Systémy CPM a koncepce Industrial IT

Systémy CPM a koncepce Industrial^IT

I přes svůj rychlý rozvoj se průmyslová automatizace donedávna jevila jako relativně stabilní a předpověditelný obor. V poslední době se ale začaly projevovat známky narušení idyly. Průmyslové automatizační systémy se přestaly soustřeďovat jen na logické řízení a regulaci a začalo se stále více mluvit o managementu, informačních systémech, komunikaci s ekonomickými a obchodními systémy, zprostředkování informací po síti, e-byznysu atd. Přitom výrobci automatizačních prostředků rychle zjistili, že nejen oni mají zájem proniknout do této hraniční oblasti – ze strany ekonomických systémů začal být zájem zpracovávat výrobní (technologická) data také. Ke všemu se objevili i noví hráči: firmy pracující v bouřlivě bujícím oboru informačních technologií (IT) získaly zkušenost s přenosem dat a jejich prezentací, a začaly se tudíž správně domnívat, že mohou ledacos nabídnout i průmyslu. To vše při postupující globalizaci, která znamená další zostření konkurence.

Důsledkem je stálý růst velikosti už nyní velkých firem a jejich snaha obsáhnout a nabízet celé portfolio produktů. Nejde už jen o průmyslovou automatizaci. Jde o celou oblast podpory řízení podniků. Vedle negativních stránek (pro výrobce i pro zákazníky) to má přece jen určité výhody – sílí snahy o rozumnou standardizaci a vzájemnou kompatibilitu různých řešení.

V této situaci se mimo jiné obtížně nalézá společný jazyk. Také proto, domnívám se, vznikla iniciativa MESA (Manufacturing Execution Systems Association), také proto se stále mění terminologie, objevují se nové pojmy a především nové zkratky. Když si většina z nás zvykla na velmi obecně definované vymezení systémů MES, začíná se objevovat termín CPM (Collaborative Production Management) a s ním související rodina příbuzných pojmů. Je to zřejmě signál, že nastupuje nová generace produktů pro řízení průmyslových podniků se širšími možnostmi a změněným obsahem.

CPM – trendy, strategie, budoucnost

Důležitá otázka – čím by se měly nové systémy s označením CPM, popř. CPAS (Collaborative Production Automation Systems), lišit od svých předchůdců? Pokusím se o krátkou rekapitulaci tak, jak ji nabízí ve svých materiálech poradenská organizace ARC Advisory Group, specializovaná na automatizaci v průmyslu:

• Ústředním pojmem je collaborative manufacturing – oproti současné praxi bude nutná daleko hlubší spolupráce a sdílení daleko větších objemů dat (informací), mezi podnikovými úrovněmi (výroba, ekonomika, zdroje, obchod) a mezi výrobcem, zákazníkem a dodavatelem. Je to často zřetelné už teď při budování dlouhodobých odběratelsko-dodavatelských aliancí. Výsledkem je tlak na produkci, zpracování a poskytování informací.

• Velmi výraznou součástí nových systémů se stává správa výrobních prostředků (asset management), a to na úrovni podniku (Enterprise Asset Management – EAM) i výrobního celku. Není to náhoda – náklady na údržbu jsou druhou až třetí největší položkou v operativních nákladech na výrobu, zvláště v těžkém průmyslu. Je tedy zřejmě nutné přecházet od strategie F1 („jede se do rozpadu auta“), ke strategiím prediktivní a proaktivní údržby. Znamená to přidat na „inteligenci“ zařízení v provozu, využívat moderní komunikační sběrnice a protokoly, zabezpečit distribuci utříděných informací z provozu k údržbě a do ekonomických systémů (až s vazbou na tvorbu objednávek náhradních dílů) a umožnit jednoduché vyhodnocování a optimalizaci provozu výrobního zařízení.

• Mění se pohled na systémy shromažďující a uchovávající data z výroby (dosud kategorie tzv. historian). Zatím stále zůstává ostrá hranice mezi výrobními daty (řádově tisíce až desetitisíce údajů obnovovaných v krátkých časových intervalech) a daty komerčními (především transakční povahy). Nové systémy ale budou vyžadovat komplexní pohled na historii výroby. Jedině tak bude možné výrobní proces vyhodnocovat a úspěšně řídit.

