Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Milníky a trendy automatizace technologických procesů

Milníky a trendy automatizace technologických procesů

Jiří Vacátko

Článek připomíná historické milníky oboru automatizace technologických procesů a nastiňuje trendy jeho budoucího vývoje.

1. Úvod

Automatizace v současné době je široký obor s mnoha produkty a činnostmi a různými oblastmi jejich využití. Předkládaný příspěvek popisuje významné milníky a uvádí nástin budoucích trendů jedné z jeho nejvýznamnějších částí – oboru automatizace nepřetržitých technologických procesů. Ta obvykle představuje komplexní použití řídicích systémů a dalších komponent automatizační techniky při zásadním požadavku zajistit vysoký stupeň provozuschopnosti a bezpečnosti řízeného technologického zařízení. Celkový výsledek je potom dán jak použitými technickými a programovými prostředky, tak zejména kvalitou inženýrských činností založených na příslušných znalostech a zkušenostech.

2. Lokální ovládání a řízení

Počátky automatizace sahají do období prvního využívání jednoduchých strojů a mechanismů. Případné regulační a řídicí funkce byly jejich nedílnou mechanickou součástí a odstraňovaly potřebu trvalé přítomnosti lidské obsluhy. Za zmínku stojí např. plovákový regulátor přítoku vody do napáječky dobytka zmiňovaný v arabských textech z 9. století. V období průmyslové revoluce se začaly objevovat regulační mechanismy jako součást strojů tam, kde již přímé ovládání člověkem není možné (rychlost, kvalita, bezpečnost atd.). Všeobecně je znám Wattův odstředivý regulátor otáček parního stroje z roku 1782. Skutečné počátky oboru automatizace je však možné datovat až do období krátce před 2. světovou válkou a zejména během ní. V této době také vznikly první teoretické práce popisující základní zákonitosti automatického řízení (např. Nyquistovy práce v oblasti stability a záporné zpětné vazby ve 30. letech dvacátého století a zejména Zieglerova-Nicholsova metoda optimálního nastavení regulátoru z roku 1942). Ačkoliv automatizace jako obor není přímo svázána s elektrotechnikou (viz mechanické provedení regulátorů v prvopočátku a poté jejich hydraulické a pneumatické realizace používané ve specifických úlohách i nyní), její doslova bouřlivý rozvoj až do současné podoby byl umožněn právě rozvojem elektrotechniky a později zejména elektroniky.

Obr. 1.

Obr. 1. Reléový modul řídicího systému Diamo KŘS (zdroj: ZAT)
Obr. 2. Jednotka vzdálených vstupů a výstupů typu ZAT-D2 (zdroj: ZAT)

Poměrně dlouhé počáteční období automatizace se vyznačovalo plným distribuováním řídicí techniky na řízeném technologickém zařízení v podobě jeho lokálního ovládání a řízení.

3. Sledování a řízení na dálku

Bouřlivý rozvoj oboru automatizace, daleko překonávající dosavadní lokální řídicí techniku, nastal po 2. světové válce. Začaly se automatizovat rozsáhlé technologické celky, a to zejména s nepřetržitými technologickými procesy (rafinerie, metalurgické závody, elektrárny atd.). Vznikaly první centralizované velíny pro dílčí technologická zařízení i úplné technologické celky. Ovládání a měření na dálku byla nejprve možná na úrovni silové elektrotechniky (přímé spínání a měření spotřeby výkonné elektrické energie). Následně se oddělila silová úroveň elektrotechniky od její ovládací a řídicí úrovně. V 50. letech dvacátého století vznikly první automatizační prostředky na bázi elektrických relé a stykačů, které umožňovaly vytvářet již poměrně rozsáhlé automatiky především logického typu. Na konci 60. let nastoupily modulární stavebnice analogových automatizačních systémů na bázi polovodičových prvků. Z nich byla formou fyzického propojení a konfigurování jednotlivých existujících modulů (obr. 1) vytvořena konečná podoba řídicího systému příslušného technologického zařízení. V praxi tyto systémy pokrývaly rozsáhlé technologické celky a plnily složité funkce logického i spojitého řízení.

4. Nástup digitální techniky

Využívání číslicových počítačů pro zpracování dat záhy vedlo k myšlence jejich použití při řízení technologických procesů. První takováto řešení se datují do 60. let dvacátého století. Šlo však spíše o experimentální záležitosti. Obr. 2. Významnější bylo vypracování příslušné teorie diskrétního řízení a v 70. letech se objevila první reálná použití počítačů v průmyslu. Stále ale šlo o záležitost pro týmy počítačových expertů, a ne pro lidi z oblasti automatizace. Značným problémem byla především spolehlivost provozovaných prostředků. V 80. letech se objevily specializované minipočítače pro řízení v reálném čase se vstupním a výstupním rozhraním pro připojení snímačů a akčních členů svázaných s technologickým procesem. Počítač s programem se však obvykle nenacházel přímo v úrovni zpětnovazebního řízení a ovládání technologického procesu, ale tvořil spíše komfortní informační a řídicí nadstavbu. Rozhodující událostí pro budoucí číslicové období automatizace byl vznik mikroprocesoru (osmibitový procesor Intel 8080 v roce 1974 a šestnáctibitový Intel 8086 v roce 1977).

