Aktuální vydání

celé číslo

11

2018

SPS IPC Drives 2018

Elektrické, hydraulické a pneumatické pohony

celé číslo

Potřeba ekonomických informací mění roli provozních přístrojů

číslo 7/2005

Potřeba ekonomických informací mění roli provozních přístrojů

Informatika výrazně mění způsoby fungování většiny průmyslových oborů, zejména z pohledu práce s informacemi. Výrobní odvětví založená na spojitých technologických procesech, která jsou tradičně konzervativní, reagují na změny sice se zpožděním, ale přece. S definitivním průnikem kancelářských standardů, jako je např. Ethernet, až do nejnižších úrovní architektury automatizačních systémů se součástí „světa informatiky„ stávají dokonce i snímače a akční členy (souhrnně provozní přístroje). Dosahované výsledky sahají od prostého zlepšování kvality provozních přístrojů až po vznik zcela nových námětů a výzev pro jejich dodavatele. Ale i když teoretický zájem je velký, do praxe budou nová řešení pronikat jen pomalu, neboť uživatelé teprve čekají na zjevné, hmatatelné přínosy.

Celkový pohled

Podobně jako celá globální ekonomika, i obor automatizace přechází ze zaměření na produkty na model chování založený na znalostech. Nechtějí-li propást nadcházející vlnu požadavků, musí si všichni zúčastnění, ti co prodávají i ti co nakupují a používají provozní přístroje a všechno, co s nimi souvisí, tuto zatím subtilní změnu dosud existujícího paradigmatu uvědomit a začít ji brát v úvahu. Konkrétně jde o to, že – při zachování tradičních přínosů automatizace – bude stále důrazněji požadováno využití technologických dat a znalostí o procesu k neustálému udržování maximální výkonnosti výrobního podniku. Důkazem, že nejde o fikci a že pohyb daným směrem již započal, je rostoucí „hlad„ podnikových informačních systémů po datech a informacích z výroby.

Dodavatelé provozních přístrojů si uvedený trend uvědomují. Proto dále investují nejen do rozvoje tradičních vlastností provozních přístrojů, ale současně se zaměřují na řešení těsně spjatá s informatikou (Information Technology – IT). Ta využívají naměřené údaje, dosud využívané výhradně pro potřeby řízení technologických procesů, ke zvyšování celkové efektivity výrobních i obchodních procesů. Jako východisko ze současné situace, kdy např. náklady na údržbu provozních přístrojů (především snímačů a regulačních ventilů) činí běžně více než 40 % celkových nákladů na údržbu výrobního zařízení v závodě, budou provozovatelé automatizovaných výrob pokračovat v zavádění systémů pro správu výrobních prostředků (Plant Asset Management – PAM), což povede k trvalému růstu požadavků na dostupnost informací a znalostí z výrobních provozů.

Obr. 1.

Obr. 1. Postavení provozních přístrojů se mění: k tradiční funkcím při samotném měření a řízení přibývají funkce zdroje komplexních informací potřebných k podpoře podnikatelských činností (zdroj: ARC)

Vizi automatizačních systémů umožňujících výrobu ve vzájemné spolupráci, jak ji pod označením Collaborative Process Automation Systems (CPAS) formuluje ARC, bude možné realizovat pouze při existenci kontextové informace vyměňované přímo mezi aplikačními programy v reálném čase. Jakmile se tyto principy začnou uplatňovat v praxi, povede masivní potřeba informací k preferenci provozních přístrojů, které budou schopné poskytovat potřebné údaje. Mezi nimi pak zejména přístrojů s vestavěnými řídicími funkcemi.

Dalším cílem dodavatelů automatizační techniky bude zajištění bezpečnosti lidí v závodě i v jeho okolí. Jsou-li k dispozici patřičné znalosti, lze funkce systému PAM již celkem snadno rozšířit o bezpečnostní hlediska. Přínosy těchto řešení pak podnítí vývoj prostředků schopných sledovat výrobní zařízení a signalizovat potřebu výměny poškozených částí nebo dočasného snížení jeho výkonu s cílem předejít možné katastrofě.

Mnohé ovšem záleží rychlosti, s jakou se v průmyslové praxi rozšíří bezdrátový (rádiový) přenos dat. Nová řešení jsou realizovatelná jen při zcela bezbariérovém přístupu k potřebným informacím, který lze hospodárně zajistit pouze bezdrátově. Pro představu o možnostech, které se v této oblasti nabízejí, lze uvést známou skutečnost, že až asi 70 % měřicích přístrojů plní v podstatě nekritické úlohy spočívající v pouhém sledování stavu. U nich lze bezdrátový přenos dat bez obav použít.

Pohyb od tradičních k budoucím funkcím provozních přístrojů používaných při řízení spojitých výrobních procesů, jehož začátku jsme svědky, je spolu s metodami a prostředky umožňujícími realizovat potřebné změny schematicky znázorněn na obr 1.

