Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Nástroj UAG – nový přístup k automatizaci procesů

Nástroj UAG – nový přístup k automatizaci procesů

Softwarový nástroj UAG je součástí komplexní sady softwarových aplikací koncepce Unity. Jde o zcela nový typ vývojového nástroje pro automatizaci technologických procesů. Řeší nedostatečnou součinnost při realizaci řízení procesů mezi procesními inženýry (technology) a programátory řídicích systémů, kteří pracují se specializovanými, vzájemně nekompatibilními softwarovými nástroji. V důsledku toho je třeba, aby např. změny provedené procesním inženýrem ve vlastním procesu byly znovu zapracovány programátorem do softwaru pro řízení. Software UAG (Unity Application Generator) mění tento zažitý systém práce. Procesní inženýři mohou přímo při realizaci procesu využívat software, který používají programátoři – obě skupiny pracovníků používají ve fázi návrhu procesu jediný software, UAG.

Historie produktu

U zrodu produktu UAG byla myšlenka vytvořit takový softwarový nástroj, který výrazně usnadní a zrychlí vývoj programových aplikací pro řízení průmyslových procesů. Na začátku 90. let dvacátého století bylo standardem používat k řízení technologických procesů programovatelné automaty (PLC) a systémy SCADA pro komunikaci s obsluhou. Alternativou k tomuto standardu bylo zařazování systémů DCS především u rozsáhlejších aplikací. Každá z platforem měla své výhody a nevýhody, ale vlivem vývoje cen a dalších faktorů se ve větší míře prosadila platforma PLC.

Obr. 1.

Obr. 1. Přechod z UAG do prostředí Concept při úpravě řídicí logiky motoru

Nicméně platforma DCS si udržela své nesporné výhody, a to zejména v tom, že řídicí a vizualizační aplikace je možné vyvíjet současně na základě jedné společné databáze dat. Dalšími přednostmi jsou komfortnější správa rozsáhlých systémů, lepší přehlednost a čitelnost aplikací systému. Právě proto vznikla myšlenka využít nesporně výhodné vlastnosti systémů DCS a přenést je do systémů vybavených PLC. Jestliže je totiž levný hardwarový PLC doplněn nadstandardními softwarovými nástroji, stává se dostupnější alternativou k systémům DCS.

Vývoj nástroje UAG

Vývoj nového softwaru zahájila na začátku 90. let dvacátého století skupina vývojových pracovníků francouzské cukrovarnické společnosti Saint Louis Sucre ve spolupráci s pracovníky německé pobočky společnosti Schneider Electric. První funkční verze softwaru se jmenovala AFO a pracovala v operačním systému MS-DOS. Po ní následovala očekávaná verze One Step Generator, pracující pod Windows NT; to zvýšilo komfort při práci s aplikací. Přechod na verzi pracující pod Windows XP a integrace do koncepce Unity společnosti Schneider Electric přinesly změnu názvu. Ten nyní již zcela vystihuje funkci programu – Unity Application Generator. Spolupráce techniků a programátorů obou firem, které stály u zrodu tohoto nástroje, vedla k dosažení výhodných vlastností produktu i jeho použitelnosti v praxi.

UAG – co vlastně umí

UAG je samostatná aplikace, která je součástí softwarové sady Unity, nyní v aktuální verzi 2.3. Z hlediska vývoje řídicích aplikací jde o nejvýše postavenou aplikaci v celé sadě. Nástroj UAG byl vyvinut k rychlému a komfortnímu vývoji aplikací pro řízení průmyslových procesů, ale není vhodný pro řízení strojů. Technologické procesy představují ideální místo nasazení této aplikace.

Základem UAG je komplexní informace o technologickém procesu, včetně infrastruktury řídicího systému, udržovaná ve formě databáze. Výsledkem snažení programátora během vývoje aplikace v UAG je tedy databázový soubor (kompatibilní s MS Access), v němž jsou uloženy veškeré informace. Zálohování celého projektu je tak velmi snadné.

