|
Integrace automatizace a MES v praxi
Článek se věnuje vývoji v oblasti integrace systémů v podnicích, který od izolovaných automatizačních řešení s použitím jednoduchých řídicích systémů, přes postupně zdokonalovanou úroveň operátorských rozhraní (HMI) směřuje k integraci automatizační techniky s úrovněmi MES a ERP v rámci standardizované architektury řídicích systémů v podniku podle obr. 1. Autoři článku sumarizují poznatky a zkušenosti získané ve firmě Compas automatizace spol. s r. o. (dále jen Compas). Dále je pojednáno o problematice datového propojení mezi úrovněmi ERP, MES a automatizačními přístroji na úrovni technologického zařízení (vrstva MCS na obr. 1, dále v tomto článku pro stručnost označovaná jako automatizace). Jsou uvedeny použité principy a zkušenosti z úloh, u nichž společnost Compas úspěšně vyřešila přenosy dat mezi jednotlivými řídicími vrstvami (PLC, MES a ERP). Řídicí systémy obsahující úroveň MES buduje společnost Compas v potravinářském, farmaceutickém a automobilovém průmyslu. Životaschopnost dodaných řešení je prověřována nepřetržitou výrobou a častými audity, které jsou v těchto odvětvích běžné.
Obr. 1. Standardní architektura řídicího systému výrobního podniku
Na úrovni automatizace společnost Compas výhradně používá PLC od firmy Siemens a v oboru řízení spojitých technologických procesů řídicí systém Simatic PCS 7 od téhož výrobce. Na úrovni MES využívá vlastní výrobní informační systém Comes®.
Automatizace a MES – historie, možnosti
Není tomu tak dávno, kdy cíle automatizačního úsilí v průmyslu byly spojeny s dosažením větší spolehlivosti a výlučně omezeny na řešení řídicích úloh. Uživatelské rozhraní mělo převážně podobu jednoduchých signalizačních zařízení a funkce jako záznamy historických dat a možnost jejich vyhodnocování off-line byla z oblasti snů jak dodavatelů, tak i uživatelů. Nesnadná diagnostika a s tím spojená složitost a obtíže údržby byly hlavním problémem, který bránil v té době již poměrně spolehlivým systémům řízení dosahovat cílů, které výrobní složky potřebovaly, jako např. stability parametrů jakosti, spolehlivosti a schopnosti tyto atributy kdykoliv doložit.
Nové požadavky vedly k vylepšování úrovně HMI ve vrstvě automatizace. Postupně přicházely možnosti grafického rozhraní, prezentace analogových veličin v podobě tabulek a grafů, archivace průběhů těchto veličin a jejich pozdější prezentace a analýza. Důležitou funkcí se stal záznam poruch, které v technologickém zařízení vznikly, s možností uchovat a později prezentovat jejich historii. To vše bylo doplňováno možnostmi tvorby protokolů, které mohou sdružovat data jak aktuální, tak i historická, zaznamenaná v archivních souborech. Vývoj v oblasti vrstvy HMI, kterou zprvu jednotliví výrobci pojímali jako černou skříňku, míří k otevřeným systémům vycházejícím z řešení osvědčených v kancelářských úlohách. Některé produkty, např. WinCC od firmy Siemens, využívají databázový systém MS SQL server s možností výměn dat prostřednictvím technik OLE, OPC, DDE, ODBC a SQL. Již zmíněné funkční schopnosti svádějí k myšlence neomezených možností a k otázkám, proč neřešit i úlohy vrstvy operativního řízení výroby (MES) také technickými prostředky automatizace?
