Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Proč distribuovat I/O, když lze distribuovat inteligenci

Digitální struktura závodu PlantWeb® od společnosti Emerson Process Management představuje v praxi osvědčený, zcela digitální systém pro automatizaci spojitých technologických procesů umožňující již nyní řídit závod způsobem, který bude standardem teprve v budoucnosti. Základem je síť inteligentních automatizačních zařízení a integrovaného programového vybavení, která dovoluje sledovat a predikovat chování výrobních prostředků v závodě. Článek naznačuje, jak struktura PlantWeb snižuje riziko neúspěchu automatizačního projektu a usnadňuje řízení provozu závodu.
 
Struktura PlantWeb umožňuje v rozsahu od měřicích a řídicích prvků, přes akční členy až po technologická zařízení získat přístup k informacím, které v závodě dosud nebyly k dispozici. A nejde jenom o větší množství dat, ale především o kvalitnější data – validovaná na místě jejich vzniku k zajištění co největší spolehlivosti.
 
Jsou-li správné osoby správně informovány ve správný čas, mohou pracovníci v závodě namísto toho, aby neustále operativně řešili již nastalé potíže, pracovat s predikcí. Údržbu lze zaměřit na opravy zařízení, která opravu reálně potřebují. Operátoři mohou řídit technologický proces s větší důvěrou v řídicí techniku a udržovat optimální výkonnost a využitelnost zařízení i kvalitu produktu, a to při nižších provozních nákladech.
 
V konečném výsledku lze dosáhnout toho, co automatizace slibuje – dokonalejších výrobních metod, efektivnějšího řízení a lepších obchodních výsledků. Výsledků, které lze měřit.
 

Přínos při projektech

Při plánování rekonstrukce, rozšíření i výstavby nového závodu vyvstávají v podstatě stále tytéž otázky. Má uvažovaný systém odpovídající technickou úroveň? Mají vyhlédnutí partneři dostatek zkušeností a kapacit? Proběhne integrování nové techniky hladce? Bude dodržen rozpočet a termíny projektu? Bude výroba spuštěna včas? Bude provoz ziskový i za 30 let?
 
Odpovědi závisejí na způsobu, jakým provozovatel technologického zařízení přistoupí k automatizační části svého projektu. Organizace Construction Industry Institute (CII) doporučuje postup označený PEpC, tzn. postup po etapách:
  • P: Procure strategic suppliers (contracts), tj. získat strategické dodavatele (kontrakty),
  • E: Engineer and design, tj. navrhnout a zkonstruovat,
  • p: procure balance of plant, tj. provést účetní rozvahu závodu,
  • C: Construct, tj. vybudovat, který nejenže zaručí přijetí správných strategických rozhodnutí, ale v porovnání s tradičními postupy řešení projektů umožňuje ušetřit 10 až 15 % času a 4 až 8 % nákladů.
Partnerství se společností Emerson Process Management (dále jen Emerson) znamená především minimalizaci rizika neúspěchu – pro alespoň rámcovou představu o kvalitě a síle společnosti uveďme, že se opírá o zkušenosti z více než 4 000 velkých projektů, vesměs úspěšných. Díky použití postupu PEpC a struktury PlantWeb dosahují zákazníci společnosti Emerson při realizaci automatizačních projektů úspor nákladů ve výši až 30 %. Přispívají k tomu zejména (obr. 1):
  • efektivní projektování, neboť při dávkovém přístupu k tvorbě programového vybavení nyní stačí definovat jednu smyčku namísto jednotlivých osmi až šestnácti jako dříve; díky jednoduchým importům je zásadně redukováno manuální zadávání dat,
  • úspory materiálu, významné díky použití techniky Foundation Fieldbus (sériová sběrnice namísto jednotlivých signálových kabelů, žádné objemné svazky kabelů, žádné sdružovací rozváděče a oddělovací bariéry),
  • menší počty instalovaných zařízení, které znamenají menší náklady na montáž,
  • menší velíny, při jejichž výstavbě lze ušetřit až 85 % dosavadních nákladů,
  • snadné oživování při použití výkonného systému pro správu zařízení AMS, který je integrován do operátorských stanic a umožňuje efektivně parametrizovat a diagnostikovat snímače a akční členy.

Ochrana zdraví a prostředí

Zdraví zaměstnanců a ochrana životního prostředí jsou vždy na prvním místě, bez ohledu na ekonomické aspekty. A co se týče přípravy na řešení abnormálních situací (obr. 2), není snazší jim předcházet?
 
