Průmyslové komunikační sítě mění svět řídicí techniky

Průmyslové komunikační sítě mění svět řídicí techniky

Digitální komunikační sítě jsou v současné průmyslové řídicí technice všední realitou. K dispozici je široká paleta otevřených standardů i firemních řešení, uplatňujících se v nejrůznějších aplikacích. Samotné jejich technické parametry ovšem zájemce uspokojit již nestačí. Rostoucí zájem uživatelů je doprovázen dotazy na mj. naplnění dosavadních očekávání, na doporučené postupy implementace, očekávaný další vývoj apod. Článek, doplněný tabulkou základních technických údajů nejznámějších průmyslových sítí, ve stručnosti odpovídá na otázku, jak budou naplněna zmíněná očekávání, a závěrem navrhuje témata vhodná k další diskusi.

Široká nabídka komunikačních řešení pro průmysl
Počet nejrůznějších digitálních komunikačních sítí a protokolů nabízených pro použití v průmyslu jde v současné době do mnoha desítek. Požadavky kladené na tyto sítě a protokoly bývají často protichůdné, a tak jsou výsledná řešení vždy kompromisní. Volba vhodné sítě a její implementace v konkrétní aplikaci je v každém případě úkolem pro specialisty.

Pro zájemce je na této dvojstraně zařazena tabulka s přehledem základních parametrů nejznámějších z nich. Byla sestavena s použitím [1] a údajů uváděných původcem té které metody komunikace. Kromě zmíněných informací zahrnuje odkazy na webové stránky, na kterých je možné najít podrobný technický popis příslušného řešení a zpravidla ještě další údaje.

Rozsah tabulky je nutně omezený. Za současného stavu, kdy se v oblasti průmyslových komunikačních sítí zatím nedospělo k rozumné míře mezinárodní standardizace, však není reálné sestavit byť jen výčet všech řešení nabízených na trhu. Lze však říci, že tabulka obsahuje v současné době komerčně významné sítě pro všechny základní typy aplikací, a to:

• informační úroveň řízení podniku (síť Ethernet TCP/IP);
• řídicí úroveň výroby (např. ARCNet, ControlNet);
• výměnu dat na úrovni zařízení s přenosy:
  • paketů dat (např. Fieldbus Foundation, LonWorks, Profibus-PA),
  • bytů (např. DeviceNet, LonWorks, Profibus-DP, Interbus),
  • bitů (např. AS-i, Seriplex).

Nově vznikající oblast bezdrátových průmyslových řídicích sítí není v tabulce zahrnuta. Současné první instalace se opírají o internetový standard WAP (Wireless Access Protocol) a standard Bluetooth. Původci standardu WAP jsou společnosti Phone.com, Ericsson a Nokia (www.wapforum.org). Bluetooth vyvinuly a dále rozvíjejí firmy 3Com, Ericsson, Intel, IBM, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba (www.bluetooth.com).

Pozn.: ¹⁾ American National Standard Institute – standardizační orgán USA; ²⁾ Application Specific Integrated Circuits – zákaznické obvody; ³⁾ Time Division Medium Access – přístup k médiu na principu časového multiplexu; ⁴⁾ Non Return to Zero Impulse – kódování impulsní metodou bez návratu k nule; ⁵⁾ Master-slave – řídicí a řízené zařízení

Potvrzená očekávání
Zkušenosti z realizovaných aplikací ukazují, že hlavní očekávání spojená se zaváděním techniky digitální komunikace do řízení technologických procesů, pozorovatelným asi od poloviny 80. let minulého století – menší náklady na kabelové rozvody, snazší a rychlejší projektování a uvádění automatizovaných systémů do provozu, interoperabilita zařízení řešená způsobem plug and play, zdokonalení a současně zlevnění údržby díky pokroku ve vnitřní diagnostice přístrojů i systémů apod. – se v široké míře potvrdila. Průmyslové komunikační sítě uspěly, jako jejich nepominutelná součást, i v komplexních řídicích systémech založených na vertikální integraci výrobních a ekonomických dat uvnitř podniku [3].