V UAG procesní inženýři mohou:

  • definovat obecnou strukturu řízeného procesu založenou na objektech definovaných v tzv. fyzickém modelu podle struktury dané normou ISA S88,

  • realizovat propojení (link) objektů UAG s příslušnými procesními dokumenty (funkční analýzy procesu v MS Word nebo PDF, procesní nebo regulační schémata v AutoCAD, MS Visio apod.). Programátoři v UAG mohou:

  • vytvářet architekturu řízení pomocí PLC, vizualizačních systémů (HMI) a komunikačních sítí definovaných v topologickém modelu,

  • vytvářet řídicí logiku a přiřazovat ji objektům definovaným procesními inženýry,

  • generovat až 40 % řídicí logiky do programů pro PLC a HMI (SCADA) z definice řízeného procesu.

Kromě uvedených vlastností umožňuje UAG svému uživateli především vytvářet distribuovaný řídicí systém s několika systémy PLC a HMI v jednom kroku, jak bude uvedeno v dalším textu. Uživatel v UAG vytváří pouze jednu procesní databázi, která uchovává veškerá procesní data jak pro HMI, tak pro PLC. Díky tomu je možné generovat pomocí UAG v jednom kroku výstup pro PLC, HMI a komunikaci dané aplikace. Data jsou do databáze zapisována on-line. To zaručuje stálou konzistenci dat při práci více programátorů na jednom projektu v jeden okamžik. Při vývoji projektu se používá objektově orientovaná metoda s opakovaně použitelnými prvky, jako jsou motory, ventily, čerpadla, dopravníky atd.

Obr. 2.

Obr. 2. Strukturování řízeného procesu podle normy ISA S88

Systém sledování změn dovoluje uživateli sledovat veškeré změny v projektu provedené ostatními uživateli (např. při víceuživatelské práci na projektu). Nástroj UAG umožňuje správu dokumentů, jako jsou schémata, popisy funkcí atd., které mohou být propojeny k odpovídajícím objektům v projektu. UAG obsahuje výkonný prostředek pro analýzu a kontrolu projektu (důležité především před generováním PLC a HMI).

Hlavní výhody práce s UAG lze shrnout do těchto bodů:

  • spojením úloh procesních inženýrů a programátorů do jednoho softwaru je zajištěna stoprocentní konzistence dat, která u dříve odděleně řešených úloh nemohla být nikdy dokonale zaručena,

  • definováním struktury řízeného procesu se připravují podklady pro generování výstupu současně jak pro PLC, tak i pro HMI

  • odpadá dvojí práce,

  • snadnější a rychlejší vývoj a testování aplikací díky opakovanému využívání objektů,

  • rychlejší a přehlednější údržba systému,

  • propracovaný systém historie změn,

  • znatelné zvýšení kvality a bezpečnosti vytvářeného softwaru mimo jiné díky definicím vynucených stavů (interlock) již v UAG,

  • výrazně kratší doba potřebná pro instalaci a uvedení do provozu.

Co je výstupem z UAG

Softwarový nástroj UAG generuje dva typy výstupů: pro PLC a HMI. Výstupem pro PLC je logika pro programovací software Concept/Unity Pro (podle IEC 61131) pro PLC řady Quantum/Premium (obr. 1). Pro operátorské rozhraní – HMI generuje UAG tři možné výstupy:

  • Monitor Pro (proměnné a grafika odpovídající objektům vytvořeným v UAG),

  • IFIX (proměnné a grafika odpovídající objektům vytvořeným v UAG),

  • Generic HMI (proměnné odpovídající objektům vytvořeným v UAG exportované do souboru a připravené k importu do libovolného softwaru SCADA).

Obr. 3.

Obr. 3. Editace vlastností objektu modul řízení

Výstup generovaný z UAG lze přímo načíst do PLC i HMI. Vygenerovaná logika, proměnné a grafika tvoří především statickou část procesu, tedy hlavně objekty s nastavenými parametry (motor, ventil, regulátor atd.). K vytvoření konečné funkční aplikace je třeba doprogramovat zbývající dynamické chování procesu (funkce, složitější větvení sekvencí atd.), u HMI je zapotřebí dotvořit konečnou grafiku a funkce.

Strukturování řízeného procesu podle normy ISA S88

Norma zjednodušeně definuje strukturu, podle které lze rozčlenit jakýkoliv výrobní proces. Členění je stupňovité, nejvyšší úroveň se nazývá lokalita (site), nejnižší úroveň procesu je modul řízení (control module) (obr. 2). Strukturu řízeného procesu definuje procesní inženýr do fyzického modelu UAG. Nástroj UAG mu pomáhá dodržovat pravidla přesně podle normy S88 – část 1 – Modely a terminologie. Každá úroveň může obsahovat libovolný počet nižších úrovní, což vytváří stromovou strukturu. Pro správné používání UAG je nutné správně pochopit hierarchii členění procesu podle této normy ISA S88.

