|
Systémy pro řízení spojitých procesů – „z deště pod okap“?
Měřicí a řídicí technika používaná v průmyslových odvětvích se spojitou výrobou od dob mechanických ukazovacích tlakoměrů a teploměrů založených na Bourdonových perech a teplotní roztažnosti látek výrazně pokročila. Před nedávnem spolu splynuly dvě dříve velmi zřetelně ohraničené oblasti – svět distribuovaných řídicích systémů (Distributed Control System – DCS) a svět programovatelných automatů (Programmable Logic Controller – PLC). S cílem podpořit vedoucí pracovníky výrobních závodů v jejich úsilí dosáhnout vyšší kvality produkce a nižších nákladů byla vyvinuta nová třída řídicích systémů, tzv. hybridní řídicí systémy.
Hybridní systém řízení je jistě předzvěstí změny v architektuře měřicích a řídicích systémů. Ale jaké? Co na nás chystá budoucnost?
Řízení procesů na rozcestí
Programovatelné automaty vznikly z jednoduchých řídicích zařízení typu „zapnuto/vypnuto„ založených na reléové technice a používaných při automatizaci továren a výrobních provozů charakteristických nespojitou hromadnou výrobou součástek, dílů i vyšších celků mechanické a elektromechanické povahy (strojní výroba, manufacturing). Kolébkou DCS je naproti tomu oblast řízení nepřetržitých technologických procesů, pracujících především se spojitými látkovými toky (process industry), s jejich požadavky na větší podíl spojitého řízení, diagnostiku a celistvost řídicího systému.
V současné době však většina podniků se spojitou výrobou využívajících DCS používá v rámci celého provozu k řízení diskrétních a dávkových procesů také řídicí subsystémy na bázi PLC. Zdá se tedy, že hybridní systémy, které nabízejí výhody DCS (moderní metody řízení, větší celistvost systému, snadné konfigurování jednotlivých bodů) společně s přednostmi PLC (schopnost diskrétního a sekvenčního řízení) za přijatelnější cenu představují pro oblast spojitých výrobních procesů přirozenou cestu vývoje.
Trh s hybridními řídicími systémy
Trh s hybridními systémy se zaměřuje na „nejvyšší patro„ dosavadních automatizačních projektů s PLC, kde se vyžaduje významný podíl spojitého řízení, podpora komunikačního protokolu HART a redundance, a současně na „dolní patro„ trhu s DCS, kde jsou žádány systémy menší a lacinější, než jaké může dodavatel DCS běžně poskytnout (obr. 1).
Hybridní řídicí systém lze definovat různě – třeba jako spojení schopnosti DCS regulovat s diskrétními vlastnostmi PLC, nebo prostě jako „mezeru, kterou ani jeden z obou dosavadních systémů nedokáže sám o sobě zaplnit„. Bez ohledu na definice se zdá, že se hybridní systémy prosadí. Avšak změna na trhu ohlašuje novou éru, která pro velké dodavatele řídicích systémů asi nebude příliš příznivá.
Rozvoj DCS byl odstartován vývojem několikasmyčkových regulátorů, z nichž později vznikly centralizované řídicí systémy umístěné v klimatizovaných velínech. Tyto systémy sice slibovaly distribuované řízení, ale ve skutečnosti stále šlo o centralizované regulátory, které využívaly obrovské množství propojovacích skříní a dlouhých mnohožilových kabelů. S rostoucím výkonem a flexibilitou stále větších DCS také expandovala infrastruktura podporující jejich komponenty a aplikace.
Tento vývoj způsobil, že menším firmám nezbylo než ze všech sil zápasit o nezávislé přežití na okrajových trzích s malými objemy prodeje, a trh se tzv. konsolidoval. Během posledních dvaceti let došlo v oboru řídicích systémů k mnoha fúzím a akvizicím, až nakonec zůstalo jen několik skutečně globálních „hráčů“. Trh s DCS v současné době tvoří společnosti Emerson, Honeywell, Invensys, Yokogawa a ABB. V budoucnu možná budeme svědky ještě dalších fúzí.
