Automatizace výrobních procesů – očekávání, skutečnost, trendy

Automatizace výrobních procesů – očekávání, skutečnost, trendy

Příspěvek zobecňuje vybrané poznatky a zkušenosti z oboru automatizace výrobních a manipulačních systémů, procesů a technologií. Uvádí některá očekávání, která provázela nástup automatizace u nás v počátku devadesátých let a shrnuje hlavní aspekty, které podle názoru autora charakterizují současný stav. Všímá si dále předpokládaných trendů při realizaci náročných a rozsáhlých komplexních automatizačních projektů v nejbližší budoucnosti.

1. Úvod

Automatizace výrobních a manipulačních systémů, procesů a technologií je velmi široký pojem. Z podstaty věci může být nejspíše chápán jako obecné označení procesů, v jejichž rámci, uplatněním adekvátních metod a prostředků aplikované informatiky, zajišťujeme požadovanou činnost, resp. docilujeme žádaných parametrů chování automatizované soustavy. Jde tedy o technický obor, popř. vědní disciplínu, poskytující pouze obecný návod k řešení konkrétních úloh v konkrétních podmínkách.

Na druhé straně, máme-li zodpovědně hovořit o automatizační technice, o výrobních procesech a technologiích a automatizaci investičních celků v jejich konkrétních podobách, musíme pod uvedenými pojmy vidět mnohem více než jen technickou stránku problému. K označení takovýchto konkrétních investičních akcí jsme zavedli pojem automatizační projekt.

Co rozumíme pod pojmem automatizační projekt?

Dlouho přetrvávající klasické pojetí struktury automatizačních projektů akcentovalo automatizační stránku realizačních činností. Zjednodušeně řečeno, cílem takovýchto projektů bylo uvedení řídicího systému, popř. dokonce jenom uživatelského softwaru řídicího systému, do provozu. Tomuto klasickému pojetí poměrně věrně odpovídaly i dominantní cíle automatizace proklamované u nás v první polovině 90. let.

Postupné zvýraznění tržních vlivů v posledních letech vneslo ale do celé problematiky automatizace nové požadavky. Cílem už nemůže být pouhé uvedení automatizované technologie konečného uživatele do provozu, ale stává se jím dosažení co největších ekonomických efektů vzniklých jejím vhodným použitím a optimalizovaným provozováním.

V tento okamžik vznikla potřeba pojímat automatizační projekt komplexněji. Nezbylo než ustoupit od zúžené interpretace automatizačního projektu jako ryze „informatické“ záležitosti. Při každé investiční akci, jejíž součástí je i systém řízení automatizované technologie, je třeba již jenom z technického hlediska realizovat nebo řešit návaznosti na řadu podmiňujících soustav „neinformatického“ charakteru (silnoproudé instalace, rozváděče a skříně místního ovládání, snímače a akční členy v provozech, pomocné a podpůrné technologie apod.). Dlouhodobé zkušenosti z tohoto oboru dále ukazují, že přinejmenším stejně důležitým faktorem jako technika sama jsou lidé. Významu nabývá kvalifikační způsobilost celého řetězce projektantů, programátorů, provozních pracovníků a manažerů, kteří se na přípravě, realizaci a provozování automatizovaných technologií podílejí.

Všechny tyto pohledy nás postupně přivedly k chápání automatizačního projektu jako provázaného komplexu technických, ekonomických a sociálních aspektů a k přechodu na složitější strukturu označovanou jako komplexní automatizační projekt. Hlavní skupiny hmotných a nehmotných dodávek, které jsou zpravidla integrální součástí komplexního automatizačního projektu, jsou pro ilustraci uvedeny na obr. 1.

Problematiku realizace komplexních automatizačních projektů a spolu s ní i otázky očekávání, skutečnosti a trendů v oboru automatizace výrobních procesů a technologií je přitom nutné diskutovat ze dvou odlišných pozic, tj. z pohledu:

1. Investorské a uživatelské sféry, která na základě svých technických, ekonomických a sociálních úvah rozhoduje o vlastnostech a realizaci automatizovaných systémů.