V rámci rozšiřování funkčních schopností na úrovni HMI se však poněkud pozapomnělo, že její hlavní úlohou je především prezentovat stavová data z technologického zařízení, umožnit modifikovat provozní parametry, řešit mimořádné stavy s použitím výstražných hlášení o poruchách a společně archivovat hodnoty technologických veličin, výstražná hlášení a zásahy operátorů. Zkušenosti také ukazují, že je třeba nepodlehnout svodům otevřenosti HMI jak z pohledu rozhraní, tak z pohledu dostupných programovacích prostředků (zde jsou opět de facto standardem velmi rozšířené produkty Visual Basic, jazyk C nebo VBA). Jestliže tvůrce aplikačního programu začne proplétat úlohy MES a řízení v rámci automatizační úrovně, často se dopracuje do stavu, že při větším zatížení takové řešení nefunguje spolehlivě a navíc velmi klesá jeho průhlednost a jsou omezeny možnosti údržby. Další nevýhodou uvedené kombinace je také skutečnost, že systémové prostředky na úrovni řízení (např. paměť) jsou velmi drahé, a tedy proti možné kombinaci hovoří i ekonomické důvody.
Otevřené produkty v úrovni automatizace a jejich komunikační rozhraní je vhodné
použít jen jako cestu k propojení co do aplikačního programu oddělených vrstev řídicích systémů (MCS), výrobních informačních systémů (MES) či celopodnikových informačních systémů (ERP). Řídicí systémy v poslední době velmi posílily své komunikační schopnosti nejen na úrovni HMI, ale i na úrovni PLC. V oblasti fyzického datového propojení je zcela běžné se setkat se standardem Ethernet a skupinou protokolů TCP/IP. Lze si tedy vyměňovat data jak přímo s úrovní PLC, tak s úrovní HMI při použití protokolů, které pokrývá koncept TPC/IP, tedy např. FTP, HTTP atd. Většina výrobců řídicích systémů tento standard akceptovala, a tak má vrstva MES buď možnost komunikovat přímo s úrovní PLC nebo jako komunikačního partnera používá úroveň HMI. To, jak bude propojení provedeno, je závislé na konkrétní úloze. Oba případy by však velmi zjednodušila existence univerzálního rozhraní, které by sjednotilo a unifikovalo služby potřebné pro výměnu dat mezi vrstvou řízení a MES nezávisle na výrobci PLC i na úrovni vrstvy řízení, na kterou se vrstva MES napojuje.
Společnost Compas zde často využívá standardizované rozhraní OPC, které vychází z rozhraní OLE firmy Microsoft. Toto rozhraní je provozováno systémem klient-server. Aplikační program nebo klient požadující data osloví jiný aplikační program nebo server, který data poskytne. Rozhraní OPC je normalizováno a na jeho jednotnost dohlíží organizace OPC Foundation, sdružující většinu výrobců řídicích systémů. OPC server v sobě obsahuje kód pro vlastní komunikaci s produktem konkrétního výrobce. Podstatné zde je, že rozhraní OPC je směrem k aplikačním programům jednotné a nezávislé na výrobci řídicího systému či softwaru typu HMI.
Jestliže tedy řešená úloha vyžaduje přímou vazbu na úroveň PLC, použije se PC s unifikační vrstvou OPC serveru a vlastní program MES již komunikuje s OPC serverem přímo jako klient OPC. V případě, kdy se jako výhodnější ukazuje řešit spojení vrstvy PLC s vrstvou MES přes úroveň HMI, společnost Compas ve svých projektech používá vizualizační software, např. WinCC, který se umí chovat jako server OPC.
Některá datová pojítka se řeší, zejména z důvodu požadavků na rychlost a nezávislost na zatížení aplikačního programu, také přímým propojením mezi vrstvou MES a úrovní PLC za použití protokolu UDP. Je třeba vždy zvažovat mezi požadavky na rychlost, spolehlivost a stabilitu. Všechny jsou v podstatě protichůdné, a tak je konkrétní řešení vždy věcí delší analýzy aktuálních potřeb.
Vrstva PLC v současné době poskytuje vrstvě MES mnoho možných způsobů komunikace, přičemž je podstatné, že tyto možnosti jsou součástí „světa MES“, resp. kancelářských úloh, a nesou tedy atributy kancelářských aplikačních programů, jako je konektivita, možnost rozšíření, množství realizovaných úloh a kompatibilita s operačními systémy vlastními vrstvě MES či ERP.