Rozhodnutí „pro PlantWeb“, které přináší efektivní výrobu, řeší současně i rozdíl mezi likvidací nastalých nestandardních situací a předcházení jim. V zásadě jde o rozhodnutí mezi preventivní a prediktivní údržbou.
 
Ve skutečnosti nastává porucha zařízení, jako specifická událost, náhle a nikoliv běžným opotřebením. To znamená, že jakýkoliv preventivní údržbářský zásah přichází buď předčasně, nebo je na něj příliš pozdě. Naopak při použití prediktivní diagnostiky, která je součástí struktury PlantWeb, mohou pracovníci údržby reagovat ve správné době na správném místě. Mohou zasáhnout dříve, než se z malé nestandardní situace stane velký problém vedoucí k odstávce technologického zařízení a ohrožení bezpečnosti.
 
Při předcházení lidským chybám je klíčová kvalita poskytovaných informací. Jestliže operátor nemá dostatečnou a správnou informaci, je chybné rozhodnutí nevyhnutelné. Zpravidla následují závažné a nebezpečné události, které doprovázejí většinu nekompetentních zásahů do řízeného procesu. Při použití struktury PlantWeb dostávají všechny složky v závodě právě ty informace, které potřebují. Jelikož i pracovníci údržby obdrží pouze důležité a správné informace, mohou se soustředit na kritická místa, aniž by se zbytečně vystavovali nebezpečí v provozu při rutinních preventivních činnostech.
 

Schopnost předvídat zvyšuje spolehlivost provozu

Je jednoduchá pravda: „Pokud nevyrábím, nevydělávám.“ Hlavní příčina výpadku zařízení nemusí být vždy na první pohled zřejmá. Jde o poruchu přístroje, chybný zásah operátora, zanedbanou údržbu – anebo kombinaci uvedených jevů?
 
Struktura PlantWeb se svou diagnostikou on-line a upozorňováním na potenciální problémy umožňuje řešit reálné drobné problémy dříve, než se stanou velkými se všemi závažnými důsledky.
 
Schopnost předvídat je možné ve struktuře PlantWeb distribuovat do celého závodu. Sledovat stav a předcházet problémům lze mj. u těchto automatizačních zařízení:
  • čerpadel, kompresorů,
  • motorů,
  • ventilů, klapek,
  • měřicích přístrojů, včetně analyzátorů.
S využitím vestavěné inteligence lze ve struktuře PlantWeb sledovat vedle stavu konkrétního inteligentního automatizačního prvku součastně i stav technologického zařízení i řízeného procesu. Díky poskytovaným hlášením je obsluha včas upozorňována na směr, kterým se řízený proces ubírá, ať už pro špatně fungující přístroj nebo nevhodný řídicí zásah, a operátor či pracovníci údržby mají dostatek času na vyřešení nestandardní situace tak, aby zamezili případný neplánovaný výpadek produkce.
 

Rozptyl parametrů procesu, tj. kvality

Předvídání a inteligence vlastní struktuře PlantWeb umožňují detekovat a řešit problémy dříve, než začnou ovlivňovat stabilitu technologického procesu.
 
Zvyšování stability začíná již výběrem přesných měřicích přístrojů a akčních členů (ventilů) a následným využíváním jejich rozšířené inteligence, která pomáhá udržet malý rozptyl kvality výrobků (obr. 3).
 

Zvýšení výkonu zařízení

Jestliže je výkon závodu omezen, stále existuje možnost ho zvětšit i se současným technologickým zařízením.
 
Žádané hodnoty regulované veličiny jsou totiž u většiny kritických regulátorů nastaveny na „bezpečnou“ úroveň, tj. úroveň bezpečnou vzhledem k „normálnímu“ průběhu regulačního pochodu, kdy je třeba počítat s nepředvídanými událostmi. Při využití prediktivních schopností struktury PlantWeb a jejího modulu pro pokročilé řízení (Advanced Process Control – APC) lze nastavit žádané hodnoty blíže požadovaným technologickým mezím, a tím dosáhnout zvýšení kvality produktu a zároveň i nárůstu výkonu (obr. 4).
 
K procesu řízení je třeba přistupovat hierarchicky. Bez kvalitního řízení na každé nižší úrovni nelze kvalitně pracovat na úrovni vyšší. Není tudíž možné „ušetřit“ na žádné úrovni (obr. 5).
 

