てています。 ^{[2] [3]}

分散制御システム (DCS) は、連続的またはバッチ指向の製造プロセスで使用される専用システムです。

DCS が使用される可能性があるプロセスには次のようなものがあります。

• 化学工場
• 石油化学（石油）および製油所
• パルプおよび製紙工場（品質管理システム QCSも参照）
• ボイラー制御および発電所システム
• 原子力発電所
• 環境制御システム
• 水管理システム
• 水処理施設
• 下水処理場
• 食品および食品加工
• 農薬・肥料
• 金属と鉱山
• 自動車製造
• 冶金プロセスプラント
• 医薬品製造
• 砂糖精製工場
• 農業アプリケーション

大規模工業プラントのプロセス制御は、多くの段階を経て進化してきました。当初、制御はプロセス プラントのローカル パネルから行われていました。しかし、分散したパネルを監視するには大量の人手が必要であり、プロセス全体を俯瞰することはできませんでした。次に当然の展開となったのは、プラントのすべての計測値を常駐のスタッフが配置された中央制御室に送信することでした。実質的には、これはすべてのローカル パネルを一元管理することであり、人員レベルが低く、プロセスの概要を把握しやすいという利点があります。多くの場合、コントローラは制御室のパネルの背後にあり、すべての自動および手動制御出力はプラントに送信されていました。ただし、中央制御の焦点は提供されるものの、各制御ループに独自のコントローラ ハードウェアがあり、プロセスのさまざまな部分を確認するためにオペレータが制御室内を頻繁に移動する必要があるため、この構成は柔軟性に欠けていました。

電子プロセッサとグラフィック ディスプレイの登場により、これらの個別のコントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入力/出力ラックのネットワークでホストされるコンピューター ベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になりました。これらは工場内に分散され、制御室のグラフィック ディスプレイと通信できます。分散制御システムが誕生しました。

DCS の導入により、カスケード ループやインターロックなどのプラント制御の相互接続と再構成が容易になり、他の生産コンピュータ システムとのインターフェイスも容易になりました。高度なアラーム処理が可能になり、自動イベント ログが導入され、チャート レコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御ラックをネットワーク化してプラントの近くに配置して配線を減らすことができるようになり、プラントの状態と生産レベルの概要を高レベルで把握できるようになりました。

初期のミニコンピュータは、1960 年代初頭から産業プロセスの制御に使用されていました。たとえば、 IBM 1800は、工場内のプロセス信号を収集し、フィールド コンタクト レベル (デジタル ポイント用) およびアナログ信号をデジタル領域に変換する入出力ハードウェアを備えた初期のコンピュータでした。

最初の産業用制御コンピュータシステムは、1959年にテキサス州テキサコ・ポートアーサー製油所で、ラモ・ウッドリッジ社のRW-300を使用して構築されました。^[4]

1975年、山武ハネウェル^[5]と日本の電気エンジニアリング会社横河電機は、それぞれTDC 2000とCENTUMシステムという、独自に製造したDCSを発表しました。米国を拠点とするブリストルも、1975年にUCS 3000ユニバーサルコントローラを発表しました。1978年にバルメットは、Damatic（最新世代はValmet DNA ^[6] ）と呼ばれる独自のDCSシステムを発表しました。1980年には、ベイリー（現在はABB ^[7]の一部）がNETWORK 90システムを発表し、フィッシャーコントロールズ（現在はエマソンエレクトリックの一部）がPROVoXシステムを発表し、フィッシャーアンドポーターカンパニー（現在はABB ^[8]の一部）がDCI-4000を発表しました（DCIは分散制御計装の略です）。

DCS は、主にマイクロコンピュータの利用可能性の向上とプロセス制御の世界におけるマイクロプロセッサの普及によって生まれました。コンピュータは、直接デジタル制御(DDC) とセットポイント制御の両方の形で、以前からプロセス自動化にすでに適用されていました。1970 年代初頭、Taylor Instrument Company (現在は ABB の一部) は 1010 システムを、Foxboro は FOX1 システムを、Fisher Controls は DC ²システムを、Bailey Controls は1055 システムを開発しました。これらはすべて、ミニコンピュータ ( DEC PDP-11、Varian Data Machines、MODCOMPなど) 内に実装され、独自の入出力ハードウェアに接続された DDC アプリケーションでした。このようにして、当時としては高度な連続制御とバッチ制御が実装されました。より保守的なアプローチはセットポイント制御で、プロセス コンピュータがアナログ プロセス コントローラのクラスターを監視していました。ワークステーションは、テキストと大まかな文字グラフィックを使用してプロセスを可視化しました。完全に機能するグラフィカル ユーザー インターフェイスが利用可能になるのはまだ先のことでした。