2. Dodavatelské sféry, která svými hmotnými dodávkami a inženýrskými službami konkrétní automatizované systémy projektuje, vytváří a kompletuje a popř. i udržuje.

Oba úhly pohledu přitom považujeme za rovnocenně důležité.

Po vymezení základních pojmů a pole pro diskusi se dále budeme detailně věnovat některým postřehům a poznatkům spjatým s očekáváními, skutečností a trendy v oblasti realizace komplexních automatizačních projektů u nás.

2. Zdroje poznatků

Poznatky a názory uváděné dále v tomto příspěvku byly získány během dlouholeté automatizační činnosti firmy SIDAT, spol. s r. o., (Systémové projekty, Inženýrské služby, Dodávky Automatizační Techniky), založené v roce 1990. Firma se od svého vzniku systematicky orientovala na osvojení technického a technologického know-how potřebného pro realizaci náročných a rozsáhlých komplexně pojatých automatizačních projektů ve vybraných průmyslových oborech.

Z hlediska technického know-how jsme se soustředili zejména na oblast výkonných programovatelných automatů (Programmable Logic Controller – PLC), operátorských rozhraní (Human Machine Interface/Supervisory Control and Data Acquisition – HMI/SCADA), na průmyslové komunikační sítě a na rozhraní mezi výrobními procesy a podnikovou řídicí úrovní (dnes označované jako Manufacturing Execution Systems – MES). Z větší části jsme zde uplatnili platformu produktů firmy Siemens. Nemalou pozornost jsme rovněž věnovali oblasti snímačů a akčních členů v provozech (field instrumentation) a elektrickým a pneumatickým prvkům a systémům.

Z hlediska technologického know-how byla středem zájmu automatizace dopravy, navažování, míchání a zpracování plynných, tekutých, sypkých a tuhých medií a materiálů.

Firma se takto postupně vyprofilovala ve velmi specializované pracoviště s těžištěm svého uplatnění v potravinářském průmyslu, ve výrobě stavebních hmot, v diskrétních strojírenských výrobách (výrobní linky, stroje a zařízení) a v dopravních a manipulačních systémech. Pro všechny tyto obory dodává jak komplexní automatizační projekty, tak řešení dílčích úloh. Významnou část činnosti firmy tvoří dále uplatnění obecně využitelného firemního know-how pro automatizaci specifických procesů ve vodohospodářství, v chemickém, farmaceutickém a rafinérském průmyslu a v energetice a teplárenství. Při realizací automatizačních projektů byly získány též rozsáhlé zkušenosti v oblasti koordinace a řízení prací. To nám umožňuje kompletovat rozsáhlé automatizační akce s využitím subdodávek jiných firem.

Za období posledních deset let realizovala firma více než 200 automatizačních projektů s celkovým objemem téměř 1 900 člověkoměsíců inženýrské práce. Kromě toho jsme od roku 1995 ve firemním autorizovaném školicím středisku firmy Siemens AG pro zavádění automatizační techniky vyškolili více než 1 000 pracovníků z tuzemska i ze zahraničí. O vysoké profesionální úrovni firmy svědčí i skutečnost, že v posledních letech tvoří více než 40 % její činnosti dodávky automatizačních systémů, popř. jejich částí, na zahraniční trhy.

Na byť jen stručnou informaci o nejzajímavějších ze zmíněných více než 200 realizovaných automatizačních projektů není v tomto příspěvku místo (zájemce o podrobnosti lze odkázat např. na [1]). Bez dalšího dokazování si zde dovolíme konstatovat, že získané poznatky a zkušenosti jsou natolik obsažné, že že mohly být zobecněny a vzaty za základ dále uvedených postřehů a názorů stran očekávání, skutečností a trendů v oboru automatizace výrobních procesů a technologií u nás.

3. Očekávání

3.1. Výchozí situace: nedostatek know-how a konjunktura
Stejně, jako je tomu i v jiných „nových“ oborech lidské činnosti, existovala v souvislosti se zaváděním automatizovaných systémů řada očekávání.