• Sledovatelnost (tracebility, genealogy): farmacie, čistá chemie a další odvětví průmyslu pociťují rostoucí tlak regulačních orgánů a norem na tvorbu prověřovacích záznamů (audit trail) svých produktů. Schopnost vyhovět všem stávajícím, novým i třeba teprve připravovaným normám přinese podle všech předpokladů nesporné výhody výrobcům, kteří je splní. Standardem se stává norma FDA 21 CFR Part 11 (norma USA pro elektronické ukládání dat včetně podpisových). Jsou zde ale i další normy a omezení (ekologie, zdravotní nezávadnost atd.). Pro výrobce CPAS to znamená nové požadavky na sběr, třídění, vyhledávání, zabezpečení a archivování dat.

• Vyhodnocování událostí – základy jsou dány už v současných systémech. Příští aplikace by měly sdružovat a rozšiřovat dnes již známé funkce (důsledné využívání časových značek, automatické třídění a filtrace, generování nevyžádaných zpráv příjemcům, kteří je potřebují dostat atd.).

• Management kritických situací: např. jsem si přečetl, že 38 % roční produkce v Severní Americe je ztraceno v důsledku výjimečných výrobních situací. Již teď jsou odvětví s velmi propracovaným managementem kritických situací (Critical Situation Management – CSM) – třeba jaderná energetika. Potřeba řešit tyto situace ale poroste obecně, nejen v provozech, kde havárie znamená ohrožení bezpečnosti lidí nebo ekologickou katastrofu. Důležité opět bude především snižování nákladů a lepší hospodaření s výrobními prostředky.

• Optimalizace: pojem, který se v průmyslové automatizaci skloňuje již desítky let. Přesto se ale optimalizační software dosud používá poměrně zřídka. Proč? Optimalizační metody a algoritmy dosud většinou vyžadovaly detailní znalost procesu, znalost cílů, kterým má optimalizace sloužit, a znalost používaných optimalizačních nástrojů. Kolik lidí v provozních podmínkách mělo o tom všem povědomost a zároveň mělo dost času a prostoru optimalizaci prosadit? Často také byl optimalizační software jen minimálně navázán na používané řídicí systémy. To všechno by se mělo u CPAS měnit: optimalizační nástroje musí být integrovány do řídicího systému a jejich používání musí být tak snadné jako např. parametrizace regulačního obvodu.

• Trénink a simulace: pracovníci více a častěji migrují, automatizace způsobuje ztrátu detailních znalostí o provozu, výrobní cyklus funguje spolehlivěji a výsledkem je nedostatek praxe v řešení krizových situací. Zkušenost a kvalifikace personálu se tak samovolně vytrácejí. Právě proto je nutné v nových systémech počítat s tréninkovými simulátory a dalšími prostředky pro udržení a zvýšení kvalifikace a akceschopnosti obsluhy.

• Work process management (WPM): je dobře známo, že přílišné množství dat je horší než nedostatek dat. Produkovat a poskytovat jen ta data a ty informace, které jsou na daném místě potřebné, to má za úkol work process facility management. Operátor v automatizovaném procesu má na jedné straně stále méně rutinní práce, na druhé straně musí stále častěji rozhodovat o věcech, které se dříve řešily na úrovni řídicích pracovníků. Čili stává se důležitějším. Koncepce WPM slouží k podpoře jeho rozhodnutí a tím k posílení efektivity jeho práce.

• Řízení jakosti (quality management): konkurence, globalizace a zpřísnění nejrůznějších norem udělaly v mnoha oborech z vedoucích pracovníků zodpovědných za jakost velmi důležité osoby ve firmě. Často je jedním z předpokladů úspěchu efektivní LIMS (Laboratory information management system) spolu s přenosem dat z LIMS do jiných systémů a jejich efektivní využívání. Problémy dosud mnohdy způsobuje převaha ručních vstupů, nedostupnost většiny dat v reálném čase a „nestandardnost“ laboratorních vyhodnocovacích zařízení.

Industrial^IT aneb ucelená koncepce pro cestu vpřed

Vše, co dosud bylo řečeno, se týká automatizace jako celku. Tento článek má ale i ambici ukázat čtenáři řešení, které nabízí firma ABB, a co víc – chtěl by ho pro toto řešení získat.