DCS モデルの中心となるのは、制御機能ブロックの組み込みです。機能ブロックは、初期のより原始的な DDC 概念である「テーブル駆動型」ソフトウェアから発展したものです。オブジェクト指向ソフトウェアの最初の実施形態の 1 つである機能ブロックは、アナログ ハードウェア制御コンポーネントをエミュレートし、PID アルゴリズムの実行など、プロセス制御に不可欠なタスクを実行する自己完結型のコード「ブロック」でした。機能ブロックは、DCS サプライヤにとって主要な制御方法として存続し続けており、今日では Foundation Fieldbus ^[9]などの主要テクノロジによってサポートされています。

オーストラリアのシドニーにある Midac Systems は、1982 年にオブジェクト指向の分散型直接デジタル制御システムを開発しました。中央システムは、タスクと共通メモリを共有する 11 個のマイクロプロセッサを実行し、それぞれ 2 個の Z80 を実行する分散コントローラのシリアル通信ネットワークに接続されていました。このシステムはメルボルン大学に設置されました。^{[引用が必要]}

分散コントローラ、ワークステーション、その他のコンピューティング要素間のデジタル通信 (ピアツーピア アクセス) は、DCS の主な利点の 1 つでした。プロセス アプリケーションでは、決定論や冗長性などの特定の機能を組み込む必要があったため、ネットワークは重要な通信回線を提供するため、当然注目されました。その結果、多くのサプライヤが IEEE 802.4 ネットワーク標準を採用しました。この決定により、情報技術がプロセス自動化に移行し、IEEE 802.4 ではなく IEEE 802.3 が制御 LAN として普及したときに必要となった移行の波が起こりました。

1980 年代には、ユーザーは DCS を単なる基本的なプロセス制御以上のものとして見るようになりました。ダイレクト デジタル制御DCS のごく初期の例は、オーストラリアの企業 Midac が 1981 年から 1982 年にかけて、オーストラリアの R-Tec 設計のハードウェアを使用して完成しました。メルボルン大学に導入されたシステムは、シリアル通信ネットワークを使用して、キャンパスの建物を制御室の「フロント エンド」に接続していました。各リモート ユニットは 2 つのZ80マイクロプロセッサを実行し、フロント エンドは 11 個の Z80 を並列処理構成で実行し、タスクを共有するためにページ化された共通メモリを使用して、最大 20,000 個の同時制御オブジェクトを実行できました。

オープン性が実現され、企業全体でより大量のデータを共有できれば、さらに大きな成果を達成できると考えられていました。DCS のオープン性を高める最初の試みは、当時の主流のオペレーティング システムであるUNIXの採用につながりました。UNIX とその関連ネットワーク テクノロジ TCP-IP は、オープン性を実現するために米国国防総省によって開発されましたが、これはまさにプロセス産業が解決しようとしていた問題でした。

その結果、サプライヤも独自のプロトコル層を備えたイーサネットベースのネットワークを採用し始めました。完全なTCP/IP規格は実装されていませんでしたが、イーサネットを使用することで、オブジェクト管理とグローバルデータアクセス技術の最初のインスタンスを実装できるようになりました。1980年代には、DCSインフラストラクチャに統合された最初のPLCも登場しました。自動化システムの拡張範囲を活用するために、工場全体の歴史家も登場しました。UNIXとイーサネットネットワーク技術を採用した最初のDCSサプライヤは、 1987年に I/Aシリーズ^{[10]システムを導入したFoxboroでした。}

1980 年代のオープン化への動きは、1990 年代を通じて、市販の既製品(COTS) コンポーネントと IT 標準の採用の増加とともに勢いを増しました。この時期に行われた最大の変化は、おそらく UNIX オペレーティング システムから Windows 環境への移行でした。制御アプリケーション用のリアルタイム オペレーティング システム ( RTOS )の領域は、UNIX のリアルタイム商用バリアントまたは独自のオペレーティング システムが依然として主流ですが、リアルタイム制御より上位のすべては Windows に移行しました。

デスクトップおよびサーバー層に Microsoft が導入されたことにより、OLE for process control (OPC)などのテクノロジが開発されました。これは現在、事実上の業界接続標準となっています。インターネット テクノロジもオートメーションと世界に浸透し始め、ほとんどの DCS HMI がインターネット接続をサポートしています。1990 年代は「フィールドバス戦争」でも知られ、ライバル組織が 4～20 ミリアンペアのアナログ通信の代わりにフィールド計器とのデジタル通信用の IECフィールドバス標準となるものを定義するために競い合いました。最初のフィールドバスが導入されたのは 1990 年代です。10 年の終わりに向けて、テクノロジは大きな勢いを増し始め、市場はプロセス オートメーション アプリケーション用の Ethernet I/P、Foundation Fieldbus、および Profibus PA を中心に統合されました。フィールドバスの機能性を最大限に引き出すために、Rockwell PlantPAx System、HoneywellのExperionおよびPlantscape SCADAシステム、ABBのSystem 800xA、^[11] Emerson Process Management ^[12]のEmerson Process Management DeltaV制御システム、SiemensのSPPA-T3000 ^[13]またはSimatic PCS 7、^[14] Forbes Marshall ^[15]のMicrocon+制御システム、Azbil Corporation  [ja] ^{[16]のHarmonas-DEOシステムなど、いくつかのサプライヤは、ゼロから新しいシステムを構築しました。フィールドバス技術は、機械、駆動装置、品質および}状態監視アプリケーションを、Valmet DNAシステムを備えた1つのDCSに統合するために使用されています。^[6]

