|
Návaznost technologické úrovně řízení na podnikové informační systémy
Autor stručně připomíná historii pronikání výpočetní techniky do administrativních i výrobních útvarů podniku od počátků až po současný stav, v našich podnicích většinou charakteristický poměrně ostrým oddělením dobře propracovaného řídicího systému podniku od systémů řízení výrobních (technologických) procesů, které v podniku probíhají. Vyvozuje, že úlohy požadované v integrovaném datovém prostředí moderního výrobního podniku po systémech kategorie MES vyžadují nový druh zařízení, pro které je v článku zvolen název inteligentní řídicí terminál. K případné diskusi jsou předloženy základní technické charakteristiky a představa o použití tohoto uvažovaného a z pohledu současné praxe dosud chybějícího zařízení.
1. Historie aplikací výpočetní techniky ve výrobním podniku
V období, kdy nastal prudký rozmach v sálové výpočetní technice postavené na principech originálních počítačů od firem IBM a DEC, objevily se i u nás modulární systémy kategorie MRP (Manufacturing Resource Planning) – první pokusy o integrované řízení podniku jako celku. Výpočetní technika velmi rychle a pevně zaujala svoje místo v podnikové strategii řízení a uživatelé se začali potýkat s obrovským množstvím dat, která se na stoly řídících pracovníků dostávala v podobě tzv. sestav ASŘP (Automatizovaný Systém Řízení Podniku). Technické prostředky se poté během několika desítek let několikrát generačně obměnily a uživatelé přestali usedat před obrazovku terminálu s bušením srdce, že S TÍM něco udělají. Stejně tak prožily svoji revoluční proměnu i programové prostředky využívané na počítačích.
Jistěže nemá smysl probírat s nostalgií všechno, co už je minulostí. Přijali jsme jako fakt, že z vedoucího oddělení se stal manažer, a smířili se s tím, že finanční tok musíme nazývat cashflow, aby nám zahraniční majitel firmy rozuměl. Podnikové informační systémy zmnožily počet svých do hloubky propracovaných modulů a poskytují řídícím pracovníkům nádherné grafy o fungující výrobě.
Mlčky jsme ale přešli skutečnost, že kromě strukturálního uspořádání podniků, vlastní techniky, programů a terminologie se vlastně moc nezměnilo. V mnoha našich podnicích i nadále nalezneme počítačové sestavy týdenního, denního a směnového plánu. Víme již sice, co znamená slogan just-in-time, ale o problémech ve výrobních kapacitách se plánovací moduly často dozví po ukončení směny, popř. až následující den. Spolu s výrobní dávkou i nadále putuje zamaštěný formulář zaplněný podpisy a čísly vykonaných operací technologického postupu.
Ve svých počátcích vstupovala data do informační báze podniku převážně manuálně. Pomineme-li jako hlavní médium pro hromadné zpracování dat – což podniková informatika už rozhodně představuje – děrné štítky, nezbývalo než pro zadávání dat zaměstnávat celou plejádu tzv. operátorek/operátorů, kteří na terminálech výpočetního střediska přepisovali data z pracně vymýšlených a ještě pracněji, a o to pečlivěji vyplňovaných formulářů. Ale ani tato etapa netrvala příliš dlouho a terminály zapojené v sítích pronikly až k jednotlivým uživatelům.
V podniku však nespala ani technologie výroby. Je možné konstatovat, že vlastně už při vpádu počítačů do organismu závodu se chytré hlavy snažily tuto techniku využívat v nejrůznějších typech výrob. Postupně vzniklo a zase zaniklo mnoho konstrukcí systémů a stavebnic pro průmyslové využití, vždy poplatných měnící se součástkové základně. Posléze bylo vytvořeno i množství doporučení a norem, které zajišťovaly větší bezpečnost a spolehlivost techniky. Asi nejatraktivnější oblastí se stala automatizace strojů. Právě zde se zrodily i programovatelné automaty (Programmable Logic Controller – PLC), systémy pro číslicové řízení (Numeric Control – NC, Computer Numeric Control – CNC), definovaly se vrstvy komunikačního modelu ISO/OSI pro zajištění vzájemné kompatibility a schopnosti komunikace různých soustav a řešily se další a další problémy.