Od provozních přístrojů lze chtít více než jen technologická data

Uživatelé v současnosti očekávají, že provozní přístroje, které si koupí, budou fungovat přesně a spolehlivě, kterážto očekávání jsou zpravidla zcela naplněna. Již nyní lze ale dostat ještě mnohem více. Díky technickému pokroku ve všech oblastech, od konstrukce čidel po např. metody zapouzdřování integrovaných obvodů, je v současnosti nabízen bezpočet menších i malých zařízení schopných poskytovat více než jen technologická data (např. diagnostické a řídicí funkce, měření doplňkových veličin apod.), a to poměrně levně. Situace je však bohužel taková, že uživatelé již po nejméně deset let mají provozní přístroje za komoditu, tj. spotřební zboží, jehož jednotlivé typy a značky se od sebe vlastně v ničem podstatnějším neliší. Pozornější uživatelé nicméně již objevili přínosy, které jim plynou z používání moderních provozních přístrojů nabízejících více, než jen základní měřicí či ovládací funkci. Ti pak již nevybírají přístroje jen podle pořizovací ceny, tj. s momentální úsporou nákladů, ale na úkor budoucí produktivity. Výsledkem je růst zájmu o moderní přístroje s komplexními funkcemi přinášející oživení investic vynaložených na ně u uživatelů (růst počtu zakoupených jednotek) i dodavatelů (vývoj nových modelů).

Dodavatelé nabízejí novou techniku
Dodavatelé provozních přístrojů neustále pokračují ve zdokonalování tradičních vlastností svých výrobků, které současně také obohacují o výdobytky v oblastech softwaru a diagnostiky. S tím se na pořad dne postupně dostávají např. Coriolisovy hmotnostní průtokoměry schopné současně s průtokem měřit i vlastnosti protékajícího média a detekovat jeho výjimečné stavy, indukční průtokoměry s vnitřní diagnostikou detekující povlaky a úsady v měřicím prostoru, přesné několikaparametrové ultrazvukové měřiče průtoku zemního plynu, cenově přijatelné přesné tříkanálové ultrazvukové průtokoměry, přesné radarové hladinoměry s bezdrátovou komunikací, velmi přesné převodníky s vnitřní diagnostikou, samočinně se nastavující provozní přístroje, stále menší elektronické moduly apod. Vývoj v této oblasti bude dále akcelerovat díky stále klesajícím nákladům na výpočetní výkon a paměti, pokroku v oblasti počítačového modelování, v nanotechnologiích apod. Uživatelé, aby co nejefektivněji využili své omezené investiční i provozní finanční prostředky, se budou nutně orientovat na nové měřicí metody a zařízení s jejich výhodnými vlastnostmi.

Nadstavbová informatická řešení
Aby mohli nabídnout více než jen měření technologických veličin, obracejí dodavatelé provozních přístrojů svou pozornost k informatice (obr. 2). Snahou je využít naměřené údaje, běžně vyhrazené jen pro účely řízení technologických procesů, ke zlepšení činnosti celé podnikatelské jednotky. Jestliže např. uživatel provozních přístrojů použije outsourcing a ponechá údržbu a zásobování náhradními díly na jejich dodavateli, pak klíčem k úspěchu takového řešení je dostupnost diagnostických dat a provozní historie daných přístrojů.

Obr. 2.

Obr. 2. Rozvoj techniky akceleruje změny v oblasti provozních přístrojů

Podobně mají-li mít naději na úspěch externí partneři, kteří v dodavatelském řetězci zodpovídají za včasné dodávky kapalných surovin, je nezbytné jim zajistit bezbariérový přístup k informacím o aktuálním množství suroviny v nádržích apod. Hladinoměry s bezdrátovým přenosem naměřených hodnot, které umožňují realizovat potřebná řešení, nabízí již několik výrobců. Typicky se pak údaje z hladinoměrů umístěných na nádržích bezdrátově přenášejí do sběrného místa v podniku, odkud lze informaci o množství surovin šířit prostřednictvím protokolu TCP/IP a Internetu po celém světě. Stejným způsobem lze mezi centrem a pobočkami přenášet údaje o stavu provozních přístrojů či aktualizovat software.

Protože údaje o zásobách jsou v takovém případě dostupné každému oprávněnému příjemci s přístupem k internetu bez jakýchkoliv dalších výdajů na software, lze je přímo směrovat na autorizované dodavatele se zárukou nepřetržité dodávky surovin bez zásahu člověka. Jde o první případ použití informatiky při realizaci nepříliš složitého řešení umožňujícího zjednodušit práci personálu a snížit provozní náklady. Kde všude a kolik řešení tohoto druhu se uplatní, záleží v podstatě jen na představivosti projektantů.

Schopnost poskytovat znalosti zvyšuje hodnotu provozních přístrojů

Pro svůj model příští generace systémů pro řízení technologických procesů (Process Automation Systems – PAS) zavedla společnost ARC již zmíněné označení CPAS. Jde o rozšířitelnou, provozně velmi spolehlivou základnu umožňující vytvořit robustní, v podstatě neohraničené řídicí prostředí s bohatým informačním obsahem pocházejícím především z inteligentních provozních přístrojů. Aplikační programy provozované v rámci CPAS budou pracovat s kontextově vázanými daty a informacemi, které si budou tyto programy navzájem přímo, v reálném čase, vyměňovat. Jak již bylo zmíněno, povede průnik tohoto či obdobných konceptů do praxe k tlaku na použití takových systémů provozních přístrojů, které budou schopné uvedené existenčně důležité informace poskytovat.