しかし、COTS の影響はハードウェア層で最も顕著でした。長年、DCS サプライヤの主な業務は、大量のハードウェア、特に I/O とコントローラの供給でした。DCS が最初に普及した際には、膨大な量のハードウェアをインストールする必要がありましたが、そのほとんどは DCS サプライヤによって最初から製造されていました。しかし、Intel や Motorola などのメーカーの標準的なコンピュータ コンポーネントにより、DCS サプライヤが独自のコンポーネント、ワークステーション、およびネットワーク ハードウェアを製造し続けることはコスト的に不可能になりました。

サプライヤーが COTS コンポーネントに移行するにつれ、ハードウェア市場が急速に縮小していることもわかりました。COTS はサプライヤーの製造コストを下げただけでなく、エンド ユーザーの価格も着実に引き下げました。エンド ユーザーも、ハードウェア コストが高すぎると感じて声高に訴えるようになりました。以前はPLCビジネスで強かった Rockwell Automation や Siemens などの一部のサプライヤーは、制御ハードウェアの製造に関する専門知識を活用して、コスト効率の高い製品で DCS 市場に参入することができました。一方、これらの新興システムの安定性、拡張性、信頼性、機能性は、現在も向上し続けています。従来の DCS サプライヤーは、最新の通信および IEC 規格に基づく新世代の DCS システムを導入し、その結果、PLC と DCS の従来の概念/機能を「プロセス オートメーション システム」(PAS) と呼ばれる 1 つのソリューションに統合する傾向が生まれました。さまざまなシステム間のギャップは、データベースの整合性、事前エンジニアリング機能、システムの成熟度、通信の透明性、信頼性などの領域で依然として残っています。コスト比率は比較的同じ（システムが強力になるほど高価になる）と予想されますが、自動化ビジネスの現実は、多くの場合、ケースバイケースで戦略的に運用されます。現在の次の進化段階は、コラボレーション プロセス自動化システムと呼ばれています。

問題をさらに複雑にしたのは、サプライヤがハードウェア市場が飽和状態になりつつあることにも気付いていたことです。I/O や配線などのハードウェア コンポーネントのライフ サイクルも通常 15 年から 20 年以上の範囲にあり、交換市場は厳しいものとなっています。1970 年代や 1980 年代に導入された古いシステムの多くは現在も使用されており、市場には耐用年数の終わりに近づいているシステムが多数存在しています。北米、ヨーロッパ、日本の先進工業国ではすでに数千台の DCS が導入されており、新しい工場が建設されることはほとんどないため、新しいハードウェアの市場は中国、ラテン アメリカ、東ヨーロッパなどの小規模ではあるものの成長の速い地域に急速に移行していました。

ハードウェア事業の縮小により、サプライヤはハードウェアベースのビジネスモデルからソフトウェアと付加価値サービスに基づくビジネスモデルへの困難な移行を開始しました。この移行は今日でも続いています。サプライヤが提供するアプリケーションポートフォリオは 90 年代に大幅に拡大し、生産管理、モデルベース制御、リアルタイム最適化、プラント資産管理 (PAM)、リアルタイムパフォーマンス管理 (RPM) ツール、アラーム管理などの分野が含まれるようになりました。ただし、これらのアプリケーションから真の価値を引き出すには、多くの場合、サプライヤが提供する相当なサービスコンテンツが必要です。

DCS の最新の開発には、次の新しいテクノロジが含まれます。

1. 無線システムとプロトコル^[17]
2. リモート送信、ログ記録、データ履歴
3. モバイルインターフェースとコントロール
4. 組み込みウェブサーバー

皮肉なことに、DCS はますますプラント レベルで集中化され、リモート機器にログインできるようになりました。これにより、主にワイヤレスとリモート アクセスによる相互接続により物理的な場所の重要性が低下するため、オペレーターはプラント内外の企業レベル (マクロ) と機器レベル (ミクロ) の両方で制御できるようになります。

ワイヤレス プロトコルが開発され、改良されるほど、DCS に組み込まれるようになります。DCS コントローラーには、組み込みサーバーが搭載され、外出先での Web アクセスが提供されることが多くなっています。DCS が産業用モノのインターネット (IIOT) をリードするのか、それとも重要な要素を借用するのかはまだわかりません。

多くのベンダーは、 AndroidとiOS の両方に対応したモバイル HMI のオプションを提供しています。これらのインターフェースにより、セキュリティ侵害やプラントやプロセスへの損害の脅威が現実のものとなっています。

• アナンシエーターパネル
• ビルオートメーション
• エピック
• 産業用制御システム
• プラントプロセスおよび緊急停止システム
• 安全計装システム（SIS）
• タンゴ