2. Kde typicky je a kam spěje současný podnik?
Ale – podíváme-li se na výrobní podnik znovu s trochou nadhledu – vidíme následující obrázek: řízení podniku „tam nahoře“ v pojetí ERP (Enterprise Resource Planning) je propracováno do nejmenších detailů. Zrovna tak řízení vlastních technologických zařízení „tam dole“. Vzájemně však obě části spolu komunikují jen přes velmi úzké hrdlo. Výrobní příkazy se dostávají do dílen a na technologická pracoviště po průchodu komplikovaným a vnitřně jistě dobře provázaným a vybilancovaným plánovacím algoritmem. Nadále však převážně v klasické „papírové“ podobě. A „odspodu“ se údaje o vykonání požadovaných operací, ať je technologické pracoviště jakkoliv nabito technikou, dostávají nazpět „nahoru“, k plánovacím modulům řídicího systému podniku, až na výjimky bez přímého propojení. Tou neopominutelnou spojkou je i nadále člověk, s tužkou a papírem, popř. zařízením pro sběr archivovaných dat. Na první pohled je všechno v pořádku: objednávky jsou zapracovány do plánu výroby, z výroby se požadované produkty expedují – vedení podniku je spokojeno.
V současné době se ovšem poněkud mění cílová orientace výrobních podniků. Soustředění se na samotnou výrobu a optimalizaci využití výrobních prostředků střídá orientace na zákazníka a snaha o optimální plnění jeho potřeb. Jinými slovy – nenutíme zákazníka čekat, až na něj dojde řada, ale snažíme se maximálně vyhovět jeho požadavkům. To klade nebývale velké nároky především na organizační strukturu podniku, neboť původně funkční uspořádání útvarů se podřizuje chápání podniku jako množiny procesů (mluvíme o tzv. procesním uspořádání podniku). Sklad už dávno není místem, kde se opravdu jenom ukládá materiál a polotovary, dílce, sestavy a podsestavy na dobu, až budou někdy potřebné, ale je to víceméně pracoviště s dynamicky se měnícím minimalizovaným obsahem. Podstatně vzrostly nároky na kooperaci a logistika se stala jednou z uznávaných metod řešení problémů v rámci výrobního procesu. To vše dohromady funguje jako živý organismus, jehož výkonné části jsou navzájem velmi závislé. Na řídicí systém podniku jsou tudíž kladeny enormní požadavky zejména v oblasti koordinace činností jednotlivých útvarů, a dokonce i jednotlivých pracovišť podle nových principů.
S uvedeným stavem úzce souvisejí i změny v postavení podnikové informatiky. Programové prostředky se v poslední době rozvíjely především v oblasti integrované podpory řízení podniku jako celku. Kdysi dominující problematika integrace různých typů hardwaru se již téměř vytratila a pozornost je věnována především optimalizaci využití informačních technologií v prostředí procesně uspořádaného podniku. Z počátečního „zahledění se“ podnikové informatiky do sebe postupně vykrystalizovala potřeba skutečně měřitelných přínosů namísto plánovaných bezbřehých výdajů na pořízení či obnovu výpočetní techniky, náhradní díly, tuny tabelačního papíru a desítky kilowatthodin spotřebované energie.
Současné trendy v oblasti podnikové informatiky naznačují, že dodavatelé softwarových produktů koncipují svoji nabídku jako komplexní řešení podnikových potřeb a jejich produkty neustále rozšiřují svoje funkční schopnosti. Potud je vše v pořádku. Důležitým rysem úlohy programových prostředků jako nástroje pro řízení podniku je totiž opravdu komplexnost a vyváženost: od úrovně přímého řízení výrobního procesu v reálném čase až po řízení na úrovni vrcholového vedení podniku. Dalším evidentně pochopitelným jevem je růst stupně agregace a změna charakteru dat směrem zdola nahoru: od řídicích systémů pro stroje a technologické linky, přes systémy řízení výroby (Manufacturing Execution Systems – MES), plánování podnikových procesů (Advanced Planning Systems/Supply Chain Management – APS/SCM) a integrované řízení podniku (ERP) až po manažerské informační systémy (Management Information Systems – MIS).
