Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Softwarová základna pro hodnocení výkonnosti, diagnostiku a optimalizaci

Společnost I & C Energo a. s. došla na základě zkušeností, které nashromáždila v ob­lasti diagnostiky a optimalizace provozu technologických zařízení v energetice, ke kon­ceptu jednotné vrstvové struktury optimalizačního systému. V článku je tento koncept stručně představen a jsou v něm uvedeny konkrétní realizované produkty, v nichž je úspěšně použit.
 
Při realizaci úloh hodnocení výkonnosti, diagnostiky a optimalizace technologické­ho procesu je třeba vedle zavedení optimali­začních nástrojů také řešit napojení na exis­tující technologické řídicí a informační sys­témy, přístupy do archivních stanic a rovněž problémy a požadavky související s prezen­tací výstupů a výsledků – vizualizací zís­kaných údajů. Protože většina úkolů tohoto typu je v praxi realizována víceméně podob­ným způsobem, nabízí se otázka, jak navrh­nout a optimalizovat softwarovou strukturu, aby výsledný optimalizační systém byl efek­tivní z hlediska času potřebného na jeho vý­voj a uvedení do provozu a také spolehlivosti a flexibility při jeho rozšiřování a dalším vý­voji. Jde o problematiku aktuální jak v ener­getice, tak obecně všude, kde je třeba optima­lizovat složité spojité technologické procesy.
 

Požadavky na optimalizační softwarový systém

 
Lze říci, že naprostá většina úloh zmí­něného typu je založena na zpracování dat v cyklu:
  • načtení dat z řídicích a informačních sys­témů sledovaného provozu,
  • předzpracování, kontrola a filtrace vstup­ních dat,
  • vlastní zpracování dat diagnostickým a op­timalizačním nástrojem,
  • následné zpracování (tzv. postzpracování), filtrace výsledků,
  • předání dat řídicím a informačních systé­mům (optimalizované žádané hodnoty),
  • archivace výsledků,
  • prezentace výsledků, vizualizace.
Je zřejmé, že při realizaci uvedeného cyklu zpracování dat se vyskytují komunikační rozhraní (místa pro předávání/příjem dat), jejichž provedení závisí na použité technice (především na rozhraních řídicích a infor­mačních systémů), a místa, kde tato závislost neexistuje, a formát dat tudíž může být ne­měnný a předem daný (typicky při výměně dat mezi vnitřními moduly systému). Dobu potřebnou k připojení diagnostického a op­timalizačního nástroje k libovolnému řídi­címu a informačnímu systému lze význam­ně minimalizovat zavedením a využíváním standardních průmyslových komunikačních rozhraní. Čím více typů standardních roz­hraní komunikační vrstva nástroje či systé­mu podporuje, tím větší je pravděpodobnost, že daný řídicí a informační systém nabídne vhodné rozhraní a spolupráce s tímto systé­mem bude pouze otázkou konfigurace exis­tujících prostředků, a nikoliv drahého vývo­je prostředků nových.
 
Požadavky na vnitřní rozhraní mezi soft­warovými moduly optimalizačního systému vyplývají z množství, typů a frekvence pře­nášených dat a lze je většinou stanovit před konkrétném použitím systému. Přitom zpra­vidla jde o rozhraní lokální, v rámci jednoho systému (fyzicky na jednom hardwaru a pod jedním operačním systému), a tedy parame­try jako rychlost a objem dat nejsou zdaleka tak omezující jako u přenosů na dálku, popř. přenosy mezi různými systémy.
 
Zajistit potřebné vlastnosti vnitřních rozhraní odpovídající požadavkům lze tedy stanove­ním (a bezpodmínečným uplatňováním) základ­ních obecných požadavků na vlastnosti struk­tury systému a samotných funkčních modulů. Z hlediska návrhu struktury samotné je třeba klást důraz na důsledné uplatnění vrstvového modelu. Ten již svou podstatou odstiňuje vyš­ší vrstvy struktury od způsobu realizace vrstev nižších. Přitom jedna konkrétní vrstva je zpra­vidla realizována v podobě jednoho nebo ně­kolika modulů propojených horizontálně s ver­tikální vazbou na vrstvu nižší a vrstvu vyšší.
 