Jak „udělat“ PlantWeb: řídicí systém DeltaV

Funkce struktury PlantWeb jsou realizovány prostřednictvím řídicího systému DeltaV. Ten poskytuje potřebný výpočetní výkon a zajišťuje při řízení závodu spolehlivý chod, jednoduchou obsluhu a vstřícnost k uživateli.
 
Systém DeltaV pracuje na bázi digitálních průmyslových komunikačních sběrnic. Podporovány jsou sběrnice:
  • Foundation Fieldbus,
  • HART,
  • AS-Interface,
  • DeviceNet,
  • Profibus.
Spolehlivost řídicího systému je podpořena možností redundance těchto jeho částí:
  • napájecích zdrojů řídicích jednotek a periferií,
  • řídicích jednotek,
  • komunikačních procesorů pro Ethernet,
  • napájecích zdrojů sběrnice Foundation Fieldbus H1,
  • rozhraní sběrnice Foundation Fieldbus H1,
  • sériových komunikačních linek Modbus/RS-485,
  • mnoha klasických karet I/O.
Důležitou součástí softwaru systému DeltaV jsou mj. tyto moduly:
  • DeltaV Control Studio, grafický konfigurační nástroj podle normy IEC 61131-3; konfigurovat lze místně i na dálku, vždy za chodu technologického zařízení a bezpečně,
  • Audit Trail, modul pro správu změn, zajišťující dohledatelnost změn nejen softwaru, ale i parametrů v systému,
  • Device Manager, výkonný nástroj typu AMS zajišťující funkce predikce poruch automatizačních i dalších komponent; obsahuje též modul Audit Trail pro sledování konfigurací přístrojů a je zcela integrován do prostředí systému DeltaV, čímž je dosaženo maximální efektivity při poskytování informací operátorům.

Funkční bezpečnost a PlantWeb

Digitální inteligence a diagnostika pomáhají dosáhnout větší využitelnosti bezpečnostního přístrojového systému (Safety Instrumented System – SIS), snižují náklady vynaložené po dobu jeho provozního života a zaručují splnění legislativních požadavků.
 
Každý doufá, že bezpečnostní systém nebude nikdy potřebovat. Ale pokud ano, což přece jenom nelze vyloučit, svěřili byste bezpečnost svých zaměstnanců, životního prostředí nebo své společnosti něčemu ne zcela dokonalému?
 
Společnost Emerson nabízí první a jediný inteligentní SIS na světě. Je certifikován pro použití do úrovně SIL 3 včetně a díky své modulární struktuře je použitelný v téměř libovolném rozsahu, od nejmenší sestavy šestnácti volně programovatelných I/O až po rozsáhlé systémy obsahující stovky I/O. Konfiguruje se při použití certifikovaných programových funkčních bloků.
 
K dosažení větší produktivity, resp. k omezení zkušebních zásahů bezpečnostního systému, které mají u běžných provedení SIS za následek přerušení výroby, je zde integrován systém částečného zdvihu ventilu (partial stroke), umožňující prodloužit dobu mezi nutnými odstávkami. Tato funkce je opět realizovatelná pouze za přispění inteligence distribuované přímo do regulátoru polohy ventilu a struktury PlantWeb.
 

Závěr

Digitální síťová struktura závodu PlantWeb, založená na prediktivních schopnostech, umožňuje v závodě dosáhnout lepšího přístupu k provozním informacím, snížit náklady na realizaci projektu i na údržbu zařízení a zajistit funkční bezpečnost závodu.
(Emerson Process Management)
 
Obr. 1. Úspory při použití digitální struktury PlantWeb jsou značné, ale reálné – lze to prokázat
Obr. 2. Typické příčiny abnormálních situací v závodech
Obr. 3. Kvalitní řízení zmenšuje variabilitu procesu, čímž roste kvalita produktu a klesá podíl zmetků
Obr. 4. Při menší variabilitě procesu lze žádanou hodnotu regulované veličiny posunout blíže k technologické provozní mezi, a tak zvýšit výkonnost
Obr. 5. V hierarchické struktuře řídicího systému nelze bez následků „ošidit“ žádnou z jeho úrovní
Obr. 6. Společnost Emerson rozšířila strukturu PlantWeb o inteligentní SIS integrující všechny tři základní aspekty funkční bezpečnosti do jedné spolehlivé, inteligentní uzavřené smyčky