Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Řídicí systém pro hybridní řízení

číslo 8-9/2003

Řídicí systém pro hybridní řízení

Otevřenost, modularita, standardizace

V průmyslové automatizaci se vyskytují procesy, které lze řídit pomocí regulačních smyček s analogovými nebo číslicovými regulátory. Jde např. o řízení provozních parametrů v chemické výrobě nebo v energetice. V jiných úlohách je vhodné použít logické řízení s využitím programovatelných automatů – typickými aplikacemi jsou řízení pohonů nebo manipulace s materiálem na výrobních linkách. Jsou ale i aplikace, a není jich málo, kde najde uplatnění jak „regulační“ řízení spojitých procesů, tak řízení logické. Potom je na místě přemýšlet o hybridním řízení, které umožní obě řídicí strategie vykonávat jediným řídicím systémem.

Moderní průmysl od automatizační techniky očekává více než jen to, že bude úspěšně řídit daný výrobní proces nebo operaci. Zavádí se kategorie otevřených řídicích systémů označovaných jako OPCS (Open Process Control Systems), popř. CPAS (Collaborative Process Automation Systems). Jejich vývoj souvisí se strategií Collaborative Manufacturing: původně osamoceně pracující linky, jejichž úkolem bylo co nejrychleji nebo nejlevněji vyrobit potřebný počet kusů nebo tun produktu, se spojují do jednotného systému a „spolupracují“ na tom, aby výkon celého podniku (měřený finančním ziskem) byl co nejlepší. To znamená, že do řídicích systémů musí být integrováno rozhraní, které umožní komunikaci mezi výrobními linkami navzájem a jejich komunikaci se systémy řízení a plánování výroby (MES, ERP). Automatizace a informatika srůstají do jednoho nedělitelného celku.

Další důležitý požadavek kladený na moderní řídicí systémy vyplývá z toho, že inovační cykly vyráběných produktů se stále zkracují a výrobní dávky jsou značně proměnlivé. Je nutné, aby výrobní linky byly modulární a poskytovaly možnost pružně měnit objem výroby i typ vyráběného produktu.

S tím souvisí další požadavek: standardizace. Standardní rozhraní mezi moduly umožňují v případě potřeby přidávat nebo ubírat další moduly nebo měnit konfiguraci výrobní linky. Jde-li navíc o standardy otevřené, nefiremní, má uživatel jistotu, že v případě potřeby může systém rozšířit i o komponenty od jiných dodavatelů.

Jak na tyto požadavky reaguje český výrobce řídicích systémů, firma ZAT? Jeho odpověď se jmenuje Matrix.

Obr. 1.

Co je to Matrix?

Matrix je anglické slovo mnoha významů. Pro naše účely je nejvýstižnější překlad substrát, matrice nebo základní substance.

Matrix je totiž to, co spojuje řídicí komponenty do jednotného řídicího systému. Je to platforma, z níž vyrůstá hybridní řídicí systém ZAT-Plant Suite MP (obr. 1). Matrix se skládá ze softwarových nástrojů pracujících v pracovním prostředí Project Suite – Matrix Hybrid Control Workbench a hardwarových řídicích komponent Matrix Control Platform. Produkt, určený především pro chemickou výrobu, energetiku, petrochemii a plynárenství, byl odborné veřejnosti poprvé představen v červnu 2002 na konferenci Power Gen v Miláně (Itálie). V dalším textu čtenáře podrobněji seznámíme s některými technickými podrobnostmi Matrixu a zhodnotíme, jaké výhody přináší svým uživatelům.

Hardwarové řídicí komponenty

Základními moduly systému Matrix jsou jednotky AXE (Application eXecution Engine, na obr. 2 vlevo), dodávané ve variantách pro spojité, logické nebo hybridní řízení. Tyto jednotky vykonávají řídicí programy (regulační, logické, popř. obojí současně) a řídí síťovou komunikaci. K nim jsou prostřednictvím sběrnice připojeny jednotky vzdálených vstupů a výstupů s jednotlivými I/O uzly. Řídicí jednotky podporují plnou redundanci a komunikaci peer-to-peer s ostatními řídicími jednotkami. Mohou tedy vzájemně sdílet potřebná data bez toho, že by si je musely vyžádat od centrální řídicí jednotky.

Obr. 2.

Řídicí komponenty Matrix se vyznačují značnou odolností a mohou pracovat i tam, kde se vyskytují extrémní teploty (–40 až +70 °C), vibrace a rázy. Nevadí jim ani korozivní prostředí. Lze je montovat do prostředí s nebezpečím výbuchu sekce 2/zóna 2 a mohou mít vestavěné rozhraní podle třídy I, sekce 1 a zóny 0 a 1. Odpadá tak nutnost montáže dodatečných jiskrově bezpečných bariér.