Pokles počtu globálních účastníků na trhu s DCS však neznamenal úbytek konkurence v této oblasti, neboť každý výrobce nabízí sady řídicích prostředků a systémů obecně použitelné v široké oblasti průmyslových odvětví a aplikací. Cílové aplikace se u různých společností mohou lišit, ale nabízený hardware ani software z pohledu trhu již nepředstavují hlavní rozlišovací znaky. Stávají se běžnými komponentami, které je třeba vyrábět tak, aby samozřejmě plnily požadované funkce, a to při co nejmenších výrobních nákladech.
Růst objemu produkce řídicích systémů sice snižuje náklady, znamená však také rozšiřování zájmových oblastí směrem k novým zákazníkům a aplikacím. Výrobci DCS si nyní nejen konkurují, ale s hybridními řídicími systémy mohou i „zaútočit„ na ty aplikace, které dříve byly doménou spíše PLC.
A naopak, výrobci PLC spatřili svou příležitost ve vývoji systémů (jako příklady uveďme systémy Siemens PCS7 a Rockwell Process Logic), kterými začali konkurovat některým z aplikací DCS. Někdo jistě právem namítne, že Siemens i Rockwell připravily tradiční dodavatele DCS jen o velmi málo zákazníků, jestli vůbec o nějaké. S tím však vyvstává otázka: „Proč?„
Existují odpovědi, které jako příčinu uvádějí samotné výrobky a šíři jejich podpory. Je ale důvod se domnívat, že příčiny jsou mnohem hlubší. Nicméně se nejprve podívejme na výrobky a sítě jejich podpory.
Proč zákazníci stále kupují DCS?
Všeobecně se má se za to, že když podnik přistoupí na nabídku a koupí DCS, získá tak systém velmi celistvý a spolehlivý, „ušitý na míru„ podle potřeb uživatelových výrobních procesů a dodávaný s rozsáhlou podporou, která učiní mnohamilionový dolarový kontrakt skutečně velmi atraktivním. Nelze dopustit, aby se zastavil např. provoz na výrobu etylénu! A pokud k tomu přece jen dojde, je podpůrná struktura DCS navržena tak, aby se výroba do několika hodin po výpadku znovu rozeběhla.
Systém správy výstražných hlášení a dostupnost dat z celého závodu na všech operátorských stanovištích a – prostřednictvím podnikového aplikačního softwaru – po celém podniku znamenají pro jeho vedoucí pracovníky klidný noční spánek. Vědí totiž, že jejich majetek jistě bude – snad jen s výjimkou úderu přírodní katastrofy – následující ráno zase bezpečně vydělávat. To zní přece skvěle, že!? A skvělé to také je..., ale jen u správné aplikace. Nabídka takového produktu i služeb totiž vyžaduje výrobce DCS, který „utáhne„ nejen výzkum, vývoj a výrobu hardwaru, ale i vývoj softwaru a „uživí“ specialisty na aplikace, integraci systému a řízení projektu i specialisty na informatiku potřebné k začlenění DCS do podnikového informačního systému (Enterprise Resource Planning – ERP). Je pravda, že někteří z těchto specialistů budou smluvní externisté, ale mnozí budou zaměstnanci na plný úvazek, na jejichž činnost zákazník přispívá v každé své platbě výrobci DCS – cena DCS tudíž bude vyšší buď hned na začátku, nebo později při rozšiřování licence a při změnách dodaného systému.
Takový kompletní produkt je velmi vhodný pro větší a tím i nákladnější projekty. Existuje ale mnoho projektů malých a středně velkých, které mají značné potíže uspět ve fázi studie proveditelnosti, protože náklady na řídicí systém jsou u nich příliš velké.
Nyní se podívejme na výrobce PLC, kteří dominují v oblastech automatizace nespojitých výrob a automatizace technického vybavení budov s produkty vyvinutými především podle potřeb těchto trhů. V oblasti řízení spojitých procesů tyto firmy stojí před nesnadným úkolem – přesvědčit uživatele, že dokážou zvládnout řídící úlohy stylem DCS. Z několika důvodů je to pro ně obtížné.