Úroveň operativního řízení výroby (MES)
Společnost Compas využívá pro řešení úloh na úrovni MES vlastní systém Comes, vzniklý na základě zkušeností z mnoha speciálně vyvíjených zákaznických řešení, a proto svou koncepcí odpovídající nejčastěji se vyskytujícím požadavkům uživatelů. Pro ochranu uživatelských investic byla pro Comes zvolena systémová platforma produktů od společnosti Microsoft (databázový stroj Microsoft SQL Server, vývojové prostředí .NET – jazyk C# a ASP.NET, webové služby, Microsoft IIS, operační systémy Windows Server atd.).
Systém Comes dále vychází z mezinárodních standardů ANSI/ISA-95 a ANSI/ISA-88 a z požadavků regulatorních orgánů při kontrole odvětví výroby potravin a léčiv (jako je směrnice FDA 21 CFR part 11), což jsou funkce vítané zákazníky i v jiných odvětvích, např. v automobilovém průmyslu.
Systém Comes je modulární systém založený na webových metodách a architektuře klient-server. Uživatelské rozhraní jednotlivých modulů je tvořeno webovou stránkou. Na klientské stanice není proto třeba instalovat žádný další software a využívá se Microsoft Internet Explorer; to znamená podstatné zjednodušení celkové správy a údržby systému.
Příklad integrace automatizace a MES
Systémy pro úrovně automatizace i MES nabízené na trhu obsahují větší či menší množinu vestavěných funkcí a doporučených technických řešení, ale realizovat s nimi optimální řídicí systém a efektivně je integrovat do systému v současnosti vyžaduje hluboké znalosti a zkušenosti realizačního týmu. Aplikační program by také měl svým technickým řešením, datovými strukturami a celkovou koncepcí respektovat doporučené mezinárodní standardy. Především by měl být pro uživatele co nejproduktivnějším nástrojem pro optimální řízení výroby. Realizaci konkrétních projektů dále komplikují pochopitelné požadavky zákazníků na minimální doby odstávky technologického zařízení, na zachování již existujících systémů nebo na vytváření nejrůznějších rozhraní a vazeb. Příkladová studie uvedená v dalším textu svými požadavky patří k velmi náročným modernizacím úrovně automatizace a MES.
Výchozí stav úlohy před modernizací
Jako původní systém řízení byl používán DCS systém Simatic PCS, pracující pod operačním systémem SCO Unix. Systém Simatic PCS řešil vedle vlastního řízení procesu i správu receptur a rozsáhlé tiskové výstupy, které byly využívány k dokumentování výroby. Tyto tiskové výstupy a jejich postupné „košatění“ systém značně zatěžovaly.
Koncept řešení
Při koncipování modernizace řídicího systému se zákazník rozhodl pro nabídku společnosti Compas, opírající se o tři základní komponenty:
moderní řídicí systém Simatic PCS7 pro vlastní řízení technologického zařízení,
systém Simatic Batch pro řízení šaržových výrob,
systém Comes pro definování a správu receptur, sledování toků materiálu, sledování a trasování výroby, tvorbu protokolů o výrobě a zpracování dat.
Dalším cílem uživatele bylo dosáhnout standardní podoby architektury systému v souladu s mezinárodními normami. K tomu je nutné oddělit vlastní řídicí systém, za který byl zvolen systém Simatic PCS7, od logiky řízení výrobních kroků (realizované prostřednictvím systému Simatic Batch) a dále soustředit datovou nadstavbu do úrovně MES (řešené systémem Comes).
Harmonogram implementace
Modernizace systému byla rozdělena do několika etap, probíhajících v roce 2005 a v prvním pololetí 2006 s následným zavedením funkce traceability na poslední výrobní linku v roce 2007. Protože celé řešení bylo třeba zavést během minimálních odstávek technologického zařízení, musel být ve velmi krátké době uveden do provozu i automatizační systém, předtím dokonale ověřený u společnosti Compas v rámci předávacích zkoušek (FAT).
Nejnáročnější při zavádění výrobního systému bylo udržet konzistenci dat během jednotlivých etap implementace, kdy v části výroby byla provozována starší verze systému Comes traceability, na již převedených úsecích nahrazená novým modulem Comes Traceability, přičemž všechny datové vazby musely zůstat funkční.