Model CPAS počítá i s produkty od tzv. třetích stran, specializovaných dodavatelů s důkladnými znalostmi daného technologického procesu, závodu a provozních postupů.

CPAS s inteligentními provozními přístroji optimalizuje řízení
Realizace řídicích smyček přímo v provozních přístrojích (tzv. řízení v provozu) přináší mnohem více než pouhou úsporu nákladů odstraněním jednotek I/O a řídicích stanic. Podstatou věci je dokonalejší a citlivější řízení. Například provádí-li se řídicí algoritmus nejnižší úrovně přímo v akčním členu (např. regulačním ventilu), lze vlastnosti řídicí smyčky na úrovni procesu zlepšit jejím těsným propojením se samotnou řídicí smyčkou regulátoru polohy ventilu.

Obr. 3.

Obr. 3. Poměr tržeb v oblasti regulátorů polohy ventilů podle typu ve světě v roce 2002

V mnoha případech, včetně těch nejkritičtějších, nebylo např. po dlouhá léta možné dosáhnout přesného řízení průtoku. Příčina je v reálných vlastnostech regulačních ventilů. S přesunutím řídicích smyček do regulátorů polohy ventilů v nich lze snadno korigovat váznutí aktivního prvku (necitlivost, hysterezi) ventilu, a tím dosáhnout optimálního nastavení smyčky a větší přesnosti řízení. Uživatelé tak mají pádný důvod k přechodu na nové digitální regulátory polohy ventilů a nyní nepříliš prosperující odvětví výroby regulačních ventilů má příležitost k výraznému oživení odbytu. I když většina provozních přístrojů prodávaných v současné době jsou přístroje mikroprocesorové a inteligentní, stále se ještě ve světě používá ohromné množství neinteligentních regulátorů polohy ventilů a z nově prodávaných regulátorů je jich digitální (inteligentní) stále jen necelá polovina (obr. 3).

Společnost ARC je názoru, že základem příští generace systémů typu PAS budou provozní přístroje. S tím, jak uživatelé začínají moderní provozní přístroje skutečně plně využívat, má tento názor stále více příznivců. Do provozního přístroje lze totiž lokálně instalovat přidanou hodnotu v podobě funkčních bloků sběrnice Foundation Fieldbus (FF). Ta umožní PAS a provozním přístrojům dělit se o práci s cílem snížit náklady při současném zvýšení citlivosti řízení. Takovéto řešení dále podpoří význam nové role provozních přístrojů pro celý závod.

Vestavěná „znalost procesu„ přidá příslušným provozním přístrojům na hodnotě a odliší jejich dodavatele od běžných dodavatelů zboží typu komodit: jako příklad takového řešení lze uvést patentovaný řídicí algoritmus Profit Loop od firmy Honeywell, který zlepšuje tradiční PID regulaci.

Komunikační řešení typu poskytovatel-příjemce (publisher-subscriber – P/S) k tomu poskytnou dosažitelnost dat v globálním měřítku. Uživatelé dat a počítačové programy vyžadující data, včetně dat z inteligentních provozních přístrojů, se jednoduše přihlásí k odběru příslušných dat tehdy, kdy je potřebují. Provozní přístroje v důsledku toho překračují úlohu prostého dodavatele naměřených hodnot a v dalším se na ně bude nahlížet jako na nedílnou součást PAS.

Rostoucí význam údržby

Pokračující nejistota převážné části světových ekonomik nutí výrobce snižovat náklady. Výsledkem je, že již po několik let trvale klesají výdaje investiční povahy, a to i přes růst tržeb. Nedávné fúze průmyslových gigantů, které posílily jejich ekonomiku výrobou ve velkém a odstranily duplicitní činnosti, jen zostřily cenovou válku. Výdaje na zařízení byly nahrazeny investicemi do vývoje řešení a iniciativ cílených na lepší využití stávajících prostředků. Výsledkem je změna ve struktuře poptávky, která výrazně ovlivňuje světový trh s automatizační technikou.

Obr. 4.

Obr. 4. Typický vztah mezi pořizovací cenou a náklady na provoz a údržbu poměru k celkovým nákladům na zařízení (TCO)

Uživatelé vědí, jak velikou sumu představují roční náklady na údržbu provozních přístrojů (snímačů, regulačních ventilů a dalšího přístrojového vybavení), a uvědomují si, že pro zachování konkurenceschopnosti je zde nezbytné šetřit. Současné provozní přístroje jsou přitom již tak přesné, že malé snížení provozních nákladů dosažené díky větší přesnosti nebo opakovatelnosti měření je vesměs zanedbatelné v porovnání s úsporami, které přináší dlouhodobá stabilita a jednoduchá údržba přístroje. Uživatelé nemohou vybírat přístroje jen podle pořizovací ceny (kde mohou ušetřit několik málo procentních bodů) bez ohledu na náklady na údržbu, které budou vynakládat následujících deset i více let (obr. 4).

Že se údržba výrobního zařízení, zejména automatizační techniky, stává stále častěji středem zájmu provozních činností, potvrzuje i průzkum provedený společností ARC. Podle jeho výsledků je v poslední době většina prostředků spotřebovávaných na údržbu v závodech směrována do oblasti automatizační techniky: řídicí systémy (PAS) spotřebovávají 26 % celkového rozpočtu na údržbu, provozní snímače 25 % a regulační ventily mají na tomto rozpočtu 19% podíl. Uvedené tři kategorie spotřebovávají odhadem 70 % celkových ročních výdajů na údržbu, které u velké rafinerie mohou typicky dosáhnout částky 40 milionů USD.