Plánovací systémy moderního typu (myšleno: softwarové produkty) vnášejí mezi nástroje používané pro řízení podniku generační změnu. Již předchozí řešení (typu MRP) přineslo oproti tradičním metodám řízení, spočívajícím v zajišťování materiálu podle retrospektivní analýzy, změnu v respektování budoucích potřeb. Pokročilé systémy pro plánování podnikových procesů (APS) umožnily odstranit mnoho dalších omezujících atributů, a dokonce dovolují promítnout do plánování podnikových činností ekonomickou realitu současnosti. O tom jistě slyšíme mnohé.
3. Jakou technickou podporu vyžadují MES?
3.1 Role systémů řízení výroby – MES
Obraťme však pozornost k MES (česky: systémy řízení výroby). Aby bylo možné správně popsat a hodnotit jejich vlastnosti v celém komplexu řízení podniku, je třeba si uvědomit, že nejenže bezprostředně zasahují do nejnižší úrovně řízení – tj. spolupracují s vlastními řídicími systémy strojů, technologických linek, dopravních systémů a dalších zařízení obsahujících prvky úplné nebo částečné automatizace, ale navazují i na vyšší vrstvy řízení, v tomto článku např. pojmenované APS.
3.2 Mezera mezi řízením technologie a podniku je realitou
Dodavatelů podnikových systémů řízení, v současné době nazývaných systémovými integrátory, je v České republice mnoho. Nabízejí rozličné systémy – počínaje domestikovanými produkty Baan, Navision, ICL/Max, Wonderware/FactorySuite a dalšími a konče několika desítkami tuzemských produktů. Jejich obsahová rozmanitost a variabilita má pro koncového uživatele zásadní přednost v tom, že umožňuje nalézt produkt, který je dané aplikaci relativně nejbližší. Nedělejme si ovšem iluzi, že vždy nalezneme přesně to, co potřebujeme. Výsledné řešení je téměř vždy kompromisem vzniklým větší či menší úpravou původního produktu.
Podíváme-li se na typickou strukturu technických prostředků použitých k řízení podniku, shledáme, že se v podstatě podobají, ať se jedná o terminálový systém pracující pod operačním systémem Unix nebo jiným či intranetovou síť se servery a tenkými či tlustými klienty. Podrobnějším studiem zjistíme, že problematiku řízení výrobního procesu řeší, až na výjimky, téměř všechny systémy a i metodika je víceméně obdobná. Ať se však rozhlížíme jakkoliv, téměř vždy nalezneme mezi informačním systémem podnikového řízení a řízením výrobního a technologického procesu určitou mezeru, kterou nevyplňuje žádný technický prostředek, ale člověk.
V popisech souborů použitých technických prostředků nalezneme jako poslední článek v hierarchii schematické značky pro průmyslové řídicí systémy, nejčastěji programovatelné automaty, na které již přímo navazuje vlastní technologie (např. I/O signály, akční členy, řídicí systémy strojů, čidla apod.). Průmyslové komunikační kanály, které spojují PLC do lokální sítě, jsou většinou přivedeny do klientských počítačů, jejichž programové vybavení plní pro potřeby řízení úlohu I/O serverů. Tím zpravidla technický popis končí, navíc je diskutována nejvýše problematika hardwaru klientů. Pro sběr dat, vizualizaci a řízení technologických procesů se už automaticky předpokládá použití některého z produktů kategorie SCADA/HMI (Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface), pojímaných mj. i jako pomůcky pro grafické zobrazení jakékoliv výrobní technologie. Hovoříme o vizualizaci, neboli názorné a dynamické animaci zobrazující aktuální stav provozované technologie.