5. Od počítačů k PLC a DCS

Prvními číslicovými automatizačními prostředky nevyžadujícími „počítačové“ znalosti byly programovatelné automaty (Programable Logic Controller – PLC), které se objevily na konci 70. let dvacátého století. Vznikly jako programovatelná náhrada reléových automatik. Jejich řídicí funkce se programují s použitím nástrojů blízkých lidem z oboru automatizace (liniové diagramy, logické instrukce, stavové diagramy atd.), které od počátku často mají podobu podpůrných (semi)grafických nástrojů. Z funkčního hlediska disponují vstupy a výstupy pro univerzální množinu signálů. Jejich bouřlivý rozvoj a masové šíření nastaly v 80. letech minulého století s hromadným rozšířením mikroprocesorů.

Ve druhé polovině 80. let dvacátého století vznikl ještě další typ prostředku pro automatizaci technologických procesů – distribuovaný řídicí systém (Distributed Control System – DCS). Jde o číslicovou náhradu analogových automatizačních stavebnic určených pro řízení nepřetržitých technologických procesů. Především s cílem dosáhnout potřebné provozní spolehlivosti řídicího systému a dostupnosti řízeného technologického zařízení byla použita distribuovaná struktura mikropočítačového hardwaru spolu s jednotlivými řídicími funkcemi (systém je rozdělen na řadu propojených, nicméně samostatně pracujících podsystémů). Zavést DCS znamená vyprojektovat strukturu vzájemně propojených podsystémů a připojení jejich vstupů a výstupů ke snímačům a akčním členům technologického procesu. Řídicí funkce se definují logickým propojením, konfigurováním a parametrizováním předem naprogramovaných funkčních bloků v podpůrných počítačových grafických nástrojích. Distribuované řídicí systémy se nejčastěji používají pro spojité zpětnovazební řízení, přímé logické řízení a ovládání rozsáhlých technologických celků. Jako první řídicí systémy začaly využívat sériové komunikační sběrnice a počítačově řešené prostředky pro styk s obsluhou (monitorovací a ovládací systémy).

Obr. 3.

Obr. 3. Společný velín Elektrárny Mělník I (zdroj: ZAT)

Systémy PLC i DCS jsou umísťovány centrálně v prostorách k tomu speciálně vytvořených. V obou případech zpočátku šlo o jedinečná firemní řešení s minimem standardizovaných a vzájemně unifikovaných částí.

6. Sériové komunikační sběrnice

Realizace řídicích systémů na bázi číslicových procesorů záhy vedla k využívání sériových sběrnic k jejich vzájemné komunikaci. Jako první se sériové sběrnice v jedinečných firemních provedeních objevily v DCS a staly se jedním z jejich nosných prvků. Následně se začaly uplatňovat také při propojování do té doby lokálně provozovaných PLC a k připojení operátorských panelů nebo komfortnějších systémů styku s obsluhou. Potřeba propojovat mnoho typů řídicích systémů od různých výrobců přinesla první standardizované komunikační rozhraní a protokoly. Tento trend pokračuje při stále častějším využívání standardů vzniklých v oboru informatiky (Information Technology – IT). V současné době je mnoho metod komunikace používaných v automatizaci založeno na standardu Ethernet s různě propracovanou podporou provozu v reálném čase. Všeobecně uznávaný jednotný standard však stále neexistuje.

Obr. 4.

Obr. 4. Pult operátora systému řízení regulačních tyčí jaderného reaktoru VVER 1000 (zdroj: ZAT)
Obr. 5. Zobrazení systému pásových dopravníků a poháněcích stanic na operátorské stanici (zdroj: ZAT)

Specifickým komunikačním prostředkem v automatizaci jsou sériové sběrnice typu fieldbus pro připojení vzdálených decentralizovaných vstupů a výstupů nebo přímo inteligentních snímačů a akčních členů. Zde se vedle standardních fyzických rozhranní sériových sběrnic (RS-485, CAN a v poslední době také Ethernet) uplatňují také metody přenosu dat založené na superponování střídavých signálů nesoucích číslicovou informaci do analogových proudových smyček (HART, Foundation Fieldbus). Z hlediska číslicové komunikace jde o deterministický provoz s pevně danou a zaručenou časovou odezvou.

