Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Řízení technologických procesů – cesta do budoucnosti

V listopadu 2011 se v německém městečku Bad Neuenahr konalo generální shromáždění německého sdružení výrobců a uživatelů automatizační techniky pro procesní výrobu NAMUR. Hlavní plenární přednášku zde přednesl dr. Peter Terwiesch, generální ředitel ABB AG v Německu a regionální ředitel ABB pro střední Evropu. Tento článek je záznamem vybraných kapitol ze zmíněné přednášky.

Úkoly, které stojí před automatizací procesní výroby

Procesní průmysl (kam patří zejména chemický a petrochemický průmysl, potravinářství, farmacie a biotechnologie) v Evropě prochází mnoha změnami. Demografický vývoj s sebou nese nedostatek pracovních sil a důsledkem globalizace je na jedné straně zostřená konkurence, na druhé straně nutnost výrobních závodů zapojovat se do výrobních řetězců celosvětových koncernů. Optimalizovat moderní výrobu je v současné době mnohem složitější úkol než jen správně nastavit provozní regulátory – optimalizace se týká stále větších a složitějších systémů. Pro to, aby bylo možné výrobu správně řídit a optimalizovat, je třeba, aby automatizační technika dokázala zejména:

–   zobrazovat veškeré informace provozním operátorům a dalším zúčastněným pracovníkům v intuitivní, dobře srozumitelné podobě,

–   spolehlivě sledovat kvalitu výroby a rychle reagovat na případné odchylky a nežádoucí trendy,

–   přispívat ke splnění regulatorních požadavků s ohledem na dokladovatelnost výroby i na ochranu životního prostředí,

–   vytvářet bezproblémové komunikační vazby s podnikovými informačními a řídicími systémy,

–   podporovat celý životní cyklus technologického zařízení, výrobní linky a výrobního závodu,

–   pomáhat provozním pracovníkům využívat jejich znalosti a zkušenosti ke správnému řízení výrobních procesů,

–   zajistit nepřetržitý provoz bez neočekávaných odstávek. 

Technické trendy v automatizační technice

V oblasti zpracování dat a komunikace roste výpočetní výkon a rychlost výpočetních procesů při zmenšování rozměrů součástek. Zřetelný je trend ke stále početnějšímu využívání bezdrátových komunikačních systémů. Důsledkem je větší míra integrace a rozsáhlejší využívání vzdálených služeb. Důraz je kladen na informační bezpečnost řídicích systémů a zcela novými pojmy v průmyslové automatizaci jsou virtualizace a výpočty v cloudu.

Akční členy jsou stále dynamičtější a přes­nější, a tím umožňují lepší regulaci procesů. Zlepšuje se také jejich energetická účinnost.

Snímače jsou stále dostupnější a stávají se všudypřítomnými. Objevují se nové měřicí principy a nové konstrukce snímačů, např. pro provozní fyzikálně-chemickou analýzu látek. Více měřicích míst s sebou nese větší možnosti optimalizace procesů.

Operátorské panely umožňují intuitivní ovládání a usnadňují obsluhu technologických zařízení. Prosazují se vícedotykové panely, které dovolují využívat gesta pro posouvání a otáčení objektů a jejich zvětšování a zmenšování. Stále více se používají také mobilní panely a běžná mobilní zařízení, např. chytré mobilní telefony. 

Moderní systémy pro řízení technologických procesů

V roce 1996 zveřejnil dr. Thomas Tauchnitz (Sanofi-Aventis, člen NAMUR) v německém časopise ATP známé schéma doporučené struktury systémů určených pro řízení technologických procesů. Takový systém má podle něj mít jádro, které řídí výrobní procesy a funguje jako zdroj výrobních dat, a okolo něj jsou rozmístěny služby, jež s jádrem komunikují prostřednictvím otevřených rozhraní (obr. 2). Řídicí technika se od té doby velmi změnila, ale základní schéma zůstalo stejné. Na obr. 3 je schéma řídicího systému založeného na DCS System 800xA od firmy ABB. Rozdíl od stavu techniky v roce 1996 je v tom, že jádro řídicího systému získalo mnohem větší výpočetní výkon a je schopno vykonávat i náročné úkoly s mnohem lepší dynamikou než dříve. Vzrostla také jeho spolehlivost a bezpečnost provozu. Mezi jádrem a okolními službami je komunikační rozhraní. Okolní služby jsou otevřenější než dříve, lze je snáze doplňovat a také jejich nabídka je širší a úplnější. Větší ohled je brán též na informační bezpečnost.

Informační bezpečnost

Proč se tolik hovoří o po­třebě zabezpečit informační a řídicí systémy před kybernetickými útoky? Protože k těmto útokům dochází a jsou stále dokonalejší. Tvorba škodlivého softwaru – malwaru – již není záležitostí amatérů, ale profesio­nálních skupin. V procesním průmyslu je zvýšené nebezpečí teroristických útoků, ale podceňovat nelze ani prostou snahu poškodit firmu (mnohdy i bývalými zaměstnanci) nebo získat důvěrné technické a ekonomické informace.