Prostředí Industrial^IT jako nová koncepce průmyslové automatizace bylo představeno ve druhé polovině roku 2000 a už má za sebou nejen množství aplikací, zkušeností a referencí, ale i překonání „dětských“ nemocí, které každý nový produkt provázejí. Jeho hlavní znaky a charakteristiky jsou takovéto:

• Industrial^IT je prostředí koncipované a nadále budované jako společná základna poskytující zákazníkovi prostředky pro plánování, řízení, automatizaci a přenos informací. Tedy pro celou oblast řízení podniku od úrovně provozu (field) až po spojení s obchodními a ekonomickými systémy podniku (Enterprise Resource Planning – ERP).

• Jde o jednotné a velmi otevřené prostředí umožňující stavebnicovým způsobem skládat a kombinovat řešení pro nejrůznější průmyslové obory a od velmi malých až po velmi rozsáhlé aplikace. Otevřenost poskytuje možnost spojovat prvky Industrial^IT nejen se všemi staršími systémy z rodiny produktů ABB, ale i se systémy jiných výrobců.

• Otevřenost a jednoduchá rozšířitelnost mají zázemí v důsledném využívání standardů nebo řekněme obecně užívaných prostředků. Pro zasvěcené stačí uvést hesla: Profibus, Foundation Fieldbus, OPC, platforma Windows, TCP/IP, ActiveX, SQL, HTML, XML atd.

• Důležitou vlastností koncepce Industrial^IT jsou tzv. Aspect Objects^TM . Princip je v tom, že pro každý reálný objekt v závodě může být vytvořen jeho model s množstvím aspektů (jiné jsou určeny pro údržbu, jiné pro operátory, jiné pro technology). Aspekty mohou být nejrůznější – dispozice, strojní výkresy, elektrické zapojení, návody, průvodci, časové průběhy a nastavení parametrů apod. (obr. 1). To vše v obecně používaných formátech, tedy kromě standardního operátorského rozhraní (Human Machine Interface – HMI) také Word, Excel, AutoCAD apod.

• Firma ABB má dlouhou a důkladnou zkušenost s aplikacemi z mnoha průmyslových oborů. Prostředky Industrial^IT tyto zkušenosti plně využívají. Umožňují tvořit řešení zákazníkovi tzv. na míru, se zakomponovaným osvědčeným a stále zdokonalovaným know-how v daném oboru.

Bylo již naznačeno, že Industrial^IT je stavebnice, kterou tvoří samostatně fungující prvky. Jen stručně o třech „klasických“ základních kamenech systému, kterými jsou:

Control^IT – řídicí hardware i software ve třech základních variantách volně dimenzovatelné od nejmenších po velké decentralizované řídicí systémy (Decentralized Control System – DCS); Operate^IT – operátorské rozhraní umožňující plně využít všechny přednosti metody Aspect Objects^TM a schopné přes OPC spolupracovat nad jakýmkoliv řídicím systémem při návaznosti na další produkty; Engineer^IT – prostředí pro tvorbu aplikací a také prostředek pro jednoduchou implementaci všech aspektů zobrazovaných objektů.

Prostředky CPM v Industrial^IT

V předchozí kapitole nebyly úmyslně zmíněny další tři z celkem šesti základních stavebních prvků Industrial^IT, a to proto, že přesně odpovídají tématu tohoto článku a že se jim dále budeme věnovat podrobněji. Jde o prvky kategorie CPM s názvy Inform^IT, Produce^IT a Optimize^IT.

Inform^IT
Každý průmyslový informační systém má několik základních („povinných“) znaků. Vedle nich má i znaky, které ho odlišují od konkurence. Charakteristika systému Inform^IT je shrnuta v následujících odstavcích. Historical Engine zajišťuje sběr, ukládání, distribuci, zpracování a vybavování dat. Jeho jádrem je databáze Oracle upravená tak, aby umožnila zpracovávat data v množstvích a četnostech charakteristických pro velké DCS. Systém lze velmi pružně dimenzovat a nemá problémy s nejrůznějšími formáty dat.

Komunikaci směrem k řídicím systémům obstarává standardní OPC server/klient nebo „na míru“ napsaná komunikace pro „exotické“ aplikace. Zajištěno je spojení s nejrůznějšími programy typu historian od jiných firem (PI, InfoPlus21 atd.) i propojení a vzájemné sdílení dat s historií v Operate^IT. Směrem k systémům ERP jsou nabízena certifikovaná spojení jako E-link nebo Skyva, popř. výrazně levnější řešení dělané na míru uživateli.