Výzkum také ukázal na časové hledisko s tím, že údržbářské činnosti typu odstraňování závad, oprav, kontrol a kalibrací provozních přístrojů byly uváděny jako jedny z hlavních „požíračů času„. Na dotaz po přínosu efektivního programu správy výrobních prostředků po jejich jednotlivých kategoriích jednoznačně zvítězily regulační ventily: celkem asi 80 % respondentů odpovědělo, že přínos zde by byl „velmi významný„, popř. „extrémně významný„ (podobně viz obr. 5).

Řešení typu PAM vyžadují transparentní data

Spolu s tím, jak se uživatelé s cílem snížit náklady na údržbu a zvýšit spolehlivost výrobního zařízení stále častěji obracejí k řešením pro správu výrobních prostředků, rostou požadavky na transparentnost dat. Řešení typu PAM jsou v současné době jednou z několika málo (zbývajících) možností, jak bez ohledu na ekonomické klima získat při minimálních obchodních maržích další zisky. A protože velká část dat potřebných k informovanému rozhodování o údržbě, provozní výkonnosti a finanční návratnosti investovaného kapitálu se nachází v provozních přístrojích, budou tyto při zavádění systémů správy výrobních prostředků nepochybně hrát významnou roli1).

Obr. 5.

Obr. 5. Důležitost účinné strategie správy provozních přístrojů v závodě

Počínaje řešeními zaměřenými na provozní přístroje, jako je např. AMS Suite od firmy Emerson Process Management, budou úspěšné systémy typu PAM propojené s inteligentními přístroji v provozu sbírat nezbytné údaje o stavu a provozních podmínkách všech významných prvků automatizovaných systémů. Analýzou údajů posbíraných inteligentními provozními přístroji získají uživatelé základnu pro on-line sledování stavu a diagnostiku s cílem určovat skutečný stav výrobních prostředků a optimalizovat chování řídicích smyček.

S cílem využít rostoucí poptávky vstupují do oblasti PAM noví dodavatelé, malí i velcí. Velcí dodavatelé automatizační techniky jako ABB, Invensys, Honeywell, Rockwell, Siemens a Yokogawa již mají nebo připravují konkurenční nabídky, zatímco menší společnosti jako Endress+Hauser nebo Vega se zaměřují na řešení, která ke své činnosti nevyžadují PAS.

Rostoucí význam regulatorních požadavků
Jakmile mají pracovníci zajišťující údržbu k dispozici namísto dosavadních odhadů hodnověrná data a informace o stavu zařízení, mohou provádět svou práci účelněji, efektivněji a rychleji. Rutinní údržbářské úkony, jako např. kontrola řídicí smyčky a konfigurování a kalibrování přístrojů, jsou jednodušší a veškerá činnost v oblasti údržby je současně detailně zaznamenávána. Rostoucí potřeba plnit přísné regulatorní požadavky, od norem jako ISO 9000 a ISO 14000 po směrnice FDA a EPA, současně požaduje od automatizačních řešení dokonalejší záznamy o procesu a možnost spravovat potřebnou dokumentaci. Nutnost dosáhnout shody s předpisy znamená růst poptávky po provozních přístrojích s větší mírou inteligence, což jejich dodavatelé vítají. Inherentní schopnost inteligentních provozních přístrojů automaticky sledovat, dokumentovat a předávat hlášení o stavu výrobního zařízení je také logicky zvýhodňuje v současné době neustálého úbytku pracovníků věnujících se údržbě.

Provozní přístroje budou stále inteligentnější
Inteligentní přístroje a řešení typu PAM nepředstavují jednoznačně vymezené kategorie produktů. Jejich vlastnosti se mohou, podle jednotlivých dodavatelů, výrazně lišit. Zavádění PAM jsou zatím na překážku poněkud omezené možnosti diagnostiky provozních přístrojů a pomalé pronikání komunikačních standardů do praxe. Jeho rychlost však výrazně roste, a to jako výsledek těsnější spolupráce mezi dodavateli a nezávislými organizacemi, jakými jsou např. Fieldbus Foundation, HART Communication Foundation, Profibus International a OPC Foundation. Spolupráce dodavatelů odstraní dlouhodobé problémy s interoperabilitou jednotlivých řešení se zařízeními od třetích stran, která vyžaduje nezávislost na komunikačním protokolu.

Tab. 1. Postupný vývoj automatizované péče o stav provozních přístrojů

validace snímačů (British Standards Institute BS 7986)

samokonfigurující se přístroje

samoopravující se přístroje

přístroje samočinně hodnotící sama sebe

přístroje s vnitřní optimalizací chování

Než bude možné využít skutečně všech potenciálních předností inteligentních provozních přístrojů, je třeba ještě dále pokročit v oblasti inteligentních diagnostických řešení přizpůsobených na míru specifickým přístrojům. Cílem je dosáhnout vyšší úrovně ve schopnosti přístrojů samočinně hodnotit svůj vlastní stav. Společností ARC zde očekává pokrok v různých směrech, např. vývoj řešení umožňujících automatizovat péči o stav provozních přístrojů, která mohou zmírnit tlak na omezené zdroje a umožnit lidem věnovat se tomu, co jim jde nejlépe – nelineárnímu uvažování a řešení problémů (tab. 1).