Ani u domácího počítače nestačí k zajištění jeho bezpečnosti antivirový program, ale je třeba dodržovat určitá bezpečnostní pravidla. U zabezpečení řídicích systémů je zajištění informační bezpečnosti ještě mnohem komplexnější záležitost, která zahrnuje hardwarové a softwarové zabezpečení systémů a komunikačních sítí, vypracování bezpečnostních postupů a pravidel, vypracování systému přístupových oprávnění, organizační opatření, školení pracovníků a rovněž správu a údržbu celého bezpečnostního systému.

Společnost ABB věnuje informační bezpečnosti velkou pozornost. Může se např. pochlubit významným oceněním z konference Systems and Network Security SCADA, která se konala v roce 2008 v New Orleans a kde společnost ABB obdržela cenu National Cyber Security Leadership Award.

Virtualizace

Princip virtualizace aplikací v automatizační technice spočívá v tom, že příslušné aplikační programy běží ve virtuálním prostředí a jsou tímto prostředím odděleny od operačního systému i hardwaru. Výhody jsou nasnadě: životnost hardwaru a životní cyklus operačních systémů jsou obvykle mnohem kratší než životnost řídicích systémů. Virtualizace výrazně zjednodušuje přechod na nový hardware a novou verzi operačního systému. To je neocenitelné u rozsáhlých systémů, ale výhodné je to i u nevelkých projektů. V rozsáhlých systémech, typických pro procesní průmysl, navíc virtualizace omezuje potřebné množství serverů a síťových komponent, a tím snižuje cenu hardwaru a spotřebu energie, zjednodušuje údržbu a zvyšuje spolehlivost systému. Využití virtualizace přináší také větší možnosti úprav funkcí a velikosti aplikací. Navíc je předpokladem pro využití výpočtů v cloudu – cloud computing, kdy lze jednotlivé procesy podle potřeby alokovat různým zdrojům v komunikační síti.  

Efektivní využívání energie

Klasickým příkladem, jak lze v chemickém průmyslu šetřit elektřinu, je náhrada regulačního ventilu čerpadlem s proměnnými otáčkami. V obvyklých případech je doba návratnosti takové modernizace v řádu jednotek měsíců. Ne vždy je ovšem věc tak jednoduchá a ušetřit energii může znamenat uplatnění složitějších řídicích algoritmů. Proto je výhodné spojit automatizační systém se systémem řízení spotřeby energie. Kromě úspor energie je mnohdy přínosem i úspora pořizovacích nákladů a nákladů na údržbu. V případě ABB je úspora ještě posílena tím, že zákazník může dostat jak výrobní řídicí systémy, tak techniku pro distribuci a řízení spotřeby elektřiny od jednoho dodavatele, s jednotným inženýrským a pracovním prostředím. Jako příklad lze uvést rafinerie ruské firmy Petrobras, kam společnost ABB dodala řídicí systém 800xA s integrovaným bezpečnostním systémem a systém distribuce elektřiny s komunikací podle IEC 61850. Podařilo se nejen dosáhnout efektivnějšího využívání elektrické energie, ale také zjednodušit inženýrink, zlevnit celý projekt a o 40 % zlepšit efektivitu výroby.

Nové možnosti optimalizace výroby

Optimalizace výrobních procesů prostřednictvím pokročilých metod řízení (APC – Advanced Process Control), prediktivního řízení a simulace je teoreticky dobře zvládnuta, ale v praxi naráží na potřebu velkého výpočetního výkonu, zvláště v rychlých procesech. Tak, jak roste běžně dostupný výpočetní výkon řídicích systémů, rozšiřuje se také používání uvedených metod v praxi. Cílem optimalizace je zvýšit efektivitu výroby, ale také zlepšit její kvalitu. Například uplatnění APC u ethylenové jednotky vedlo ke zvýšení výtěžnosti o 2 % a současně ke snížení variability kvality výroby o 74 %.

Analyzátory z laboratoře do praxe

Další významný potenciál zlepšení výrobních procesů leží v oblasti provozních měření fyzikálních a chemických vlastností látek. Měřicí principy, které byly dříve využívány jen při laboratorních měřeních, se nyní často uplatňují i v provozu. Příkladem může být sušička, která suší granule horkým vzduchem z původní vlhkosti 20 až 30 % na požadovaných méně než 5 %. Uplatnění provozního měření vlhkosti vstupní suroviny NIR spektrometrem dokáže zkrátit dobu sušení ze 40 až 48 h na 24 až 30 h, a tím ušetřit nemalé prostředky.