7. Systémy styku s obsluhou

Systémy pro styk s obsluhou založené na počítačové technice se nejprve objevily u systémů DCS. Šlo o drahé výkonné pracovní stanice s grafickými terminály a firemními specializovanými programovými produkty. Jen velmi pomalu a těžce se do této oblasti prosazovaly počítače standardu PC, následně s operačním systémem Windows. Nicméně v současné době jsou na tomto základě řešeny nejenom komfortní systémy styku s obsluhou (HMI/SCADA), ale také většina jednodušších operátorských panelů (obr. 3, obr. 4, obr. 5). Existuje mnoho univerzálních programových balíků pro tvorbu systémů styku s obsluhou s otevřenými komunikačními rozhraními a standardním datovým rozhraním OPC. Vedle stanic pro vizualizaci a ovládání technologického procesu tyto balíky nyní obsahují další systémy pro zpracování a uchovávání technologických dat (provozní a archivační databáze a servery) a obecně libovolné související výpočty v režimech práce on-line i off-line. Běžně je požadováno propojení této úrovně řízení technologického procesu s vyšší informační úrovní podniku. Moderním trendem se stává využívání internetových metod při současném zajištění provozní spolehlivosti a bezpečnosti příslušných aplikačních programů.

Obr. 5.

8. Vstupy a výstupy

Jednou z nejdůležitějších a nejrozsáhlejších částí automatizačního systému je oblast připojení výkonných řídicích prostředků k řízenému technologickému procesu. Na nejnižší úrovni řízení technologie byla a stále je velká potřeba různých přizpůsobení, oddělení, zesílení a převedení používaných signálů ze snímačů a akčních členů při použití hardwarových modulů. Signály byly v počátcích k řídicím systémům připojeny prostřednictvím I/O obvodů fyzicky přítomných v řídicích stanicích. Při tomto i v současnosti běžně používaném centralizovaném řešení je třeba přivést jednotlivé signály z technologického zařízení kabely k vlastnímu řídicímu systému. S nástupem komunikačních sběrnic typu fieldbus se začala používat vzdálená decentralizovaná I/O zařízení pro připojení vstupních či výstupních signálů schopná umístění v bezprostřední blízkosti řízeného technologického zařízení a příslušně komunikující s řídicím systémem (obr. 2).

Novou kvalitu do oblasti řešení vstupů a výstupů řídicích systémů vnášejí inteligentní snímače a akční členy. Tyto mikroprocesory řízené přístroje jsou často samy o sobě složité automatizační systémy (např. měniče pohonů s asynchronními motory) realizující mnoho nových funkcí (parametrizace, diagnostika, kalibrace, údržba, měření hlavní veličiny a často i mnoha vedlejších provozních veličin). Pro takto řešené snímače a akční členy se nabízí jak možnost analogového připojení ke klasickým vstupům a výstupům realizujícím digitalizaci příslušných signálů, tak i přímé připojení s použitím sběrnic typu fieldbus (HART, Profibus-DP atd.).

Zcela nové řešení úrovně čidel a akčních členů poskytuje koncept Foundation Fieldbus. Nejde pouze o sběrnici typu fieldbus pro připojení inteligentních snímačů a akčních členů k řídicímu systému, ale o nový způsob realizace distribuovaného zpětnovazebního řízení na „nejnižší“ úrovni (řídicí algoritmy jsou přímo vykonávány v inteligentních snímačích nebo akčních členech začleněných prostřednictvím sběrnice Foundation Fieldbus do uzavřené smyčky).

9. Splynutí HMI a IT

Systémy styku obsluhy s technologickým procesem (HMI) a systémy pro informatiku (IT) jsou v současnosti realizovány s použitím shodného hardwaru (PC) i systémového softwaru. Z hlediska funkčních schopností tvoří hierarchii, kdy vyšší úrovně IT přebírají a dále distribuují a zpracovávají data pořízená úrovní HMI z technologického procesu (obr. 6).

Obr. 6.

Obr. 6. Hierarchický řídicí systém ZAT – Plant Suite MP zahrnuje procesní úroveň ZAT–2000 MP, operátorskou úroveň HMI a propojení na vyšší úroveně IT (zdroj: ZAT)

Řídicí systém pro přímé řízení a ovládání technologického procesu představuje poměrně konzervativní úroveň, jejíž životní cyklus je spojen především s vlastním řízeným technologickým zařízením (modifikace této úrovně řízení je často spojena se změnami v řízeném provozu). Naopak systémy HMI realizované nástroji IT v současné době představují úroveň, která podléhá rychlému fyzickému a zejména morálnímu zastarávání. Modifikace a modernizace této úrovně jsou vyvolávány novými nabízenými systémovými funkcemi z oblasti IT a často také „vynucenými“ inovacemi danými rychlým vývojem hardwaru i softwaru (po určité době nelze původní hardware koupit a software již není podporován). Pojítkem mezi oběma úrovněmi se stává komunikační sběrnice na bázi standardu Ethernet.