Využití informací z výroby ke zlepšení provozní účinnosti

Úspěšné zavedení řešení typu PAM je jedním z nejdůležitějších kroků, které uživatel může udělat s cílem zavést strategii celopodnikové správy výrobních prostředků označovanou společností ARC jako CALM (Collaborative Asset Lifecycle Management). Zavést jasnou strategii v oblasti PAM samozřejmě znamená udělat více než jen instalovat inteligentní provozní přístroje a software. Možnosti diagnostiky na úrovni přístrojů mohou být celkem vyhovující, v závislosti na výrobci však značně kolísají. Řešení typu PAM doplněná údaji týkajícími se technologického procesu anebo jednoúčelovým softwarem mohou zvýšit hodnotu každého automatizačnímu projektu (obr. 6). Mají-li být strategie v oblasti PAM úspěšné a maximálně užitečné, musí se výrazně změnit také firemní kultura a způsob vedení podniku. Požadavky na snadnou dostupnost údajů z provozních přístrojů, inteligentní software a dokumentování účinku prováděných opatření jsou však pro některé dodavatele i nadále nepřekročitelnou překážkou.

Obr. 6.

Obr. 6. Prvky řešení typu Plant Asset Management (PAM)

V současné době je v důsledku menšího počtu pracovníků a úbytku technických znalostí v závodech požadováno, aby řešení byla „inteligentnější“ a schopná zpracovávat velké objemy dat s cílem najít problémové oblasti a nabídnout vhodné zásahy. Potíž je v tom, že důkladné znalosti potřebné k podrobné analýze problému má pouze prvotní dodavatel zařízení. Ten je musí, v zájmu efektivity, zpřístupnit a podělit se o ně s uživateli.

Dodavatelé řeší uvedené problémy různými novými způsoby. Společnost Emerson Process Management (EPM) např. výrazně zdokonalila svá řešení typu PAM uvedením AMS Suite, integrované rodiny aplikačních programů pro prediktivní údržbu, sledování výkonnosti a ekonomickou optimalizaci provozu zařízení, doplněné webovým portálem Web Asset Portal rozšiřujícím její použitelnost. Tento nový AMS Asset Portal umožňuje uživateli sledovat z jednoho rozhraní všechny výrobní prostředky, včetně těch dodaných třetími stranami, a to strojní i elektrotechnická zařízení, výrobní infrastrukturu i provozní přístroje včetně ventilů. Nové funkce umožňují nabídnout automatizovanou správu prostředků, která při zjištění závady nejenže poskytne patřičné údaje, ale může i navrhnout nápravná opatření.

Skutečnost, že společnost EPM použila ke sledování stavu zařízení s rotačními a vratnými pohyby sběrnici FF, rozhodně znamená nezbytný impuls k rychlejšímu rozvoji systémů pro prediktivní sledování stavu zařízení v reálném čase. Řešení AMS Asset Portal musí uvítat především uživatelé obhospodařující početnou a nehomogenní množinu prostředků. Při použití jejího řešení v celém závodě slibuje společnost EPM zvýšení celkové efektivity nejméně o 2 %.

Řešení od společnosti Honeywell s názvem PKS for Asset Effectiveness je software typu PAM orientovaný na spojité technologické procesy, který kombinuje dosavadní znalosti, nové přístupy a zdroje na straně uživatele s tím, co v jednotlivých kategoriích produktů nabízejí jejich přední dodavatelé. Společnost Honeywell spojuje zkušenosti předních dodavatelů provozních přístrojů se svou znalostí technologických procesů s cílem nabídnout pro správu výrobních prostředků technicky skutečně fundovaná řešení. Ta zjistí nejen v jakém je zařízení technickém stavu, ale i jaký je jeho vliv na celkovou provozní efektivitu závodu.

Program PKS for Asset Effectiveness analyzuje údaje o stavu výrobních prostředků a dává je do souvislosti s údaji naměřenými v řídicí smyčce a v systému s cílem určit technický stav zařízení. S použitím informací o procesu atd. může PKS for Asset Effectiveness hodnotit technický stav procesu i příslušných provozních přístrojů a jeho vliv na každodenní provozní činnost. Tento přístup umožňuje pracovníkům údržby soustřeďovat se na zařízení s největším vlivem na výsledky podnikání a směrovat úzkoprofilové zdroje tam, kde jsou nejvíce potřeba. I když je zde stále ještě relativně příliš mnoho výstražných hlášení, PKS for Asset Management je automaticky třídí a upozorňuje na kritické případy vyžadující okamžitou pozornost. A protože se analýza technického stavu provádí bez dodatečných zásahů do použitého zařízení, lze se v některých případech obejít bez změn hardwaru. Zejména se to týká regulačních ventilů, jejichž technický stav lze hodnotit při použití stávajícího analogového signálu a není k tomu nutné instalovat inteligentní regulátor polohy.