Použijeme-li opět jistého zjednodušení, dá se říci, že tato očekávání plynula do značné míry z nedostatečného automatizačního know-how všech zúčastněných subjektů a z počáteční konjunktury tohoto mimořádně dynamického technického oboru, ke které u nás, v porovnání s vyspělejšími zeměmi, došlo navíc se značným zpožděním.

3.2. Co si představovali investoři a uživatelé
U investorské a uživatelské sféry můžeme za nejvýznamnější považovat následujících sedm očekávání:

1. I bez alespoň základních znalostí o automatizaci a bez schopnosti formulovat požadavky na cílové technicko ekonomické parametry automatizované technologie na straně uživatele je možné si takovouto vágně specifikovanou dodávku objednat, zaručit její zprovoznění a docílit nějakých kvantifikovatelných efektů.

2. Realizaci dílčích dodávek pro automatizovanou technologii a jejich kompletaci lze ponechat zcela na subdodavatelích, a tudíž není nutné kvalifikované vedení realizace takovéto akce.

3. Všichni dodavatelé nabízejí totéž a v praxi tedy rozhoduje pouze cena jejich dodávek (představa navazující na představu ad 2).

4. Výkonný, komfortní a spolehlivý řídicí systém pro ovládání automatizované technologie lze dostat na trhu za málo peněz.

5. Spolehlivost a provozní parametry strojně a technologicky nedokonalé výrobní nebo manipulační technologie, navíc svým charakterem a vybaveností neodpovídající principům automatizovatelnosti, lze bez jakýchkoli zásahů „dohnat“ kvalitním a výkonným řídicím systémem (který „dokáže všechno“).

6. Novou, automatizovanou technologii lze efektivně provozovat bez kvalifikačně adekvátně připraveného pracovního týmu konečného uživatele.

7. K udržení nové, automatizované technologie v chodu postačí stávající servisní strategie.

Pokud jde o četnost výskytu, snad nejrozšířenějšími byla dvě poslední z uvedených očekávání: nedbání na připravenost týmu a neochota uvažovat o změně servisní strategie.

3.3. Co očekávali dodavatelé
Většina očekávání na straně dodavatelské sféry byla odvozena z atributů očekávaného chování trhu s automatizačními prostředky.

Na tomto místě je třeba uvést, že dodavatelská sféra (projektanti technologií, výrobci technologických zařízení, projektanti elektrotechnických dodávek, projektanti prvků měření a regulace, projektanti řídicích systémů včetně průmyslových komunikačních sítí, programátoři, specialisté na elektrické pohony apod.) je ve své podstatě oborově daleko méně homogenní než sféra uživatelská. Autor tohoto příspěvku považuje proto za možné uvést v následujícím textu pouze ta očekávání, která spadají do rámce automatizačního know-how, popř. která mají obecnější platnost. Takových poměrně rozšířených očekávání bylo celkem pět:

1. Automatizace výroby bude mít spíše charakter rutinních operací slepého střeva než složitých neurochirurgických operací: tato představa, ve spojení s nepřiměřenou sebejistotou řady subjektů dodavatelské sféry, našla potom uplatnění v názorech, že lze snadno vyřešit jakoukoliv automatizační úlohu.

2. Automatizační know-how bude sestávat zejména z poznatků oboru informačních technologií a nebude zahrnovat širší technologicky orientované znalosti z příslušných průmyslových oborů.

3. Realizace případných složitějších automatizačních projektů se bude řídit stejnými nebo podobnými zákonitostmi jako realizace projektů jednodušších.

4. Pro úspěšnou realizaci bude stačit kompetentní dodavatel (systémy „na klíč“) a že začleňovat uživatele (navíc ne zcela kompetentního) do procesu realizace automatizačního projektu není nutné.

5. V případě realizace automatizačních projektů na principu vyšších dodavatelských modelů bude role generálního (popř. vyššího) dodavatele svěřována výlučně dodavatelům stavební, popř. technologické části investice.