3.3 Sjednocující vliv sítě Ethernet
Můžeme konstatovat, že kromě běžně používaných průmyslových komunikačních linek a sítí realizovaných podle standardu RS-485 se již delší dobu prosazuje tzv. průmyslový Ethernet, využívající pro komunikaci protokoly z rodiny TCP/IP. Tato síť v současné době umožňuje efektivně propojit téměř všechny úrovně řízení, a to od vlastní výrobní technologie až po vedoucí pracovníky podniku. Výrobci průmyslových řídicích systémů se tomuto trendu operativně přizpůsobili a vznikla generace systémů, které mají vyřešeno připojení na intranetové podnikové sítě a dovolují tak novou dimenzi jejího využití.
3.4 Sběr a distribuce technologických dat v kontextu MES volá po nových technických řešeních
Tak jako se problematika zvládnutí komunikace prostřednictvím intranetové technologie jeví být kardinální a klíčovou, roli neméně důležitou hraje vhodný výběr i zvládnutí technických prostředků určených pro sběr a distribuci technologických dat v kontextu MES. Při integraci systémů se dosud víceméně nepočítá s použitím jiné metody než „klasických“ klientských stanic charakteru PC, vybavených nezbytnými periferiemi a možností vzájemné komunikace. S ohledem na stávající stav si dovolujeme tvrdit, že integrace systému v oblasti řízení podniku nebude komplexní, pokud nebude obsahovat i další technické prostředky určené pro sběr a distribuci neagregovaných dat z výrobního procesu.
Generalizovaná substituce takového prostředku standardním PLC není vyhovujícím řešením především z důvodu jednostranné orientace programovatelného automatu lidově řečeno na „železo“. Dosavadní způsob doručení pracovního úkolu až na jednotlivé konkrétní pracoviště a zejména jeho vyhodnocení odpovídají ještě stále technologiím minulého století. Nyní se nabízí šance je zdokonalit. Jak?
Řešení se jeví v podobě inteligentního řídicího terminálu schopného začlenění do soustavy technických prostředků řízení prostřednictvím volitelných komunikačních kanálů. Terminál v odolném (průmyslovém) provedení s určitým souborem svých vlastních periferií a se souborem I/O kanálů pro případné připojení technologických signálů v sobě musí nést programové vybavení, které efektivně vyhodnocuje důležité údaje o technologickém procesu a předává do nadřazeného systému (i naopak, ze systému k technologickému zařízení) pouze smysluplná a předzpracovaná data bez zbytečné redundance.
4. Vlastnosti inteligentního řídicího terminálu
Inteligentní řídicí terminál vhodný jako operátorské rozhraní v prostředí fungujícího MES je pro komunikaci s lidskou obsluhou vybaven především klávesnicí, dostatečně odolávající průmyslovým vlivům. Za dostačující lze považovat rozsah kláves omezený na číslice, ovládání kurzoru a soubor pevných a volitelných funkcí. Jako optický výstup se předpokládá dobře čitelný LCD nebo fluorescenční displej, popř., pro pohodlnější obsluhu, grafická monochromatická či barevná dotyková obrazovka. Inteligentní řídicí terminál sice primárně nepatří do kategorie řídicích systémů, pro určité jednodušší úlohy je však vybaven vstupy a výstupy, orientačně v rozsahu 4 + 4 digitální I/O a čtyři analogové vstupy s rozsahem 0 až 10 V, popř. 0 až 20 mA.
Další základní vlastností řídicího terminálu je jeho volná programovatelnost a kompatibilita se systémy jiných výrobců. Kapacita paměti určené pro uložení nasnímaných dat se předpokládá nejméně 512 kB s možností rozšíření na 1 MB nebo i více.