Za prvé: automatizační prostředky založené na PLC nedokázaly přesvědčit větší část zájemců o systémy pro řízení spojitých procesů o tom, že jsou pro tuto oblast automatizace vhodné. Jejich různě pospojované systémy operátorských rozhraní, zajištění redundance ani schopnosti funkčních bloků nejsou tak zcela na té úrovni, na níž se nacházejí produkty nabízené už delší dobu dodavateli DCS. Programovatelné automaty také vlastně teprve začínají nabízet určité omezené možnosti komunikace prostřednictvím protokolu HART a průmyslových komunikačních sběrnic (fieldbus). Avšak je třeba uznat, že současné produkty na bázi PLC se velice liší od své původní podoby jednoduchých zařízení programovaných v jazyce kontaktních schémat. Avšak k tomu, aby přesvědčily nejskeptičtějšího ze všech zákazníků – uživatele systémů pro řízení spojitých procesů – se jim stále ještě čehosi nedostává.
Za druhé: otázky podpory. Je zřejmé, že velcí výrobci PLC buď budují vlastní vnitropodnikové útvary věnující se integraci řídicích systémů, nebo se k této schopnosti propracovávají akvizicemi zavedených inženýrských firem – systémových integrátorů, aby pak na trhu se systémy pro řízení spojitých procesů mohli vystupovat jako důvěryhodné společnosti s vlastním integračním zázemím. Takto dodatečně získaná schopnost integrovat řídicí systémy ovšem není, podobně jako poskládaná podstata PLC, pro zákazníky dostatečně přesvědčivá, a ti pak nenakupují nabízené produkty v objemech, které by z nich učinily reálnou alternativu k nabídkám skutečných DCS.
Jak již bylo naznačeno, příčinou selhání snahy velkých výrobců PLC získat věrohodný podílu na trhu se systémy pro řízení spojitých procesů může být úroveň výrobků a jejich podpory. Avšak podstata problému leží pravděpodobně hlouběji.
Hlavním problémem je kulturní kontext prodeje řídicích systémů.
Výrobci PLC vydělávají peníze tím, že dodávají obrovská množství (především) hardwaru prostřednictvím všech možných distribučních kanálů, včetně katalogového prodeje. To je jejich klíčová dovednost zásadně ovlivňující jejich kulturu obchodování i interní jazyk. Avšak uživatel, který se zabývá spojitými procesy, očekává od výrobce něco jiného.
Stačí se jen podívat na modely obchodních aktivit výrobců PLC a DCS a je zřejmé, odkud se tento kulturní rozdíl bere.
Jak je vidět na obr. 2, tvoří až 75 % obratu typického dodavatele PLC tržby za hardware. Avšak prodejce DCS pravděpodobně nikdy nebude zákazníkovi ukazovat nezajímavý hardware. U své nabídky poukáže především na její reference z daného odvětví, na úroveň podpory a na možnosti skýtané z pohledu informatiky. Hardware představuje u těchto dodavatelů asi 35 % obratu. Většinu jejich tržeb tvoří platby za aplikační software, podporu, školení, licence, změny, údržbu apod.
Ironií je, že snaha vyššího managementu zaujmout zákazníky z oblasti řízení spojitých procesů tlačí dodavatele PLC do soutěže s ostatními nabídkami DCS, což nejde bez dodatečných režijních nákladů. Výrobci PLC tak budou v této soutěži (mají-li být úspěšní) tlačeni přesně k tomu, co v současné době ochromuje výrobce DCS – k velkým fixním nákladům, které velmi zvyšují režii daného výrobku.
Změny v důsledku přístupu uživatelů
Konečný uživatel – provozovatel spojitého výrobního procesu, který je třeba automatizovat (modernizovat) – si v současné době může vybrat mezi nákladným DCS, jehož cena může být příčinou zamítnutí projektu (onen příslovečný „déšť„), a „poslepovaným„ řešením řídicího systému na bázi PLC, které jen s obtížemi uspokojí jeho potřeby (příslovečné „pod okap„).
Toto je to dilema, které dynamizuje trh a jehož řešení je hnací sílou stojící v pozadí požadavků na větší otevřenost trhu se systémy pro řízení spojitých technologických procesů.
