Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Systémy řízení výrobních procesů

Rostoucí tlak na úplnost, rozšiřování a zkvalitňování služeb v rámci životního cyklu podnikových informačních systémů (PIS) umožnil ve společnosti Unis, a. s., zavést metodiky a postupy umožňující optimálně analyzovat a navrhovat PIS s ohledem na specifické funkce požadované jednotlivými zákazníky. V článku je jako součást systému PIS především vymezen systém řízení výrobních procesů (MES) a dále jsou probrány vybrané aspekty projektu systému řízení velkého energetického komplexu řešeného na pracovišti autora.
 
Podnikový informační systém (PIS, ekvivalentní anglické označení je Enterprise Information System – EIS) je vždy kompozicí několika systémů řízení a informačních systémů určených pro určitý specializovaný segment činnosti podniku. Struktura PIS je závislá na zaměření podniku. Obecně lze funkci PIS vyjádřit jako sjednocení funkcí základních dílčích systémů (segmentů činnosti podniku), kterými jsou:
  • kancelářský informační systém OIS (Office Information System),
  • informační systém správy podniku MIS (Management Information System),
  • systém správy vztahů se zákazníky CRM (Customer Relationship Management),
  • systém plánování podnikových zdrojů ERP (Enterprise Resource Planning),
  • systém řízení výrobních procesů MES (Manufacturing Execution System),
  • systém řízení technologických procesů IPC (Industrial Process Control).
Platí tedy
 
PIS = OIS ∪ MIS ∪ CRM ∪ ERP ∪ MES ∪ IPC          (1)
 
spolu s grafickým znázorněním na obr. 1.
 

Místo a funkce systému řízení výrobních procesů

Kancelářský informační system (OIS) představuje velmi rozsáhlou množinu nástrojů počínaje softwarem pro podporu vytváření, sdílení a ukládání dokumentů, prezentačních a jiných grafických pomůcek, přes nástroje pro komunikaci a konče programovými nástroji pro podporu vývoje aplikačních programů. Jde o jeden ze základních zdrojů dat pro informační systém správy podniku a systém pro správu vztahů se zákazníky.
 
Informační systém správy podniku (MIS) je tvořen množinou specializovaných programů umožňujících integrovat externí a interní zdroje dat, které mohou být různé povahy. Zdroji dat mohou být transakčně spravované datové sklady na jedné straně i „manuálně“ vytvářené soubory dat na straně druhé. Cílem použití těchto programů je umožnit efektivní řízení podniku. Mezi programy množiny MIS mohou být rozsáhlé vývojové systémy pro tvorbu aplikačních programů.
 
Systém pro správu vztahů se zákazníky (CRM) umožňuje efektivně navazovat, udržovat a rozvíjet vztahy mezi podnikem a jeho zákazníky. Obvykle poskytuje veškeré nástroje a funkce potřebné k vytvoření a udržení přehledu o zákaznících od prvního kontaktu, přes vlastní prodej a dodávku až po následnou péči o klienta. Systémy typu CRM jsou často využívany jako zdroje dat (požadavků uživatelů) pro komponenty systémů MIS.
 
Systém plánování podnikových zdrojů (ERP) je informační systém integrující a automatizující velké množství výrobních i režijních procesů souvisejících s chodem podniku. Typicky jde o výrobu, logistiku, prodej a dodávky, fakturaci, správu majetku, účetnictví apod. V současnosti jsou systémy ERP velmi rozsáhlými informačními systémy, které svými funkcemi zasahují i do aplikačních oblastí systemů MIS a CRM.
 
Systém řízení výrobních procesů (MES) má zabezpečovat efektivní řízení výroby produktů. Znamená to sbírat a zpracovávat (dokumentovat) detailní údaje o všech prvcích, které vstupují do výrobního procesu (hodnoty materiálových a energetických toků, provozní vlastnosti komponent technologického zařízení, hodnocení kvalifikace a kvality práce pracovníků). Prostřednictvím systému MES se předávají informace o kvantitativních i kvalitativních ukazatelích ze systémů ERP, popř. CRM, do vlastního systému řízení technologických procesů.
 