Grafické uživatelské rozhraní nabízí techniku webového prohlížeče, tenkých klientů, časové průběhy, události a operátorská zobrazení. Nadstavba pro Excel umožňuje sestavovat vlastní „živé“ tabulky a grafy. Jsou podporovány software CrystalReports pro tvorbu zpráv, bilancí a protokolů i spolupráce s jinými standardními programy pro zobrazování a zpracování dat, popř. s dalšími aplikacemi třídy MES.

Ukládání a zabezpečení dat jsou řešeny způsobem dovolujícím vytvářet a archivovat nejrůznější datové struktury charakteristické pro daný průmysl a danou aplikaci. Předem definovány jsou např. struktury pro dávkové výroby, pro papírenství apod. K dispozici jsou distribuované (krátká a dlouhá historie na různých serverech) a duální přihlašování do systému (zvýšená bezpečnost dat např. pro farmaceutické aplikace) a automatické i ruční zálohování.

Aplikace s předdefinovanými funkcemi využívají skutečnost, že firma ABB vytváří aplikace pro různá, často i diametrálně odlišná průmyslová odvětví. Jsou proto připraveny polotovary s typickými funkcemi např. pro chemii, energetiku, cementářství, papírenský průmysl, farmacii atd. Na obr. 2 je např. ukázáno několik předem definovaných formulářů informačního systému pro cementárnu. Sestavit konkrétní aplikaci je s touto podporou výrazně rychlejší a efektivnější.

Data mining provádějí v rámci Inform^IT aplikace firmy Pavillion pro analýzu dat, off-line i on-line optimalizace, vytváření virtuálních senzorů (softsensor), virtuálních analyzátorů apod.

Rozšířitelnost systému znamená, že zákazníkovi je navržen takový systém, který odpovídá jeho požadavkům. Licence se liší podle počtu veličin ukládaných na server, podle počtu klientů a druhu klientských služeb.

Produce^IT
Obory farmacie a čisté chemie (ale i potravinářství a výroba nápojů) mají mnoho regulačních omezení a značné požadavky na kontrolu všech operací. Jsou to také typické vsádkové procesy. Firmy, které chtějí být v těchto oborech do budoucna úspěšné, musí počítat s normami a de facto normami, jako je již zmíněná FDA 21 CFR Part 11 a dále normy EPA (předpisy agentury USA pro životní prostředí), různé osvědčené výrobní praktiky (common Good Manufacturing Practices – cGMP), s normami ANSI/ISA S88 (pro řízení vsádkových procesů) a S95 (pro integraci řídicích a podnikových systémů).

Aplikace Produce^IT nejenže splňuje požadavky všech těchto norem a doporučení již nyní, ale navíc je to velmi efektivní prostředek pro řízení vsádkových výrob, a to automatizovaných (Produce^IT Batch) i řízených ručně (Produce^IT EBR).

Jako celek Produce^IT nabízí:

• správu receptur a pracovních postupů, včetně snadné parametrizace a správy změn receptur,

• optimalizaci rozvrhu využití výrobních zařízení,

• správu zásob a řízení toků materiálu,

• rozvrhování, sledování a řízení zpracování vsádek,

• automatickou arbitráž zdrojů v reálném čase,

• sběr, vydávání zpráv a bilancování údajů o dávkách, bezpečné ukládání a archivaci dat (podpora spolupráce s Inform^IT),

• rozhraní se systémy ERP,

• elektronického pomocníka a průvodce operátora procesem,

• elektronické záznamy operátora stvrzované elektronickým podpisem,

• využití čárového kódu ke snadné identifikaci stavu procesu a bilancování zdrojů, meziproduktů a produktů.

Toto všechno je doplněno dalšími nezbytnými detaily: uživatelská práva a pravomoci se nastavují z jednoho místa, rychlá a jednoduchá metoda přístupu k informacím zvyšuje efektivitu a redukuje chyby, opakovatelnost procesů a spolehlivě zajištěná flexibilita systému zlepšují kvalitu výroby a usnadňují a zrychlují přechod výroby na nové produkty.

Aplikace Produce^IT je integrována s ostatními aplikacemi firmy ABB a lze ji integrovat i se systémy a produkty třetích stran.

Optimize^IT
Jak naznačuje název, je hlavní náplní činnosti produktu Optimize^IT optimalizace podnikových procesů. Prostředky používané v Optimize^IT lze rozdělit do dvou základních skupin podle hlavní zajišťované funkce, kterou může být:

• dynamická optimalizace výrobního procesu,
• správa výrobních prostředků.