Konečný uživatel chce získat to nejlepší z obou světů, DCS i PLC, a rád by měl možnost vybrat si komponenty umožňující mu realizovat skutečně kvalitní inteligentní analogové řízení současně s logickými řídicími jednotkami obstarávajícími sekvenční řízení.
Požaduje od řídicího systému co největší celistvost, redundanci a podporu protokolu HART a dalších průmyslových sběrnic, tj. rysy vlastní DCS, při otevřenosti a nízkých nákladech vlastních naopak světu PLC. Jinak řečeno, chce hybridní funkční schopnosti za cenu a při dostupnosti odpovídající PLC.
Vznikají tudíž společnosti, které konečnému uživateli umožňují vybrat si ta nejlepší z různých provedení potřebného hardwaru a softwaru od různých výrobců, která lze spolu spojit v moderní systém pro řízení spojitých procesů vytvořený uživateli „na míru„. Taková řešení napomáhají snižovat náklady.
Tyto změny na celosvětovém trhu se systémy pro řízení spojitých procesů jsou podobné změnám, které proběhly v počítačovém průmyslu v sedmdesátých letech minulého století. Velké společnosti, jako např. IBM, ICL (kde je dnes ICL?), Wang a DEC, které vyráběly značkové systémy, byly vytlačeny ze svých předních pozic na trhu novými úspěšnými firmami, např. Compaq, Dell a Microsoft, jež na bázi standardu PC vyvinuly otevřený hardware a software. Dnešní uživatel PC může propojit tiskárnu od firmy Hewlett-Packard s laptopem značky Toshiba a sledovat přitom data na obrazovce od firmy Dell, aniž by musel použít služby nějakého systémového integrátora. Dosažená interoperabilita způsobila pokles cen hardwaru a povzbudila výrobce k rychlejší inovaci produktů, což je pro konečného uživatele vždy výhodné.
Trh se systémy pro řízení spojitých procesů se sice mění pomaleji než trh s PC, avšak dynamika tohoto pohybu je velmi podobná.
A co budoucnost?
Co se tedy stane s výrobci řídicích systémů?
Nastanou-li v oblasti systémů pro řízení spojitých procesů předpokládané změny, je pravděpodobné, že velké společnosti budou postupně upouštět od dodávek hardwaru a „krabicového„ softwaru a více se budou věnovat inženýrským službám v oblasti aplikací a integrace systémů. Již nyní je zřejmá rostoucí šíře záběru řídicích systémů, které do sebe vstřebávají prvky systémů vyšší úrovně řízení podniku – tzv. Enterprise Resource Planning (ERP) a Manufacturing Execution Systems (MES).
Výrobci řídicích systémů začnou hledat cesty ke zvýšení hodnoty svých produktů a zaměří se na problematiku jejich integrace s nadřazenými systémy podnikové informatiky (Information Technology – IT) a na problematiku řízení dodavatelských řetězců (Supply Chain Management – SCM).
Co se týče výrobců PLC, ti se musejí rozhodnout, co ve skutečnosti chtějí. Trh se systémy pro řízení spojitých procesů celosvětově vykazuje roční obrat větší než osm miliard dolarů a je určitě atraktivní. Chtějí-li soutěžit se zavedenými výrobci DCS, musí nejen dále zdokonalovat svou současnou nabídku produktů, včetně schopnosti je integrovat, ale také změnit kulturu uvnitř organizace tak, aby jako celek myslela „spojitě“ – tedy typicky v pojmech, jako je „proměnná“, a nikoliv v pojmech „vstupy/výstupy„. Pak bude docela možné, že některý z výrobců PLC koupí jednoho z pomalu se měnících přeživších výrobců DCS – kompletně i s režijními náklady!
Nástup otevřených řídicích systémů a jejich komponent nabídne konečnému uživateli nové možnosti v tom, že bude moci používat produkty navržené speciálně pro použití k řízení spojitých procesů, ale platit bude pouze za ty funkce a služby, které skutečně využije.