Systém řízení technologických procesů (IPC) je základním prvkem řízení výroby. Cílem činnosti těchto systemů je zajistit dosažení kvantitativních i kvalitativních ukazatelů určených systémy řízení podniku na vyšší úrovni.
 
Dobře navržená struktura PIS je vytvářena disjunktním systémem množin funkcí jejích jednotlivých komponent. Funkce jednotlivých komponent by se neměly překrývat. Průniky komponent tedy mají formu abstraktních funkcí tvořících rozhraní komponent. Tato rozhraní jsou pak zavedena jako součást jednotlivých komponent systému PIS.
 
Struktura systému PIS i rozsah jeho jednotlivých komponent jsou závislé na charakteru podniku. Těžiště systému PIS u nevýrobního podniku budou tvořit jiné komponety než v případě podniku zabývajícího se výrobní činností. Lze předpokládat, že v případě výrobního podniku bude toto těžiště ležet v oblasti systému MES. Potřebné funkční schopnosti systému PIS, zejména komponet systému MES, budou značně závislé na produktu, který je předmětem výroby. Dále bude funkce systému MES závislá na fázi výroby daného produktu. Například v případě energetických toků budou rozsah funkcí i vlastní způsob zavedení systému MES jiné v podniku zabývajícím se distribucí než v podniku výrobním.
 
Ideální kompletní MES zajišťuje jedenáct jmenovitých základních funkcí, a to:
  • krátkodobé rozvrhování (Operations/Detail Scheduling),
  • zjišťování stavu a přidělování zdrojů a kapacit (Resource Allocation and Status),
  • dispečerské řízení výrobních jednotek (Dispatching Production Units),
  • správa dokumentace (Document Control),
  • sledování toku materiálu (Product Tracking and Genealogy),
  • analýza výkonnosti (Performance Analysis),
  • sledování pracovníků (Labor Management),
  • řízení údržby (Maintenance Management),
  • ovládání procesu (Process Management),
  • péče o jakost (Quality Management),
  • sběr údajů (Data Collection/Acquisition).
V praxi se jmenovité funkce systému MES realizují v různé míře a v různých kombinacích a různými nástroji, které ne vždy korespondují s uvedeným členěním.
 

Systém řízení energetického komplexu

Další odstavce jsou věnovány konkrétní implementaci funkcí systému MES v projektu systému řízení energetického komplexu s plynulým řízením výroby a distribuce tepelné, popř. elektrické energie v městské aglomeraci řešeném ve společnsoti Unis, a. s. Základní cile navrhovaného systému řízení komplexu leží jednak v systémové a jednak v informačnětechnické oblasti. Jsou požadovány:
  • adaptace na aktuální klimatické podmínky v místě a na provozní stavy jednotlivých zdrojů tepelné, popř. elektrické energie,
  • optimální regulace s ohledem na minimalizaci ztrát energie (optimalizace řízení v reálném čase, dispečerské řízení),
  • udržování bezpečného a vyrovnaného provozu zdrojů energie,
  • minimalizace požadavků na činnost operátorů energetického systému, objemu dat a informací o provozu poskytovaných operátorům a závislosti podniku na specializovaných pracovnících,
  • maximálně rychlá odezva na přechodné děje v energetickém systému (objektivní změny režimů zdrojů energie nebo stavu distribuční sítě),
  • minimální poškozování životního prostředí,
  • vysoká míra obnovitelnosti funkcí energetického systému (inteligentní sledování stavu a diagnostika, rychlá detekce chyb, automatizované plánování údržby atd.),
  • zvýšení spolehlivosti provozu a zmenšení rizika selhání lidského faktoru,
  • zvýšení provozní účinnosti.
Plnit uvedené požadavky na chování energetického komplexu umožní projektovaný systém pro řízení výroby. Jeho základem je inteligentní dispečerské pracoviště obsahující základní řídicí systém a jeho nadstavby, kterými jsou systém analýzy dat a inteligentní řídicí systém, jak ukazuje obr. 2.
 
Skladba a plánované funkce projektovaného základního řídicího systému a jeho nadstaveb z obr. 2 jsou dále popsány podrobněji.
 