K dynamické optimalizaci výroby se nabízí množství nástrojů a aplikací, obecně použitelných i specializovaných pro určité typy výrob a výrobních zařízení. Uveďme alespoň některé z těch obecných:

• „Zvěrohodnění“ (reconciliation) dat jako nástroj poskytující možnost nejen zpracovávat a vyhodnocovat sebraná data, ale statistickými metodami odhadovat přesnost měření, hodnoty parametrů výroby apod. Zlepší se tak kvalita bilancování, umožní se rychlá detekce vznikajících problémů, modely a řízení jsou přesnější apod.

• Modelování procesu: knihovna modelových zařízení, která je stále doplňována, dovoluje vytvářet modely reálného procesu a ty potom používat pro inženýrské návrhy výrobních linek, prediktivní modelování výrobních situací atd.

• 3dMPC, neboli obecný prediktivní model pro řízení soustav s několika vstupy a výstupy, je vhodné k použití v situacích, kdy nestačí klasické PID nebo jednoduché adaptivní regulační algoritmy. Uplatní se především při takových procesech, kde je obtížné, ale přitom nutné (z různých hledisek – energetického, kvalitativního, bezpečnostního apod.) udržet soustavu v přísně definovaném stavu.

• Scoope je dobře propracovaný nástroj pro sledování a analýzu výrobních dat, identifikaci problémových okruhů a úzkých míst ve výrobě a k optimalizaci využití kapacit a efektivity výroby.

Nástroje pro správu výrobních prostředků (asset management) důsledně rozvíjejí možnosti, které dává uživateli Industrial^IT. Patří k nim:

• Moderní průmyslové sběrnice Profibus a Foundation Fieldbus umožňují přenášet kromě provozních dat také množství údajů o připojených zařízeních. To dále dovoluje vyhodnocovat stav těchto zařízení. Nastavují se tzv. maintenance triggers, které, překročí-li sledovaná veličina určitou úroveň, informují o situaci příslušné pracovníky.

• Systém automatického řízení údržby (Computerized Maintenance Management System – CMMS): události vyhodnocované tímto systémem jsou po potvrzení odesílány do systému ERP, kde slouží jako podklad pro objednávky náhradních dílů apod. Příslušné informace je možné dále zpracovávat např. pro účely vyhodnocování poruchovosti. Je podporována komunikace se specializovanými systémy EAM, např. se systémem firmy IFS aj.

• Modul Audit Assistant napomáhající vytvořit k modelu objektu jako jeho aspekty zobrazení, která ukazují celou historii reálného objektu, jak naznačuje obr. 3. Usnadní se tak detekce příčin poruch i přechod k proaktivnímu systému údržby.

• Documentation Organizer je opět nástroj využívající Aspect ObjectsTM. Tentokrát jsou aspekty daného objektu jeho základní parametry, tzn. strojní výkresy, zapojení, standardní provozní podmínky, návody atd. Exkluzivně je tak možné s použitím tenkého klientu a notebooku, mobilu nebo PDA získat všechna potřebná data i přímo u opravovaného zařízení.

Závěrem krátká rekapitulace

Řešení pro oblast CPM popisovaná v článku jsou součástí stavebnice Industrial^IT, ale stejně dobře pracují i v rámci jiných sestav a systémů. Jejich síla a přednosti spočívají především v tom, že postupně naplňují vize zmiňované v úvodní obecné části článku. Jsou to řešení otevřená, „škálovatelná“, stále se vyvíjející a přitom použitelná v kombinaci se staršími produkty:

Inform^IT zajišťuje bezpečné ukládání dat, jejich integraci a distribuci v  podniku jako celku. Tím dokáže výrazně zrychlit rozhodovací procesy a zlepšit jejich kvalitu. Produce^IT je komplexní sestava nástrojů pro řízení vsádkových výrob vyhovující všem současným i zaváděným normám. Optimize^IT nabízí prostředky pro optimalizaci vlastního výrobního procesu a pro plné využití i prodloužení životnosti výrobních prostředků. To vše jsou vlastnosti, které uvedeným produktům otevírají cestu k zákazníkům v mnoha odvětvích našeho průmyslu.

Ing. Jiří Unčovský, CSc., ABB s. r. o.