Společnost General Electric (GE) začala nedávno nabízet formou outsourcingu externí službu GE Predictor Services (GEPS) určenou pro velké provozovatele v oblasti infrastrukturních sítí. Jejím cílem je zvýšit spolehlivost a snížit náklady na údržbu provozovaného zařízení. Princip je ten, že s použitím uživatelových historických údajů, interních údajů GE a údajů o současné situaci v odvětví GE předpovídá budoucí chování zařízení, jako jsou transformátory, spínací zařízení a v budoucnu i motory, a to výrobků svých i jiných firem. Služba GEPS přebírá úplnou odpovědnost za sběr a analýzu údajů, za vedení dokumentace a za plánování údržbářských činností, takže uživatelé se mohou soustředit na svou hlavní činnost.

Ostatní dodavatelé, např. ABB, Endress+Hauser a Invensys, podporují metodu známou jako FDT (Field Device Tool), jejímž cílem je dosáhnout snadné dostupnosti dat a diagnostických údajů přítomných v inteligentních zařízení nezávisle na komunikačním protokolu a dodávající firmě. Metoda FDT nabízí otevřené standardizované rozhraní zvané DTM (Device Type Manager), což umožňuje komunikovat se zařízeními kompatibilními se standardem FDT obdobným způsobem, jakým pracuje např. ovladač tiskárny. Otevřená výměna dat umožní dodavatelům vyvinout řešení typu PAM vhodná pro širokou škálu provozních zařízení.

Společnost Endress+Hauser (E+H), přední dodavatel provozních průtokoměrů a hladinoměrů, je jedním z mála soukromých dodavatelů nabízejících vlastní řešení typu PAM. Její projekt správy provozních přístrojů prostřednictvím webu označený W@M je v současné době navržen tak, aby umožnil spravovat přístroje od E+H ve všech etapách jejich životního cyklu, od výběru vhodného zařízení až po jeho provozování, údržbu a opravy. Od použití webu k poskytování informací potřebných v jednotlivých etapách E+H očekává snížení nákladů na správu zařízení a zvýšení její efektivnosti, aniž je nutné přidat nějaký nový systém. Metoda FDT umožní společnosti E+H zahrnout do projektu W@M v pozici třetích osob také ty další dodavatele, kteří podporují metodu FDT, a to bez dodatečných výdajů na straně uživatele.

Bez ohledu na to, ke které nabídce systému typu PAM se uživatel přikloní, lze očekávat rozvoj kombinovaných řešení zaměřených současně na přístroje, proces i služby. Budoucnost bude vyžadovat širokou škálu inteligentních provozních přístrojů a softwarových řešení od nepříliš složitých, plnících jednoduché diagnostické úlohy, až po komplexní soběstačná zařízení schopná kontrolovat svůj technický stav, validovat svou výkonnost, vyřešit všechny problémy, které je potkají, a vydat výstražné hlášení až poté, kdy vyčerpají své vnitřní možnosti.

Použití znalostí k zajištění provozní bezpečnosti

Společnost ARC v již zmíněné strategické vizi spolupráce při péči o výrobní prostředky během celého jejich životního cyklu (CALM) pokládá za klíčovou část životního cyklu produktu fázi tzv. ukončení používání. Jestliže se zařízení porouchá, je další postup jasný. Je-li však provozuschopné, je k rozhodnutí o jeho vyřazení třeba více informací, než s kolika se v současné době zpravidla vystačí.

Základní prostředky s dlouhou dobou života se obvykle nahrazují novými z důvodu modernizace, úbytku výkonu a z bezpečnostních důvodů. Zavádí-li se v závodě nový řídicí systém, pak se stará infrastruktura, která je s ním nekompatibilní, obvykle bez dlouhého přemýšlení zlikviduje. Ovšem rozhodnutí, kdy nahradit existující výrobní zařízení novým z důvodu poklesu jeho výkonu nebo na základě rozboru nákladů z ušlé příležitosti při odmítnutí přechodu na novou techniku, je třeba založit a určitých formálních postupech a výpočtech. V případě těžkých chemických provozů a rafinerií jsou klíčovými hledisky bezpečnost a dodržování předpisů týkajících se vlivu na životního prostředí. Při transparentnosti informací z technologického procesu a duševního vlastnictví dodavatele lze tohoto cíle dosáhnout s prostředky, které poskytne dodavatel.

Dodavatelé mohou např. rozšířit svá řešení typu PAM tak, aby umožnila nejen sledovat současné vlastnosti zařízení, ale také je porovnat s vlastnostmi, které zařízení mělo, když bylo nové, a to v kombinaci se záznamem výskytu mimořádných provozních podmínek a situací. Tak lze získat skutečně zasvěcený pohled na provozní výkonnost a spolehlivost zařízení. Při dostupných údajích lze zařízení optimálně využívat po celou dobu jeho provozního života. Budoucí zařízení budou konstruována tak, aby byla schopná samostatně sledovat neobvyklé pracovní podmínky, překročení rozsahu, opotřebení, únavu materiálu apod. s cílem signalizovat potřebu výměny nebo zmenšení zatížení daného prvku či systému, a omezit tak možnost vzniku katastrofické události. Toho lze dosáhnout přidáním softwaru či dalších měřených veličin, např. provozní teploty, mechanického namáhání, doby trvání výrobního cyklu a celkové doby provozu, k predikci vzniku např. trhliny v tlakem namáhaném ochranném obalu nebo pravděpodobnosti výbuchu (zejména tam, kde provozní přístroje pracují s plynem nebo párou).