Základní řídicí systém

Základní řídicí systém je tvořen subsystémy:
  • uživatelského rozhraní/vizualizace,
  • informační podpory s příslušnými databázemi údajů o okolí a o vlastním energetickém komplexu.

Subsystém uživatelského rozhraní

Úkolem subsystému uživatelského rozhraní je poskytovat úplnou informaci o aktuálním stavu energetického komplexu a predikci jeho vývoje a taktéž zobrazovat doporučené povely a řídicí zásahy. Uživatelské rozhraní umožní:
  • snadno a intuitivně řídit a sledovat stav energetického komplexu,
  • rychle zobrazit aktivní nebo neaktivní, ale nepotvrzená výstražná hlášení,
  • rychle zobrazit poslední aktivní nebo již neaktivní, ale nezaznamenané události,
  • sledovat časové průběhy vybraných technologických veličin,
  • zabránit neoprávněnému přístupu do systému.

Subsystém informační podpory

Subsystém informační podpory se při své činnosti opírá o dva datové sklady, kterými jsou:
  • databáze údajů o relevantním okolí,
  • databáze aktuálních a historických technologických dat.
Pro činnost inteligentního řídicího systému je nutné zabezpečit informaci o stavu relevantního okolí objektu řízení, tj. energetického komplexu. Jde zejména o meteorologická data, informace o časovém rozložení aktivit uživatelů energetického systému apod. Tyto informace shromažďuje a průběžně aktualizuje subsystém informační podpory, který prostřednictvím internetu současně informuje o aktuálním stavu energetického komplexu vzdálené operátory nacházející se mimo prostor pracoviště.
 
Databáze aktuálních a historických technologických dat tvoří technologický informační systém pracující v reálném čase. Zabezpečuje správu:
  • aktuálních technologických dat snímaných v procesu výroby energie a její distribuce,
  • historických technologických dat,
  • údajů o technickém stavu (distribuovaného) řídicího systému a distribuční sítě,
  • dat z obchodní a logistické sítě.
Subsystém informační podpory také zabezpečuje funkce rozhraní se současnými systémy ERP a webové služby obstarávající autentizované sdílení dat se vzdálenými uživateli.
 

Systém analýzy dat

Systém analýzy dat je tvořen subsystémy:
  • predikce hodnot definovaných parametrů energetického komplexu,
  • analýzy aktuálních a historických technologických dat.

Subsystém predikce

Pro výpočet odhadu budoucího stavového vektoru z aktuálních dat tzv. generátorem odhadu se využívá znalost chování řízeného energetického komplexu a v některých případech také známé vlastnosti relevantního okolního prostředí komplexu. Informace o aktuálním stavu je získávána z měřicího systému a informace o relevantním prostředí ze systému informační podpory. Úkolem generátoru odhadu je řešit úlohu určení předpokládané trajektorie pohybu dynamického modelu řízeného energetického komplexu pojímaného jako rozlehlý dynamický systém. Model se předpokládá ve tvaru soustavy rovnic popisujících dynamické chování energetického komplexu v čase a prostoru při uvážení okrajových a počátečních podmínek. Při predikci trajektorie pohybu dynamického systému bude uvažován také vliv relevantního okolí, zejména meteorologické situace.
 

Subsystém analýzy aktuálních a historických dat

Subsystém analýzy aktuálních a historických technologických dat svými funkcemi podporuje činnost systému pro stanovování cílů řízení a systému časové predikce trajektorie pohybu energetického komplexu. Jeho cílem je poskytovat data pro báze dat expertního systému generujícího cíle řízení a data pro odhadování hodnot parametrů modelu řízeného energetického komplexu. Generátor cílů řízení ke své činnosti vyžaduje existenci báze dat obsahující informace nejen o aktuálním stavu energetického systému, ale i o stavech minulých. Podobně jsou k odhadování parametrů dynamického modelu energetického komplexu a jejich predikci nutná správná technologická data, tj. se zaručenou integritou (bez nekonzistentních hodnot).
 