4. Skutečnost

Některá z uvedených očekávání postupně ztrácejí na významu, jiná ve větší či menší míře přetrvávají. Je to dáno zejména tím, že v uplynulých letech nesporně došlo v naší republice k výraznému nárůstu automatizačního know-how, a to nejen na straně tuzemských dodavatelů automatizovaných systémů (kde by to ostatně mělo být samozřejmostí), ale i na straně tuzemských složek investorů a konečných uživatelů. Uvedení mnoha náročných automatizovaných výrobních, technologických a manipulačních systémů do chodu umožnilo prověřit aplikaci vhodného technického a organizačního „instrumentária“.

I přes určité nesporné úspěchy se však ukazuje, že ve srovnání s přístupy a řešeními obvyklými ve vyspělých zemích přetrvávají jistá negativa. Některá z nich jsou způsobena jinými relacemi mezi cenou hmotných dodávek a standardizovaných řešení na straně jedné a cenou jednoúčelových inženýrských služeb u nás na straně druhé ve srovnání s relacemi běžnými ve vyspělých zemích. Příčinou jiných relací je obecně menší disponibilita investičních prostředků pro modernizační účely (pomiňme v této chvíli výstavbu závodů a provozů „na zelené louce“). V obou případech stále převažují tendence, které by se daly vyjádřit hesly: „Když šetřit, tak na hardwaru“ a „Standardizovaná řešení jsou moc drahá, koupíme si levnější jednoúčelová“.

Co můžeme považovat za další přetrvávající automatizační neduhy?

Investorská a uživatelská sféra nadále, až na výjimky, nedisponuje dostatečným počtem kvalifikovaných pracovníků, nezbytných pro realizaci automatizačních projektů. Pracovníků, kteří jsou schopni automatizační projekty zadávat, kontrolovat průběh jejich realizace a přejímat řešení. To vše při maximalizaci technické úrovně dodávek a minimalizaci nákladů a doby realizace.

I když pomineme případná jiná než odborná hlediska výběru dodavatelů automatizačních projektů, popř. jejich částí, lze konstatovat, že u mnoha existujících řešení se na úkor kvality, spolehlivosti a možnosti budoucí integrace do vskutku komplexních řešení přednostně sledovala zejména kvantita a rozsah automatizace jednotlivých úloh řízení výrobních a manipulačních systémů, procesů a technologií, bez ohledu na celek. Takto se do značné míry ztrácí smysl automatizace: v daných technických, ekonomických a sociálních podmínkách optimalizovaným způsobem přispět k maximalizaci efektů, docilovaných provozováním investičních celků.

Realizace většiny automatizačních projektů není kompetentně řízena. Za prvé proto, že se tato činnost nadále neuvěřitelně podceňuje, a za druhé chybějí vhodní lidé pro výkon takovéto manažerské práce. Oba faktory tvoří samozřejmě spojité nádoby. Přitom vhodným řízením realizace automatizačního projektu lze snížit realizační náklady a zvětšit následné efekty z provozu automatizované technologie o mnohonásobek částek, které představují výdaje na kvalifikované řízení automatizačního projektu.

Přetrvávajícím nedostatkem je nedostatečná provázanost mezi jednotlivými články řetězce inženýrských činností nutných pro realizaci automatizačního projektu. Tyto činnosti jsou stále chápány jako sekvenční proces, a nikoliv jako soubor paralelně probíhajících aktivit.

Velmi nepříznivá je situace v přípravě vhodných pracovníků pro projektování automatizovaných technologií, pro jejich provozování a zabezpečování jejich provozuschopnosti. Příčin je zde několik. Vedoucí pracovníci na všech úrovních řízení nedoceňují nutnost získávání a neustálého rozšiřování kvalifikační způsobilosti pracovníků pro výkon těchto profesí. Lidí vhodných pro tyto profese je málo a jejich příprava je dlouhodobý proces. Institucí, které jsou schopny takovéto pracovníky systematicky připravovat, je nedostatek. Svým způsobem jde opět o začarovaný kruh.