Přístup k datům umožňují bezdrátová řešení

I když výhody bezdrátových metod přenosu dat jsou zřejmé každému, názory uživatelů a dodavatelů na jejich náležité využití při řízení spojitých technologických procesů se zatím liší. Co je v tomto ohledu diskusím o použití bezdrátových (rozumí se rádiových) metod společné, to jsou obavy týkající se spolehlivosti, omezeného dosahu a informační bezpečnosti bezdrátových pojítek. Nicméně odpovědí na otázku, zda v průmyslu převáží bezdrátová pojítka, je hlasité „ano„, jak dokazuje svým razantním vstupem do této oblasti např. společnost Honeywell.

Tab. 2. Základní vlastnosti průmyslových bezdrátových pojítek

vysoká úroveň informační bezpečnosti

malé náklady na jedno místo

malé rozměry

napájení z různých zdrojů (baterie, stejnosměrné síťové zdroje)

dostatečně široké frekvenční pásmo

malá spotřeba energie

vhodný dosah

schopnost autokonfigurování

Metody bezdrátového přenosu jsou již natolik dokonalé, že si je uživatelé již mohou začít osvojovat v praxi tam, kde případné problémy v zásadě neohrozí chod závodu. Zavedení bezdrátových pojítek zlevní automatizační řešení a přinese hospodárný způsob přístupu k datům, a tak umožní realizovat nová řešení založená informacích a znalostech (tab. 2).

S kritickými provozními činnostmi v závodě je podle odhadů spjato jen asi 25 až 30 % instalované přístrojové techniky. Zbytek je rozdělen mezi nekritické úlohy, přičemž jeho nadpoloviční část může prostřednictvím systému správy výrobních prostředků přispět k nárůstu efektivity výroby. Náklady na přechod na novou techniku (migraci) jsou vesměs značné. Proto je třeba, aby uživatelé instalovali číslicové komunikační sběrnice především na těch nejkritičtějších místech, kde je jejich přínos největší, a všude jinde ponechali dosavadní analogová řešení, popř. doplněná protokolem HART, k migraci někdy později. Opětné použití perfektně fungujících řídicích systémů, infrastruktury a provozních přístrojů významně zvětšuje návratnost investic a představuje hospodárný způsob přechodu do éry číslicových sběrnic tam, kde nejde o nové provozy budované „na zelené louce„.

Podle odhadů je jednou z nejnákladnějších částí systému pro řízení spojitých technologických procesů kabeláž spojující vlastní řídicí jednotky s přístroji v provozu. Jedná-li se o modernizaci existujícího závodu instalací nových provozních přístrojů, náklady na kabeláž ještě vzrostou: náklady na výměnu kabeláže v již existující továrně se mohou přiblížit čtyř- až šestinásobku nákladů na kabeláž v závodech budovaných jako nové.

Při použití bezdrátových pojítek klesají náklady na infrastrukturu a z principu odpadají problémy s jiskrovou bezpečností, zemněním, galvanickým oddělením i konektory. Při bezdrátovém připojení velkého počtu nekritických zařízení současně lze také dosáhnout významných úspor nákladů na jejich údržbu. Analogová kabeláž starších řídicích systémů totiž neumožňuje agregovat data sbíraná z provozních přístrojů s protokolem HART do jednoho místa. Aby bylo možné použít software typu PAM, musí být v těchto případech provedeny většinou nákladné stavební úpravy a dodatečně instalovány rovněž nákladné přepínače. Elegantním a v praxi použitelným řešením by zde mohly být přídavné bezdrátové moduly spojující inteligentní provozní přístroje s OPC serverem při použití standardního protokolu HART.

Uvažuje-li se o použití bezdrátových pojítek v nekritických úlohách, ztrácejí na významu parametry jako rychlost, šířka pásma a informační bezpečnost. Jakákoliv porucha zde totiž bude mít jen minimální vliv na samotný proces. Rovněž tak námitka, že k provozním přístrojům je stejně třeba vést napájecí kabeláž, velmi často používaná v neprospěch nových instalací bezdrátových pojítek, je bezvýznamná tam, kde se bezdrátovou technikou modernizují starší provozy s již existujícími napájecími rozvody.

Při použití bezdrátové techniky jsou také minulostí přeložky staré a pokládání nové kabeláže, dosud tradičně provázející veškeré modernizace systémů řízení. S pokračující saturací trhu s osobními bezdrátovými přístroji by dodavatelé bezdrátových řešení techniky mohli přehodnotit své dosavadní aktivity v oblasti průmyslu a nabídnout produkty, které odstraní mnohé z překážek dosud bránících plnému přijetí bezdrátové techniky v řízení.