Hlavním úkolem systému analýzy aktuálních a historických technologických dat je spravovat velké objemy dat při zpracování poměrně komplexních analytických dotazů v reálném čase (on-line analytical processing) pro podporu rozhodovacích činností operátorů. Systém analýzy může obsahovat analytické nástroje generování odvozených dat. Mohou zde být použity metody korelační analýzy, shlukové analýzy, metody zpracování časových řad, metody optimální dynamické filtrace apod.
 

Inteligentní řidicí systém

Inteligentní řidicí systém je tvořen subsystémy využívanými k určování:
  • cílů řízení,
  • optimálních povelů a zásahů při řízení.

Subsystém stanovení cílů řízení

Subsystém stanovení cílů řízení obsahuje generátor požadovaného chování energetického komplexu v procesu řízení. Výstupy subsystému cílů řízení jsou závislé pouze na analýzách historických dat a na predikovaných hodnotách stavu energetického komplexu. V podstatě jde o expertní systém obsahující báze znalostí postupu řešení událostí v historii existence energetického komplexu v podobě modelových řešení. Hledané řešení – cíl řízení – se určí opakovaným použitím rozhodovacích pravidel, která přiřazují určitému datovému prostoru (báze dat) hledaná modelová řešení. Předpokládá se, že iterativní uplatnění rozhodovacích pravidel na datový prostor obsahující predikci stavu energetického komplexu a výsledky analýzy historických dat povede k hledané dedukci cíle řízení pro konkrétní stav energetického systému. Nalezený cíl řízení pak představuje novou znalost (objekt báze znalostí), použitelnou k určování nových cílů řízení.
 

Subsystém pro optimalizaci rozhodování při řízení

Subsystém pro optimalizaci rozhodování realizuje řídicí algoritmy. Cílem je generovat doporučené povely a řídicí zásahy, které jsou poté operátorovi předkládány prostřednictvím subsystému uživatelského rozhraní a vizualizace. Ze schématu na obr. 2 je patrné, že operátor je nedílnou součástí inteligentního řídicího systému energetického komplexu. Systém pro optimalizaci rozhodování a řízení v obecném případě pracuje s algoritmem generátoru odhadu stavového vektoru energetického komplexu.
 

Závěr

Současná výkonná automatizační a výpočetní technika spolu s dosaženým stupněm poznání informačních toků umožňují realizovat komplexní řídicí systémy provázané horizontálně i vertikálně přes celý podnik. Ve výrobních podnicích jsou nyní středem zájmu zejména systémy řízení výrobních procesů (MES). V článku je ukázán přístup použitý společností Unis při projektování inteligentního dispečerského pracoviště jako součásti systému řízení rozlehlého energetického komplexu.
 
Literatura:
[1] ADAM, R.: MES – systém řízení výroby. Automatizace, 2000, roč. 43, č. 8, s. 520–521.
[2] HADJIMICHAEL, B.: Manufacturing Execution Systems Integration and Intelligence. Department of Electrical and Computer Engineering Centre for Intelligent Machines – Systems and Controls Group, McGill University, Montreal, Canada, August 2004.
 
Ing. Jiří Marek, CSc.,
 
Obr. 1. Vennův diagram množiny funkcí podnikového informačního systemu (PIS)
Obr. 2. Struktura navrhovaného systému řízení energetického komplexu: inteligentní dispečerské pracoviště a podsystémy I/O (viz text)
 

 

Výrobní informační systém Pharis

Společnost Unis, a. s., od roku 2002 vyvíjí a v realizovaných projektech automatizačních systémů využívá vlastní výrobní informační systém Pharis®. Původ názvu Pharis souvisí s primární orientací na farmaceutický průmysl. Díky této skutečnosti společnost Unis vyvinula systém pro řízení výroby takového typu, který klade extrémně velké požadavky na funkční schopnosti, spolehlivost a bezpečnost řídicího procesu. Podpora širokého spektra funkcí a celková koncepce systému umožnily snadný přechod i do ostatních průmyslových odvětví. Zkušenosti z praxe potvrzují, že to byl krok správným směrem a že MES Pharis je systém vhodný pro všechna odvětví průmyslu. Důkazem je, že systém Pharis je v současnosti úspěšně zaváděn u několika významných renomovaných výrobců.