V souvislosti s realizací automatizačních projektů dochází k špatnému odhadu doby a prostředků (všeho druhu) potřebných k úplnému dokončení celé akce. V důsledku toho není dodavatel (dodavatelé) schopen splnit dodávku v požadované kvalitě, ceně a termínu. Ukazuje se také, že firmy zaměřené na hmotné dodávky a inženýrské služby jen automatizačního charakteru nejsou schopné úspěšně realizovat automatizační projekty v oborech se složitějšími výrobními technologiemi (technologie řízené podle receptur, technologie řízené výskytem událostí, většina složitějších kontinuálních technologií a procesů apod.). Totéž platí o rozsáhlých projektech s výraznou složkou koordinační a organizační činnosti.

Zajímavým fenoménem jsou automatizační projekty realizované na principu sloganu „systémy na klíč“. U projektů na zelené louce má tento způsob realizace své opodstatnění. U projektů modernizačního charakteru jde však ponejvíce o jakýsi druh propagační mystifikace. O tom mj. svědčí i skutečnost, že většině investorů, resp. konečných uživatelů, kteří si toto včas neuvědomili, způsobily takto realizované projekty nemalé obtíže.

Zmiňme ještě otázku dodavatelských modelů realizace. Ukazuje se, že většina realizátorů přiměřeně zvládá realizaci menších, nepříliš rozsáhlých a méně náročných automatizačních projektů. Rozsáhlé a náročné projekty představují však nadále obtížný oříšek. Je to dáno zejména tím, že u takovýchto projektů nelineárně vzrůstá možnost výskytu vnitřních a vnějších vlivů, které způsobují přechod do tzv. nestandardních režimů realizace. Rušivé vlivy mohou vzniknout v důsledku např.:

• nedostatečné kompetence subjektu, který převzal úlohu generálního dodavatele automatizačního projektu;
• nekvalifikovaného přiřazení úloh jednotlivým prvkům subdodavatelské struktury;
• nesprávné specifikace požadavků na jednotlivé prvky subdodavatelské struktury;
• výběru subdodavatelů, kteří jsou zdrojem potíží;
• velkým množstvím změn v průběhu realizace projektu;
• tlakem na uvedení nedostatečně otestované automatizované technologie do provozu;
• nízkou kvalitou koordinační a organizační práce na všech úrovních realizace automatizačního projektu.

5. Trendy

Při zmínce o trendech při realizaci automatizačních projektů by bylo nesporně na místě uvést trendy dalšího vývoje ve všech oblastech hmotných dodávek a inženýrských služeb, které automatizační projekt vytvářejí. Ve většině z těchto oblastí vznikají nové metody a prostředky, na jejichž výzkum, vývoj a připravenost pro uvedení do praxe nemáme, jako realizátoři automatizačních projektů ani jako uživatelé, téměř žádný vliv. Tyto metody a prostředky můžeme pouze dříve nebo později a hůře nebo lépe aplikovat. O těchto trendech je dostatek informací v dostupné odborné literatuře. V některých oblastech, zvláště potom v komplexu inženýrských služeb, jsme však schopni hrát aktivnější roli. Uveďme proto několik poznámek směrovaných do aplikační roviny problému.

1. Je čím dál tím patrnější, že úspěšná realizace rozsáhlých a náročných automatizačních projektů v kterémkoliv odvětví průmyslu je možná pouze na základě dobře organizované a koordinované týmové práce špičkových odborníků. Realizátoři budou muset umět takovéto týmy konfigurovat, ať už převážně z vlastních zdrojů nebo na bázi subdodavatelských vztahů.

2. Při realizaci automatizačních projektů budou do popředí vystupovat hlediska nezbytného technologického know-how, tj. hlediska znalosti technologických aspektů příslušného výrobního systému či procesu. Uplatní se oborově specifické realizační týmy řízené zkušenými vedoucími příslušných projektů. Takovéto týmy budou muset splňovat i požadavek záruky dostatečných kapacitních rezerv pro případ rozšíření rozsahu dodávky, posunu termínů realizace apod. Příklad takovéto dynamické oborově orientované realizační struktury je na obr. 2.