Co se týče vlastností modulů ve vrstvách, platí pro ně všeobecné zásady těchto typů:
  • nezávislost a samostatnost v rámci reali­zované funkce,
  • možnost propojení uvnitř celého softwa­rového systému (nebo pouze jedné vrst­vy) při použití jednotných rozhraní v rámci dané funkce (skupiny funkcí – např. výpo­četní moduly, komunikační moduly, archi­vační moduly),
  • jednotné diagnostické rozhraní,
  • snadné konfigurování (nejlépe při použi­tí jednotného společného konfiguračního nástroje),
  • komunikační a přenosové moduly musí přednostně využívat a dodržovat zavede­né průmyslové standardy a protokoly.
Při realizaci konkrétní diagnostické a optimalizační úlohy spolu v určité fázi vývoje spolupracují programátor a specialista tech­nolog. Jde především o konfigurování již se­staveného aplikačního softwaru určeného k použití nad daným technologickým pro­cesem (zařízením). Obecně je při konfiguro­vání třeba použít jak vizuální, tak nevizuál­ní prostředky.
 
Jako příklad lze uvést tvorbu matema­tického modelu popisujícího technologic­ký proces. Model vzniká zpravidla grafic­ky, spojením předem definovaných kom­ponent. Chování těchto komponent je však třeba konkretizovat. Přitom nemusí stačit pouze výběr konstant a podmínek, ale je třeba sáhnout ke složitějšímu popisu chová­ní prostřednictvím algoritmu. Na specifika­ci toho algoritmu se největší měrou podílí právě specialista technolog. Zde docházíme k požadavku na existenci technologického jazyka přizpůsobeného způsobu práce spe­cialisty technologa. Je důležité, aby tato specifikace chování byla součástí konfigu­race, nikoliv samotného výkonného kódu daného modulu.
 
Od struktury optimalizačního systému je dále požadováno, aby umožňovala konzistent­ní přechod z režimu vývoje a ladění do reži­mu provozu on-line. Tyto požadavky zohled­ňuje struktura znázorněná na obr. 1, která současně vyhovuje doporučení Open System Architecture for Condition Based Maintenan­ce (OSA – CBM).
 

Popis vrstev ve struktuře

 
Vrstvy I až VI v softwarové struktuře op­timalizačního systému podle obr. 1 plní tyto charakteristické funkce:
  • sběr údajů (data acquisition): čtení dat z ří­dicích a informačních systémů sledované­ho provozu (vstupní data optimalizačního systému) a zápis výstupních dat do těchto systémů,
  • předzpracování (data manipulation): zá­kladní filtrace a třídění vstupních dat,
  • určení stavu (state detection): určení sku­tečného stavu zařízení1),
  • diagnostika (health assessment): vyhodno­cení diagnostických údajů1),
  • predikce (prognostic assessment): odhad vývoje stavu zařízení na základě součas­ného stavu a předpokládaného budoucího zatížení (způsobu provozování),
  • poradenství (advisory generation): posky­tování rad pro údržbu a provoz s cílem op­timalizovat technologický proces a životní cyklus zařízení.

Vizualizace

 
Zvláštní pozornost si zaslouží prezenta­ce dat jejich vizualizací (viz podsystém Vi­zualizace na obr. 1 vpravo nahoře). Opět jde o vrstvovou strukturu, tvořenou softwarový­mi moduly typu silný klient, tenký (webový) klient a modul pro mobilní zobrazení. Použité uspořádání vyhovuje veškerým požadavkům v situacích, kdy jsou od provozní (technolo­gické) sítě požadovány přenosy poměrně vel­kých objemů dat, velká rychlost odezvy a vy­soká úroveň spolehlivosti.
Přes firewall postupují data z optimalizač­ního systému do sítě obecnějšího charakteru (vnitropodniková administrativní sít, popř. in­ternet). Vybrané údaje, jejich časové průběhy a trendy, včetně grafických zobrazení, lze pre­zentovat i prostřednictvím mobilních zobrazovacích prostředků. V podsystému Vizualiza­ce je rovněž řešeno zabezpečení, a to jak dat proti výpadkům spojení, tak systému proti neoprávněnému přístupu. Uživatele lze rozdělit do skupin podle požadovaného oprávnění a tato oprávnění v širokých mezích konfigurovat.
 

Příklady využití

 
Popsaná jednotná softwarová základna je společností I & C Energo v současnosti vy­užita v těchto jejích optimalizačních či dia­gnostických produktech:
  • PowerOPTI pro hodnocení, diagnostiku, optimalizaci procesu (viz také článek Diagnostika a optimalizace tepelného cyklu parní turbíny v tomto časopise na str. 24),
  • CombustionOPTI pro optimalizaci spalo­vání v kotlích na pevná paliva,
  • Tramon pro diagnostiku výkonových ole­jových transformátorů.
Ing. Ladislav Havlát,
Ing. Vladimír Horký, Ph.D.,
Divize Optimalizace energetických výroben,
 
Obr. 1. Vrstvová struktura univerzální softwarové základny pro optimalizaci technologic­kých procesů
 

1) Na základě pokročilých metod zpracování dat, např. metodou vyrovnání dat (data reconciliation), simulace procesu (process simulation) apod.