Širší využití provozních analyzátorů v praxi předpokládá také výhled společnosti NAMUR Process Sensor Roadmap 2015+. Zvláště analyzátory pracující v blízkém infračerveném spektru (NIR) jsou z hlediska praxe velmi zajímavé: měření je poměrně rychlé a nejsou vyžadovány žádné pomocné chemikálie.

Všechno je mobilní – automatizační technika má být také?

Klasický telefon se pomalu stává přežitkem – ve všedním životě je naprosto běžné volání z mobilních telefonů. Také stolní počítač je vidět stále řidčeji – každý chce mít možnost pracovat v kanceláři, na cestách i doma na stejném počítači a k tomu potřebuje přenosný počítač – notebook. Týká se tento trend také automatizační techniky? Bezpochyby ano, ale je třeba vidět některé významné rozdíly. Pro mobilní techniku určenou k běžnému použití je důležitá zejména mobilita, nezávislost, interoperabilita, bezpečnost a cena, u automatizační techniky je důraz kladen na spolehlivost, možnost koexistence různých sítí, dobu latence, odolnost proti elektromagnetickému rušení, možnost pracovat v nepříznivých podmínkách a v prostředí s nebezpečím výbuchu a na dlouhodobou dostupnost.

Bezdrátové snímače a akční členy ztrácejí hodně ze svého kouzla, je-li k nim stejně nutné přivést napájení nebo pravidelně měnit jejich baterie. Proto jsou hledány způsoby, jak využít energii z okolního prostředí (energy harvesting): solární energii, teplo, vibrace nebo kinetickou energii proudu média. Na výstavce, jež byla součástí generálního zasedání NAMUR, představila společnost ABB snímač teploty s bezdrátovou komunikací WirelessHART a s převodníkem tepelné energie na elektřinu potřebnou pro provoz a komunikaci snímače.

Soustředit se na podstatné informace

Pro to, aby se výrobní operátoři mohli soustředit na podstatné výrobní informace, jsou nutná ergonomicky dobře navržená operátorská pracoviště. Na doprovodné výstavce ABB představila pracoviště řady EOW (Extended Operator Workplace).

Pracovní obrazovka operátorské stanice je v souladu s doporučením NAMUR AK 2.9 – Rozhraní člověk-stroj. Dříve byly obrazovky plné pestrých barev a animovaných objektů. Obrazovka navržená v souladu s doporučením AK 2.9 přehledně zobrazuje důležité údaje a její převažující barva je šedá. Objeví-li se na obrazovce jiná barva, signalizuje zpravidla, že se děje něco výjimečného. Důraz je kladen na jasnou a srozumitelnou signalizaci alarmů, využití vylepšených názorných grafických prvků, intuitivní navigaci a jasně patrné ovládací prvky. Výzkumy prokazují, že takto navržené operátorské rozhraní významně zkracuje dobu potřebnou k rozeznání alarmů a zlepšuje ovládání systému zejména v mimořádných situacích.

System 800xA umožňuje bez problémů realizovat simulaci ovládání výrobních procesů: konfigurace reálného systému se přenese do pracovní stanice instruktora, místo skutečného zařízení se připojí jeho model a operátor jej ovládá naprosto stejně jako reálnou technologii. Zvláště u složitých systémů s velkým důrazem na bezpečnost je výcvik operátorů na simulačních modelech velmi důležitý.

Nastupující počítačová generace

Mládež je dnes zvyklá ovládat počítače, mobilní telefony nebo herní konzoly. Moderní operátorské panely si musí vzít z této techniky to nejlepší – to, co usnadňuje navigaci a ovládání a zlepšuje přehlednost displeje. Zároveň se jejich vývojáři inspirují např. v kokpitech letadel nebo závodních automobilů. V nedávné době se na trhu objevily např. multidotykové ovládací panely s ovládáním gesty. Ovšem vývoj půjde dál. Velké operátorské plochy budou v budoucnu umožňovat současnou práci několika operátorů: jeden „pošle“ druhému rychlým přetažením požadovaný objekt, ten si jej dotykem zachytí, otočí, zvětší a může s ním pracovat. Vypadá to trochu jako sci-fi, ale potřebná technika už je k dispozici, existují prototypy zařízení (jeden z nich představila společnost ABB na generálním zasedání NAMUR) a uvedení takového konceptu do praxe je jen otázkou času.

 Peter Terwiesch, Regional Manager ABB pro střední Evropu a výkonný ředitel ABB AG Germany. Podle záznamu přednášky přepsal, přeložil a pro tisk upravil Petr Bartošík.

Obr. 1. Peter Terwiesch přednáší na generálním zasedání Namur 2011

Obr. 2. Schéma doporučené struktury systému řízení technologických procesů, jehož autorem je Thomas Tauchnitz a bylo publikováno v roce 1996 v časopise ATP

Obr. 3. Schéma systému řízení technologických procesů v pojetí ABB