Uvedená změna bude mít velký vliv také na úlohu a význam činnosti označované jako integrace systémů, neboť jednotlivé součásti otevřeného řídicího systému se budou navzájem samy identifikovat. Změní se tudíž i náplň práce systémových inženýrů, kteří již nebudou placeni za vzájemné propojování jednotlivých částí systému, ale budou se věnovat konečnému uživateli a pomáhat mu optimalizovat výstup z výrobního provozu nebo integrovat jeho řídicí systém dodavatelského řetězce s cílem zmenšit náklady vynaložené po dobu životního cyklu výrobku.
Je to dost nebo málo?
Jestliže otevřené systémy a interoperabilita jsou určitou vizí, potom nástroji, jejichž prostřednictvím se tato vize bude uskutečňovat, jsou průmyslové normy a otevřené protokoly.
Jedním takovým standardním protokolem, honosícím se již dlouho tím, že přenese větší část „výrobní inteligence„ do samotných výrobních provozů, což ve svém důsledku umožní obejít se bez řídicích systémů instalovaných v nákladných klimatizovaných velínech, je protokol komunikační sběrnice Foundation Fieldbus. Tato ani ostatní sběrnice však nejsou v oblasti řízení spojitých procesů univerzálním všelékem. Koncoví uživatelé a integrátoři systémů budou ještě po mnoho let zápasit se systémy zděděnými z minula a s jejich modernizacemi, u nichž se lze setkat s mnoha rozličnými provozními signály i zařízeními – ať už jde o různé komunikační sběrnice, klasické analogové i binární řídicí smyčky, spínače, snímače teploty aj. Nelze tedy např. říci, že do pěti let zcela vymizí pneumatické systémy.
Cíl sledovaný zaváděním sběrnice Foundation Fieldbus, tj. zmenšit náklady přesunem řízení do výrobních provozů, je nicméně chvályhodný, zejména v podmínkách rostoucí globální konkurence. Kdyby bylo možné přesunout do provozu veškerou řídicí techniku, znamenalo by to úsporu také dalších nákladů spojených s pokládkou kabelů, výstavbou a provozem velínů, výrobou a provozem všech odpovídajících rozváděčů atd.
Aby z toho měl uživatel – typicky ve většině provozů zpracovávající mnoho různých typů signálů – nějaký prospěch, musí být řídicí systém schopen činnosti přímo u výrobního zařízení v provozu. V oblasti spojitých výrobních procesů to pro řídicí systém znamená schopnost spolehlivě pracovat v týchž podmínkách jako snímače a ventily bez ohledu na to, zda jde o instalaci na Sibiři nebo na Sahaře.
Pro koncového uživatele znamená možnost přesunout řídicí systém do provozu také příležitost k dalšímu zjednodušení jeho architektury, neboť hardware i software řídicího systému budou umístěny ve spojovacích skříňkách a inteligentních provozních přístrojích způsobem, který bude skutečně distribuovaný. Z dohlížecího pracoviště na bázi PC postačí zajišťovat jednoduchou koordinaci a dávkové řízení a tak omezit (či dokonce odstranit) potřebu velínů.
Otevřená architektura nabízí uživateli otevřený přístup k prvkům systémů navržených podle jím přesně definovaných potřeb, a to při nižších nákladech než dosud. Naproti tomu ovšem použití takových komponent řídicího systému, které mohou pracovat přímo v provozu a současně přitom poskytují možnost komunikace s provozními přístroji klasickými způsoby i prostřednictvím komunikačních sběrnic, bude znamenat vzrůst nákladů. Koncový uživatel bude odkázán na nový typ systémového integrátora, který mu pomůže vytvořit výkonná řešení řídicích systémů a optimálně využít výrobní prostředky, které uživatel vlastní.
Nový věk řízení spojitých procesů záleží na nás.
Mark Jacobs,
regionální ředitel prodeje,
MTL Open System Technologies
Původní stať autora s názvem Are you caught between a rock and hard thing when your process control should be mounted there instead?, poskytnutou redakci firmou D-Ex Limited s. r. o., zástupcem společnosti MTL Open System Technologies v ČR, přeložil Karel Suchý.
|