10. Prorůstání DCS a PLC

Rostoucí výkonnost, funkční schopnosti a spolehlivost řídicích systémů typu PLC a DCS realizovaných na bázi procesorů postupně vedly ke stírání rozdílů mezi nimi. Systémy typu PLC získaly funkce obvyklé u DCS a staly se skutečně hromadně vyráběným a dodávaným zbožím. Distribuované řídicí systémy naopak zůstaly komplexním nástrojem pro řízení především rozsáhlých nepřetržitě provozovaných technologických celků. Z důvodu dosažení vyšší efektivity vývoje a výroby DCS se začaly k realizaci těchto systémů využívat technické prostředky vyvíjené a vyráběné původně jako PLC.

Dělení řídicích systémů na DCS a PLC je tedy v současnosti stále méně dáno použitými technickými prostředky. Historicky daná kategorizace nyní spíše charakterizuje způsob prodeje, popř. řešení komplexnějších dodávek. Systémy typu PLC se prodávají jako „jednotlivé“ nástroje vhodné pro široké spektrum úloh. Naopak DCS jsou vnímány jako prostředky pro automatizaci složitých a rozsáhlých technologických zařízení a k tomu disponují komfortními nástroji pro centralizovanou správu projektu a provozu řídicího systému po celou dobu jeho provozního života. Jde tedy o prostředky spojené především s komplexními dodavatelskými službami.

11. Trendy automatizace technologických procesů

Vlastní řízení nepřetržitě provozovaných technologických procesů bude směřovat ke stále širšímu využívání inteligentních čidel a akčních členů. Tím se bude zpětnovazební řízení přesouvat na nejnižší úroveň přímého distribuovaného řízení v provozu. Klasické řídicí systémy převezmou úlohu nadřazeného řízení technologických skupin a celků. S tím snad také dojde k širšímu využívání moderních poznatků teorie automatického řízení. Standardizace nebude využívána pouze v oblasti komponent a nástrojů pro automatizaci, ale také pro řešení cílových úloh (viz např. současné požadavky na zavádění systémů s vlivem na bezpečnost řízených technologických zařízení).

S rostoucí složitostí celé soustavy řízení bude stále větší úlohu hrát diagnostika jak vlastního řídicího systému, tak především řízených soustav. Využívány budou stále komfortnější a komplexnější nástroje pro podporu projektování a údržby po celou dobu provozního života řídicího systému.

Při požadované vysoké míře spolehlivosti a bezpečnosti cílových automatizačních řešení bude pokračovat pronikání prostředků z oblasti IT do automatizace (hardware, software, metody plug-and-play, internetové metody atd.). Realizovány budou také nové aplikační nástroje pro zpracování on-line i off-line velkého množství získávaných a uchovávaných výrobních dat.

Literatura:
[1] CENDELÍN, J.: Historie programovatelných automatů a jejich současné efektivní použití. Automa, 2003, roč. 9, č. 6, s. 6–9.
[2] JACOBS, M.: Systémy pro řízení spojitých procesů – „z deště pod okap“? Automa, 2004, roč. 10, č. 2, s. 24–26.
[3] BERRIE, P. G. – NETO, E. F. da S.: Kdo se bojí řídit přímo v provozu? Automa, 2005, roč. 11, č. 2, s. 10–12.
[4] KLÁN, P.: Kongres IFAC v Praze a některé současné problémy automatizace. Automa, 2005, roč. 11, č. 3, s. 86–88.
[5] ZEZULKA, F.: Požadavky distribuovaných systémů řízení na průmyslovou síť Ethernet. Automatizace, 2006, roč. 49, č. 2, s. 86.

Ing. Jiří Vacátko,
ZAT a. s., management

Ing. Jiří Vacátko ukončil studium technické kybernetiky na Fakultě elektrotechnické tehdejší VŠSE v Plzni v roce 1983. Poté se zabýval vývojem mikroprocesorových řídicích systémů a jejich programového vybavení. Na různých postech se zúčastnil jejich zavádění v energetice a elektrických trakčních vozidlech. Nyní pracuje jako výkonný ředitel pro technický rozvoj společnosti ZAT a. s.

Článek je redigovanou verzí příspěvku Milníky a trendy procesní automatizace předneseného autorem na 2. konferenci Automatizace, regulace a procesy – ARaP 2006 v Brně v listopadu 2006.