Bezdrátová řešení jsou k dispozici
Cestu ukazují firmy Ember a Millennial Net nabízející levná ad hoc síťová řešení umožňující hospodárně spojovat provozní i další přístroje do bezdrátových sítí. Díky malým rozměrům lze jejich bezdrátové prvky snadno použít ve finálních výrobcích (OEM) nebo jimi modernizovat stávající zařízení. Rozdíl mezi řešením s ad-hoc sítěmi a běžnou radiofrekvenční (RF) technikou spočívá ve velmi nízké ceně vysílacích a přijímacích modulů pro ad-hoc sítě – při dodávkách ve velkém jsou náklady na jeden modul jen několik málo dolarů. Ovšem největší výhodou ad hoc sítě je způsob, jakým funguje. Její prvky se samočinně konfigurují, opravují a navzájem propojují, což znamená, že k uvedení této techniky do provozu není třeba udělat o mnoho více než připojit dodanou jednotku k např. k provoznímu přístroji a seřídit anténu. Možnosti použití této techniky ve výrobních závodech zkoumá v současné době mnoho dodavatelů.

Na základě získaných zkušeností a prokázané informační bezpečnosti proprietárního bezdrátového RF protokolu využívajícího metodu rozmítaného spektra (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS) v pásmu 900 MHz obliba této bezdrátové techniky stále roste. Firma Honeywell ji např. používá ve svých převodnících řady XYR 5000 Wireless Transmitters dodávaných ve variantách pro měření přetlaku vůči okolní atmosféře, absolutního tlaku nebo teploty. Podobně jako mnoho dalších bezdrátových zařízení jsou jak vlastní snímač, tak i elektronický převodník napájeny z baterie s dobou života tři až pět let. Součástí přístrojů je samokontrolní software sledující stav baterie a upozorňující na blížící se vybití. Při dosahu pojítka až asi 650 m lze dosáhnout skutečně významných úspor, když uvážíme, že náklady na kabeláž mohou být i 120 až 150 USD za metr.

Bezdrátové sledování stavu zařízení
Protože si jsou vědomi významu řídicí techniky pro hladký průběh výroby, chovají se pracovníci v tomto oboru až ultrakonzervativně a zavedení novinek budou, jako zatím vždy, odkládat. Mnoho měřicích zařízení je ovšem určeno pouze ke sledování technologického procesu bez jakékoliv účasti na řídicí zpětné vazbě. Tyto úlohy jsou hlavními kandidáty na použití bezdrátové techniky a budou patrně i jejími prvními „uživateli„.

Bezdrátová řešení je třeba, jak již bylo řečeno, nejprve použít k modernizaci již provozovaných nekritických úloh pouhého sledování technologických veličin, kde případné problémy s přenosem nebudou mít závažnější vliv na chod procesu a kdy se neuplatní častá námitka proti novým instalacím bezdrátové techniky, že vedle instalace bezdrátového pojítka je třeba ještě stejně po drátech napájet provozní přístroje (tyto vodiče jsou již instalovány).

Není pochyb o tom, že všichni přední dodavatelé řídicí techniky vynakládají stále větší částky na výzkum a vývoj bezdrátové techniky. Současně zkoumají možnosti využití komerčně dostupných řešení např. pro monitorovací úlohy. Musí jít o zařízení vhodná k použití v nepříznivých provozních podmínkách, natolik zabezpečená, spolehlivá a výkonná, že budou moci přenášet data z měřicích přístrojů do velínu a další určená místa, např. do údržbářské dílny. Umožní-li to ceny, může se bezdrátová technika stát katalyzátorem rychlého růstu počtu zavedených monitorovacích řešení. Nízké náklady na pořízení i provoz (TCO) bezdrátových pojítek totiž umožní přiklonit se k monitorování i tam, kde dosavadní řešení byla nepřijatelně nákladná.

Shrnutí

Na základě celkového rozboru situace a předpokládaného vývoje lze subjektům zainteresovaným na dalším rozvoji automatizační techniky doporučit následující:

  • doplnit do provozních přístrojů funkce pro práci se znalostmi a poskytnout tak informační klíč ke zvýšení provozní efektivity podniku (dodavatelé),

  • pátrat po hodnotě skryté v informacích a znalostech týkajících se jejich podniků s cílem zvýšit výtěžek z veškerého svého majetku (uživatelé),

  • přejít na architekturu CPAS, která umožní dosáhnout bezbariérového přístupu k informacím týkajícím se řízeného procesu i jednotlivých provozních zařízení, a tím výroby ve vzájemné spolupráci jednotlivých závodů (uživatelé spolu s dodavateli),

  • při modernizaci automatizačních systémů uvažovat další použití stávajících provozních přístrojů vybavených protokolem HART,

  • přijmout řešení typu PAM a použít strategii celopodnikové správy výrobních prostředků (CALM) jako nástroj ke snížení nákladů a k lepšímu využití technologického zařízení; použít přitom vhodnou kombinaci řešení na úrovni zařízení, procesu a externě, formou outsourcingu, zajišťovaných služeb,

  • sledovat vývoj v oblasti bezdrátové techniky a zahrnout tuto funkční schopnost do svých strategických výrobních (dodavatelé), popř. automatizačních plánů (uživatelé).

Wil Chin, research director,
ARC Advisory Group

Z anglického originálu Need for Business Knowledge Transforms the Role of Field Devices, ARC Strategies, ARC Advisory Group, Dedham, November 2003, přeložil a pro tisk upravil (sk); otištěno se svolením ARC Advisory Group (http://www.arcweb.com) a Endress+Hauser Group.


1) Každoroční ztráty v důsledku neplánovaných odstávek představují v Severní Americe více než 20 miliard USD neboli téměř 5 % celkového objemu výroby.