Modul řízení

Modul řízení (obr. 3) je obecný název k definici snímačů, výkonových členů a ostatních prvků řízení, které jsou z pohledu řízení samostatné funkční jednotky. Může to být reálný objekt, třeba motor, ventil, snímač teploty apod., nebo pouze logický objekt, jako např. časovač, objekt s volnými proměnnými, objekt s parametry pro regulaci atd.

Obr. 4.

Obr. 4. Úprava personalizace v nástroji UAG Customization Editor

Modul řízení je v UAG vytvořen objektem SCOD (Smart Control Device), jenž může být v projektu použit opakovaně. V UAG jsou připraveny základní typy objektů modulů řízení, pro vlastní aplikace je ale vhodné vytvořit si vlastní knihovnu těchto objektů; ty budou součástí „personalizace“ UAG, popsané v dalším textu, a budou přizpůsobeny požadavkům uživatelů daného průmyslového odvětví. Objekty SCOD se vytvářejí v samostatném nástroji SCOD Editor. Objekt SCOD tvořící modul řízení obsahuje zejména:

  • logiku PLC k řízení reálného zařízení definovaného typu (logiku řízení motoru, zpracování signálu ze snímače atd.),
  • animovanou symboliku pro HMI,
  • proměnné pro ovládání modulu řízení z HMI,
  • přístup ke všem proměnným potřebným pro PLC a HMI,
  • propojení na správu alarmů HMI.

Personalizace UAG

Personalizace UAG (UAG Customization) je velmi důležitá a téměř klíčová součást vývoje aplikací v UAG. Připravit si personalizaci podle svých potřeb a standardů je nezbytná nutnost před započetím vlastních prací na nových projektech. K adaptaci vlastních pravidel a standardů do UAG je určen nástroj pojmenovaný UAG Customization Editor (obr. 4). Jde o parametrizační software, jehož hlavními úlohami jsou definice:

  • obecných pravidel (adresářové cesty, cesty ke knihovnám a nástrojům atd.),

  • konvencí pojmenování objektů (omezení počtu a výběru znaků v názvech objektů, popisech objektů, názvech proměnných, názvech PLC atd.),

  • datových typů (přístupové úrovně, skupiny alarmů, priority alarmů, datové typy proměnných, formáty zobrazení proměnných, jednotky proměnných měřených veličin atd.),

  • omezení výběru typu PLC, typu rozváděčových skříní (rack), typu karet I/O atd.

Obr. 5.

Obr. 5. Definice komunikací v UAG

Výstupem nástroje Customization Editor je soubor, ve kterém jsou uložena příslušná personální nastavení. Tento soubor (personalizace) může být využíván při zakládání nových projektů či personalizací. Dále je možné mít vytvořeno více personalizací a před započetím nového projektu si zvolit tu vhodnou, popř. použít standardní personalizaci. Čas věnovaný vytváření personalizace UAG se již po prvním realizovaném projektu začne velmi rychle vracet.

Závěr

Použitím nástroje UAG se výrazně mění pojetí automatizace technologických procesů. Aplikace mohou být vyvíjeny vlastními silami (zaměstnanci výrobního podniku), takže veškeré poznatky o řídicím systému i technologii zůstanou v podniku. Nástroj UAG velmi spoří čas při vývoji aplikace – přibližně 30 až 50 % oproti klasickému způsobu realizace projektu.

V cukrovarech společnosti Eastern Sugar umožňují uvedené vlastnosti systému realizovat investiční akce, které by nebylo možné při využití běžně používaných způsobů vývoje aplikací řídicích systémů ve stanovených termínech vůbec uskutečnit. Několik let zdárného provozu a desítky úspěšně dokončených aplikací s nástrojem UAG prokázaly výbornou funkčnost tohoto softwarového nástroje. S použitím systému UAG v praxi v cukrovarech společnosti Eastern Sugar budou čtenáři časopisu Automa seznámeni v některém z příštích vydání.

Michal Fuksa, DiS.,
technik řízení procesů a automatizace,
Eastern Sugar Česká republika, a. s.
(michal.fuksa@easternsugar.com)