Inteligentní řídicí terminál je vybaven několika komunikačními kanály: pro vnitřní komunikaci v systému na úrovni řídicích systémů technologie je určen kanál s rozhraním RS-485. Pro připojení čtecích zařízení (čárového kódu, čipových karet apod.), tiskáren, měřicích přístrojů atd. jsou k dispozici až dva kanály se standardním rozhraním RS-232. Pro rozšíření počtu I/O i připojení dalších technologických zařízení se využívá volitelné rozhraní RS-485 nebo CAN, popř. rozhraní s infračerveným přenosem (Ir). Pro integraci systému se dále počítá s Ethernetem, v souladu s úvahami uvedenými v předcházejících odstavcích.
Mechanické provedení terminálu je ovlivněno primárním způsobem jeho využití. Vhodná je robustní konstrukce určená pro zabudování do panelu nebo ve variantní stolní verzi. Mechanická a elektrická konstrukce vychází z předpokládané nutnosti modulárního provedení respektujícího různé požadavky na konkrétní použití přístroje.
Inteligentní řídicí terminál spolu s dalšími, již popsanými technickými a programovými prostředky tedy má poměrně přesně vymezený aplikační prostor. Jde o univerzální zařízení současně plnící funkci operátorského rozhraní (HMI) i funkci inteligentního řídicího systému. Je určeno pro použití ke sběru dat v průmyslu, a to převážně v oblasti diskrétních výrob. Jeho plné využití předpokládá kromě jiného koncepční začlenění do souboru technických prostředků určených pro systémovou integraci – jak již bylo naznačeno výše. S tím současně souvisí i předpoklad určitých metodických, organizačních a programových změn v dosavadním pojetí programových produktů, zejména v subsystémech zajišťujících řízení výrobního procesu.
5. Typické použití inteligentního řídicího terminálu
Pokusme se nyní nastínit typické použití inteligentního řídicího terminálu ve standardní výrobě. Jeho primární úlohou je umožnit komunikaci obsluhy technologického pracoviště se systémem řízení v procesech s malým až středním stupněm automatizace. Principiálně by měla být tato obsluha „obtěžována“ ručním zadáváním údajů pouze v nezbytných případech, protože systém sám má většinu údajů již k dispozici nebo je umí načíst pomocí přídavných zařízení. Obsluhou tedy budou vkládány pouze ty hodnoty, které bezprostředně souvisejí s prováděním technologické operace na daném pracovišti a systém je sám odvodit ani predikovat nedokáže. Pro lokální načítání formalizovaných technologických údajů o procesu lze využívat technické prostředky připojené k terminálu: snímače dvoustavových signálů, čtečky čárových kódů, čipové karty apod. Obdobně tak lze ve většině případů dopravit opačným směrem, až na pracoviště s manuální obsluhou, informaci v elektronické podobě o požadovaném úkonu a jeho kvalitativní a kvantitativní specifikaci. Není nutné zahlcovat paměť terminálu na pracovišti plánem činnosti na týden dopředu, protože v daném okamžiku není potřebný. Nadřízenému systému je zase naopak většinou třeba sdělit jen informaci o přítomnosti obsluhy, funkceschopnosti pracoviště, započetí a ukončení pracovního cyklu, popř. o technologických přestávkách a další nutné technologické údaje. K těmto úkonům, resp. jejich automatizovanému zabezpečení při komunikaci on-line s řídicím systémem stroje na pracovišti, musí být řídicí terminál vybaven příslušnými vstupy a výstupy. Vzhledem k tomu, že na pracovišti je v podobě terminálu nainstalován technický prostředek nezávislý na výrobní technologii, lze chod pracoviště pomocí tohoto terminálu navíc monitorovat. Přínos tohoto aspektu např. pro subsystém údržby v řízení výrobního procesu jistě není nutné zvlášť zdůrazňovat.
6. Závěr
Závěrem lze konstatovat, že současný stav vývoje technických prostředků nové generace použitelných přímo ve výrobních provozech v integrovaném datovém prostředí průmyslových výrobních podniků – v článku jsme je nazvali inteligentními řídicími terminály – je již na takové úrovni, že lze reálně započít s jejich implementací v přímé návaznosti na technické a programové prostředky, se kterými systémoví integrátoři dosud pracovali.
Mirko Čapek, AMiT, s. r. o.
|