Velké petrochemické podniky uvádějí, že např. digitální komunikace umožňující v praxi vykonávat údržbu podle skutečného stavu zařízení snižuje náklady na údržbu přístrojů a zařízení ve výrobních provozech až o 75 %. Technici nejenže se zabývají jen těmi zařízeními, která jejich zásah bezprostředně potřebují, ale někdy mohou zasáhnout i na dálku (např. zkontrolovat kalibraci nebo změnit měřicí rozsah). Oceňována je také větší integrita jednotlivých řídicích smyček, jsou-li instalovány přímo v provozu, a vestavěná redundance, jak obojí nabízí např. Foundation Fieldbus. Digitální sítě v praxi také prokázaly větší odolnost proti elektromagnetickému rušení než tradiční systémy s proudovou smyčkou 4 až 20 mA.

Zajímavým zjištěním z oblasti nikoliv ryze technické je, že operátoři vybavení údaji o stavu zařízení a jím poskytovaných signálů mají k řídicímu systému větší důvěru a řídí proces blíže jeho mezních hodnot, tj. bez dříve obvyklé větší či menší rezervy ponechávané pro případ selhání zařízení.

Nové obzory
Spolu s přínosy předvídanými na „prvoplánové“ úrovni přinášejí aplikace digitálních sítí v průmyslové praxi také nové zkušenosti a poznatky výrazně posouvající dosavadní představy o možnostech a roli řídicích systémů.

Například [2] cituje prameny, ze kterých překvapivě vyplývá, že přístroje, jako jsou snímače a převodníky tlaku, průtokoměry a ventily, používané ve velkém chemickém podniku, jsou nejméně o dva řády spolehlivější než jakékoliv tamtéž používané zařízení s rotujícími částmi. Dokonce i v porovnání s výměníky tepla je četnost poruch přístrojů třetinová. Výrobci převodníků, kteří udávají střední dobu do poruchy ve stovkách let, mají tedy asi pravdu. Praxe je ovšem dosud taková, že prvním podezřelým v případě nesprávné funkce je snímač. Údaje z petrochemického průmyslu ukazují, že téměř 20 % nákladů na údržbu je věnováno na inspekce snímačů (podle nejnovějších poznatků asi nejspolehlivější části řídicí smyčky). Rozbor záznamů o údržbě ve velké chemičce ukázal, že např. 35 % cest pracovníků údržby ke snímačům v provozu představovaly rutinní kontroly bez negativního nálezu. Dalších 28 % cest sice bylo reakcí na problém, ale jeho příčinou nebyl snímač. Při známém stavu snímačů, což při použití digitální komunikace není zásadním problémem, by tudíž stačilo udělat na snímačích o téměř dvě třetiny údržbářských zásahů méně. Takovýmto a podobným disproporcím se jistě vyplatí věnovat pozornost.

Jiná slibná možnost, i když již tušená, je ukryta ve stovkách signálů vycházejících z průmyslových přístrojů a zatím běžně odfiltrovávaných jako šum. Na tento „šum“ lze však stejně dobře nahlížet jako na data, jejichž vhodnou analýzou lze objevit problémy ve výrobním zařízení – netěsnosti, ucpaná nebo zanášející se potrubí apod. Při vhodném uspořádání pak mohou obousměrně komunikující přístroje informovat nejen o svém stavu, ale i o stavu technologického procesu anebo zařízení. Digitální komunikace může tímto způsobem přispět k posuvu prediktivní údržby na další vyšší úroveň.

Náměty k diskusi
Že digitální komunikace plní očekávání, s jakými jsou do řídicí techniky zaváděny, jistě v obecné rovině platí. Pravdou je i to, že jejich aplikace jsou v mnoha ohledech zdrojem překvapivých zjištění a zcela nových přístupů dále rozšiřujících aplikační možnosti automatizační techniky.

Zkušenosti v konkrétních případech však mohou být i negativní, a takovým postupům je třeba se v praxi napříště pokud možno vyhnout. Ale prostor pro omyly zůstává stále ještě velký. Je digitální komunikace skutečně pro všechny? Pohledy velké nadnárodní firmy a středního nebo dokonce malého domácího výrobce na tuto problematiku se jistě budou lišit. Jaká úskalí skrývá implementace nové techniky a jak se jim vyhnout? Existují nějaké již osvědčené postupy? Jaký bude další technický vývoj, na co vsadit do budoucna? Stane se univerzální řídicí sběrnicí Ethernet?

Máte-li představu, co byste chtěli o těchto i jiných tématech kolem průmyslových komunikačních sítí vědět anebo sdělit, napište nám.