3. V souvislosti s maximalizací ekonomických efektů vzniklých vhodným použitím a optimalizovaným provozováním automatizované technologie je možné zmínit následující faktory, jejichž význam v blízké budoucnosti nabude na intenzitě:

4. Vzrostou požadavky na kvalifikační způsobilost celého řetězce projektantů, programátorů, provozních pracovníků a manažerů, kteří se na přípravě, realizaci a provozování automatizovaných technologií budou podílet. Kvalita automatizovaných technologií bude totiž ve stále vzrůstající míře dána ukazateli typu poměru náklady vůči přínosům (cost to benefit) vztaženými na celý životní cyklus takovýchto celků.

5. Realizační strategie budou založeny na integraci, modularitě a standardizaci, a to od úrovně čidel a ventilů až po úroveň agend podnikového řízení. Samozřejmým důsledkem těchto přístupů bude výrazné zkrácení doby potřebné pro uvádění automatizovaných systémů do provozu, zrychlení postupného náběhu automatizované technologie na projektovaný výkon a její větší provozní spolehlivost.

6. V komplexních automatizačních projektech bude daleko větším problémem integrace dat mezi technickými prostředky jednotlivých úrovní hierarchického modelu řízení než vlastní realizace těchto úrovní. Do popředí se takto čím dál více bude dostávat problematika průmyslových komunikací v heterogenních řídicích soustavách a problematika integrovaných inženýrských databází.

7. Budou zaváděny velice promyšlené systémy zabezpečování provozuschopnosti automatizovaných technologií, tj. postupný přechod od klasických podob servisní činnosti k formám s výrazně profylaktickými a predikčními prvky.

8. Protože v průběhu životního cyklu každého automatizačního projektu dochází k jeho opakované inovaci, stanou se nezbytnými moderní dokumentační systémy, umožňující efektivní a důsledné vedení a archivaci aktuální dokumentace realizovaných řešení. Takovéto dokumentační systémy budou muset podporovat produktivní realizaci změn a rozšiřování automatizačního projektu v budoucnosti.

6. Závěr

Zahraniční zkušenosti ukazují, že komplexně automatizovaná řešení mohou vznikat jen na bázi partnerství. Partnerství mezi investory, uživateli a dodavateli, partnerství postaveném na dlouhodobé kooperaci, pružnosti a důvěře. Jen tudy vede cesta k uskutečnění náročných vizí a záměrů.

Komplexně automatizované výrobní systémy mohou vznikat jen na bázi spolehlivých, inteligentních a perspektivních řešení. Řešení umožňujících nejen optimalizovat výrobní procesy, ale zahrnujících i potřebnou kvalifikační přípravu a zaškolení pracovníků.

Řešeními budoucnosti je třeba systematicky se zabývat již dnes. Je třeba jít cestou kombinace vlastního vývoje vhodných metod a prostředků a osvojování nových komponent a systémů od renomovaných světových firem. Všechny tyto metody, prostředky, komponenty a systémy je třeba včas ověřovat z hlediska konkrétního účelu jejich nasazení a ty prověřené z nich zavádět do vybavení inženýrských organizací. Je třeba podporovat odborný růst nejenom pracovníků dodavatelské sféry, ale i sféry investorské a uživatelské. Jenom takovéto navzájem vstřícné přístupy jsou v našem společném zájmu.

Rozhodli jsme se umístit příspěvek Ing. Miroslava Duba na úvod čísla, neboť se domníváme, že se v něm autorovi, který má dlouholeté zkušenosti z aplikací automatizace v praxi, podařilo dobře vystihnout mnohé problémy, s nimiž se česká automatizace potýká. Je to článek do určité míry polemický: budete-li na něj chtít reagovat svým názorem, je vám časopis k dispozici.

Redakce