V aplikacích, kde je požadována velká spolehlivost, lze v podstatě všechny komponenty zálohovat. Řídicí jednotka v redundantním režimu během zpracování smyčky mnohonásobně kontroluje svůj stav a umožňuje záložní jednotce, aby nepřetržitě monitorovala její činnost a v případě potřeby zajistila rychlý a plynulý přechod na záložní řízení. Pamatováno je i na on-line konfiguraci a změny firmwaru v řídicí i záložní jednotce. Zálohovat lze i komunikaci. Matrix umožňuje duální redundanci LAN v sítích Fault Tolerant Ethernet a Foundation Fieldbus. Komunikační řadič se dvěma nezávislými ethernetovými porty monitoruje provozní stav sítě a v případě potřeby přepne na záložní síť. Pro obzvlášť kritické aplikace je k dispozici i redundantní zdroj napájení.

Vstupy a výstupy

Matrix Process I/O jsou modulární jednotky vstupů a výstupů pro lokální i distribuované aplikace. I ony, stejně jako řídicí jednotky, mohou být instalovány i v náročném prostředí průmyslových provozů. Lze k nim připojit snímače s analogovými výstupy, termoelektrické články, potenciometry, vysokorychlostní čítače a snímače frekvence a fázového rozdílu. Dokážou zpracovat signály HART a zpřístupnit tak nastavení a diagnostická data ze snímačů pro kalibrační programy a programy pro diagnostiku a údržbu.

Jednotky Matrix Process I/O je možné připojit k běžně používaným sběrnicím pro I/O a průmyslovým řídicím sběrnicím, včetně sběrnic Ethernet, Modbus a Profibus. Lze je začlenit do systému ZAT-Plant Suite MP, ale je možné je připojit i k systémům třetích stran nebo je použít samostatně. Modul rozhraní Ethernet BIM (Bus Interface Module) vytváří nejen vysokorychlostní rozhraní pro tuto sběrnici, ale i exportní tabulku dat, kterou lze zpracovat v databázi připojeného HMI. Při zapojení do ZAT-Plant Suite MP je možné plně využít softwarové nástroje v prostředí Matrix Workbench pro konfiguraci a správu systému.

Matrix Process I/O mohou být zálohovány, a to včetně redundance řídicích sítí a napájecích zdrojů.

Softwarové pracovní prostředí a nástroje

Softwarové pracovní prostředí Project Suite – Matrix Workbench zahrnuje všechny nástroje pro vytváření, správu i údržbu systému a koordinuje technické prvky zpracování projektu, konfiguraci I/O, vývoj řídicích programů pro spojité i nespojité procesy a prezentaci dat. Matrix Workbench je modulární a uživatel si může vybrat systém pro regulační, logické nebo hybridní řízení.

Pro hybridní řízení spojitých procesů je k dispozici Matrix Process Strategy Builder. V tomto programu se vytváří řídicí program pomocí diagramu funkčních bloků. Mezi funkčními bloky nechybí PID regulátory, generátory funkcí, čítače impulsů nebo bloky sekvenčního řízení. Systém umožňuje snadno realizovat např. kaskádové nebo adaptivní řízení. Pro často se vyskytující aplikace jsou připraveny přednastavené regulační smyčky. Matrix Process Strategy Builder poskytuje také možnost vytvářet vzorová schémata pro opakované použití.

Logické řízení Matrix Logic Control podporuje všech pět programovacích jazyků podle IEC 1131-3 a programování pomocí vývojových diagramů. K dispozici je knihovna více než šedesáti funkčních bloků a funkcí. Uživatel do ní může přidávat další vlastní funkční bloky a funkce.

Matrix Workbench zahrnuje také mnoho dalších nástrojů pro správu řídicího systému:

  • generuje exportní tabulku pro přímý import do běžných databází HMI,

  • automaticky přiřazuje adresy účastníkům v síti a optimalizuje jejich komunikaci,

  • umožňuje sdílení dat mezi účastníky v síti (komunikace peer-to-peer),

  • simuluje řídicí program před zavedením do řídicí jednotky,

  • udržuje dokumentaci celého řídicího systému – soupisky použitých modulů, řídicí programy, diagnostická data,

  • spravuje databázi hesel a přístupových práv uživatelů.

Matrix Workbench při tvorbě projektu automaticky vytváří konfigurační tabulku I/O bodů. Jakmile je vyvinut návrh řídicího programu, propojí jej s touto tabulkou a vytvoří tak kompletní řídicí program, exportní tabulku dat a také obsáhlou projektovou technickou dokumentaci a dokumentaci pro údržbu. Není nutné kontrolovat kódy funkčních bloků, adresy a příznaky, generovat soupisky náhradních dílů ani porovnávat zápis řídicího programu s komponentami HMI. Činnost programu lze simulovat buď se zadanými daty nebo se skutečnými daty měřenými ve výrobním procesu v reálném čase.