Současný stav
Současná architektura systému řízení dané výroby je na obr. 2. Automatizační systém na úrovni technologického zařízení na bázi Simatic PCS7 je provozován v redundantním řešení jak na operátorské úrovni (servery OS), tak pro pružné řízení prostřednictvím receptur nakonfigurovaných uživatelem v prostředí Simatic Batch.
Obr. 2. Příklad integrace řídicích systémů Simatic PCS 7 a Simatic Batch a systému Comes® úrovně MES
Systém řízení výroby Comes je provozován na vyhrazeném serveru s operačním systémem Windows 2003 server. Každý z modulů systému má k dispozici vlastní instanci databázového serveru Microsoft SQL Server 2005. Jsou použity moduly Comes Logon, Comes Modeller a Comes Traceability. Data jsou přes rozhraní OPC načítána z redundantních serverů řídicího systému. Komunikaci zajišťuje redundantní komunikační driver CCI (Comes Communication Interface). Na klientech řídicího systému je možné zobrazovat také výrobní informace, a to při použití prohlížeče Microsoft Internet Explorer. Systémy v současnosti využívá více než 70 uživatelů z řad operátorů výrobního zařízení i managementu závodu.
V modulu Comes Modeller systému Comes se nyní vytváří téměř 50 protokolů. Patří mezi ně bilanční protokoly jednotlivých skladových míst, protokoly o navažování surovin, protokoly o balení výrobků, protokoly o průběhu technologických operací, protokoly trasování a mnohé další. Jedním z posledních typů protokolu je interaktivní výrobní protokol, jenž je zaveden jako náhrada ruční evidence. Výrobní protokol načítá data z receptury uložené v systému Comes, k nim přidává reálná data o průběhu výroby z řídicího systému a automaticky vyhodnocuje a zobrazuje, zda parametry výsledného produktu jsou v požadovaných mezích. Následně umožňuje k záznamu přiložit výsledky laboratorních zkoušek.
Modul Comes Traceability zajišťuje správu všech materiálů využívaných ve výrobním procesu. Materiály jsou seskupeny do tříd (skupin materiálů se stejnými vlastnostmi), a to jako suroviny, meziprodukty a hotové výrobky. Některé vlastnosti materiálů jsou zapisovány přímo do řídicího systému. Modul dále zajišťuje správu receptur jednotlivých vyráběných produktů (jako produkt je v systému označován vždy výsledek konkrétního výrobního procesu).
Každý produkt má v systému jednu nebo více variant, varianta má svůj životní cyklus (v návrhu, schválená, zadržená, zastaralá). Varianta se vždy vztahuje k segmentu produktu (části výrobního zařízení, na kterém je daný produkt vyráběn) a obsahuje recepturu (parametry zasílané řídicímu systému) a soupisku vstupního materiálu (seznam položek a množství).
Závěr
Integrované systémy automatizace a MES jsou uživateli řešení dodaných společností Compas úspěšně a stabilně provozovány v nepřetržitém provozu již dva roky, a to zejména díky důslednému rozdělení funkcí úrovně řízení technologického zařízení (automatizace) a úrovně řízení výroby (MES). Po uvedení systémů do provozu se zvýšila kvalita i efektivita výroby. Vedoucí pracovníci výrobních úseků mají k dispozici transparentní podklady, podle nichž mohou optimálně rozhodovat. K důležitým novým funkcím patří rychlé dohledávání jednotlivých surovin, které vstupují do finálního výrobku (klíčové trasovací body jsou dnes součástí protokolů, které systém Comes generuje). Navržená řešení jsou otevřená pro komunikaci s podnikovým informačním systémem a svou podstatou tvoří rozhraní mezi operativním řízením výroby a úrovní ERP.
Ing. Zbyněk Bezchleba, Ing. Roman Brázda,
Compas Automatizace, spol. s r. o.
Compas automatizace, spol. s r. o.
Nádražní 610/26
59101 Žďár nad Sázavou
tel.: 566 650 111
fax: 566 650 112
e-mail: compas@compas.cz
http://www.compas.cz
|