Matrix Workbench však nepomáhá jen při návrhu a spuštění, popř. rekonfiguraci projektu. Uživatelé ocení také diagnostické funkce, které sledují provoz komunikační sítě a detaily provozu jednotlivých modulů. K dispozici jsou i statistická data o činnosti systému pro jeho ladění a optimalizaci. Modul údržby provozních přístrojů udržuje klíčová konfigurační a kalibrační data inteligentních snímačů a akčních členů komunikujících prostřednictvím protokolu HART nebo sběrnice Foundation Fieldbus.

Deset důvodů pro Matrix

Z technického popisu systému Matrix je jasné, že jde o řídicí systém se zajímavými technickými parametry. Uživatelé si ho ale jistě nebudou kupovat jen proto, aby si vyzkoušeli, jak snadno se ovládá a bezvadně funguje. Zkusme shrnout hlavní důvody, proč se rozhodnout právě pro Matrix.

Za prvé, je to systém otevřený. Systémy ZAT-Plant Suite MP používají hardwarové i softwarové produkty MOST (Modular Open System Technologies). Otevřené systémy umožňují, aby si uživatel na trhu vybíral nejlepší dostupné řešení z hlediska technických parametrů i nákladu. Projekty řídicích systémů ZAT-Plant Suite MP mohou být např. bez problémů integrovány se softwarovými produkty SCADA a MES od firem Wonderware, Citect a Geovap (Reliance).

Za druhé, pracovní prostředí Matrix Workbench odstraňuje zdlouhavou rutinní práci techniků, při níž často vznikají chyby. Ubude ruční práce při vytváření soupisek náhradních dílů a při tvorbě projektové dokumentace. Navíc, Matrix Workbench udržuje dokumentaci stále v aktuálním stavu a automaticky do ní promítá i změny v systému.

Za třetí, Matrix Workbench významně podporuje techniky při návrhu a spouštění systému a tím zkracuje dobu uvedení do provozu. Zvláště tam, kde se konfigurace systému často mění (a takových výrob stále přibývá), je to velmi významná vlastnost. Užití obecně známých otevřených systémů a možnost využít pro trénink operátorů simulaci významně zkracují dobu potřebnou pro zaškolení obsluhy.

Za čtvrté, diagnostické funkce umožňují efektivně plánovat údržbu a snižovat frekvenci neplánovaných odstávek. Snadné určení vadného modulu zkracuje dobu odstávky. Diagnostické funkce lze navíc využít i k optimalizaci činnosti celého systému.

Za páté, Matrix dává možnost nahradit množství kabelových rozvodů k jednotlivým snímačům a akčním členům jednoduchou nebo zdvojenou (zálohovanou) komunikační sběrnicí. To nejen uspoří náklady na kabely a jejich montáž, ale také to přináší úsporu místa v rozváděčích. Instalace je přehlednější a její údržba je snazší a rychlejší. Integrované napájení pro I/O moduly dále omezuje potřebu kabelových rozvodů a připojovacích bloků.

Za šesté, komponenty Matrix lze bez problémů použít i v průmyslovém prostředí a náročných klimatických podmínkách. Vyhovují i pro prostředí s nebezpečím výbuchu, jako jsou petrochemické rafinerie, závody na zpracování a distribuci zemního plynu, některé chemické provozy atd.

Za sedmé, rozsáhlé možnosti redundance dovolují Matrix použít i v aplikacích s mimořádnými nároky na spolehlivost.

Za osmé, Matrix je výhodný z hlediska celkových nákladů na vlastnictví – TCO. Do nich se kromě pořizovací ceny promítají náklady na servis, technickou podporu a náhradní díly. Tyto náklady bývají u systémů, které se podbízejí nízkou pořizovací cenou, obvykle velmi vysoké, pokud jsou servis a technická podpora vůbec zajištěny. Taková obchodní politika je firmě ZAT cizí.

Za deváté, Matrix je kvalitní výrobek. Firma ZAT má certifikát EN ISO 9001, udělený RWTÜV, byla certifikována také podle americké směrnice NQA 1 a má certifikát ČEZ, a. s., o způsobilosti k dodávkám systémů řízení a systémů kontroly řízení technologických procesů. Více než všechny certifikáty je však známkou kvality rozsáhlá listina referencí z celého světa.

A konečně za desáté, Matrix není výrobek, který by vznikl „z vody„. Firma má za sebou přes čtyřicet let vývoje řídicích systémů a pod firemní značkou ZAT je vyrábí již třináctý rok. Při vývoji systému Matrix byly zúročeny bohaté zkušenosti a znalosti společnosti ZAT, které byly za tu dobu nashromážděny a byly vhodně kombinovány se znalostmi zahraničních partnerských firem. Vysoce motivovaný tým pracovníků přitom garantuje flexibilitu a vysokou kvalitu služeb nejen při současné spolupráci, ale i v dlouhodobém výhledu.

Bližší informace o systému Matrix lze získat na adrese www.zat.cz.

(Bk)

Inzerce zpět