Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Z průmyslového závodu do výrobní haly

V mnoha odvětvích průmyslu se při sledování a řízení výrob spojitého charakteru již dlouho standardně používají systémy pro řízení spojitých technologických procesů. Principiálně stejné požadavky jako při řízení spojitých procesů existují při integraci výrobních strojů, které jsou již samy o sobě vysoce automatizované, za účelem vytvo­řit komplexní a zcela automatizovaný výrobní řetězec. Jeví se proto jako účelné využít řídicí techniku osvědčenou pří řízení spojitých výrob i v oboru diskrétní výroby. Jako ideální nástroj se nabízí systém pro řízení procesů APROL, vyvinutý společnos­tí B&R, který je schopen komunikovat různými způsoby s automatizačními systémy na strojích a v praxi se již osvědčil v rozličných automatizačních projektech od sběru technologických a výrobních údajů, přes sledování spotřeby energie až po řízení roz­sáhlých výrobních zařízení.

 
Výrobci strojů a strojních zařízení pro své produkty vyžadují stále dokonalejší automati­zační techniku a systémy. Vedou je k tomu tři hlavními důvody. Zaprvé snaha získat a udr­žet předstih před konkurencí, k čemuž je třeba být schopen nabídnout tytéž funkční schop­nosti či tutéž výrobní výkonnost za nižší cenu nebo při zachování současné ceny nabídnout více funkcí či větší výkonnost. Obojího lze dosahovat pouze tak, že výrobce neustále zvyšuje stupeň automatizace svých produktů. Zadruhé, s růstem stupně automatizace ros­te schopnost přesně opakovat výrobní opera­ce, což znamená menší variabilitu při výro­bě a následně vyšší celkovou jakost finálního produktu. Zatřetí, výrazně zlepšit energetic­kou bilanci vyráběných produktů bez toho, aby dosažená úspora opět nebyla zčásti či zcela prohospodařena v podobě dodatečných provozních nákladů, lze pouze při neustálém aktivním zasahování do procesu výroby be­roucím v úvahu mnoho různých vlivů, i zdán­livě okrajových, tj. opět jen při vyšším stupni automatizace celého zařízení.
 
Jednotlivé výrobní či montážní stroje a za­řízení již dosáhly velmi vysokého stupně automatizace a tento trend bude jistě pokra­čovat i do budoucna. Přispívá k tomu skuteč­nost, že průmyslové řídicí systémy jsou čím dál výkonnější, mohou komunikovat pomo­cí vysokorychlostních ethernetových pro­vozních sběrnic a lze do nich integrovat po­hony s vlastní vestavěnou inteligencí i tech­niku a funkce spjaté s funkční bezpečností. Stroje jsou také stále více funkčně propojeny se svým bezprostředním okolím, což rovněž zvyšuje celkový stupeň automatizace. Ruč­ní přístroje, které jsou používány ke kontrole automatizovaných výrobních operací, se stá­le častěji stávají přímou součástí stroje nebo stroje a další zařízení jsou navzájem sdružo­vány do celků se širšími funkčními schop­nostmi a větší výkonností.
 

Od stroje k výrobní hale

Dalším logickým krokem je pojmout celý výrobní řetězec jako jeden kompletní automa­tizovaný celek. Má-li být takový celek sku­tečně kompletní, musí zahrnovat nejenom samotné jednotlivé stroje, ale i veškeré po­stupy a prostředky vnitřní výrobní logistiky před, mezi a za stroji používané ve firmě, tj. vše, co se s materiálem děje během celého výrobního procesu v daném výrobním závo­dě. Aby byl takovýto komplexní přístup sku­tečně efektivní, je nezbytné opřít se při jeho realizaci o moderní softwarové nástroje pro projektování a simulaci výrobních procesů i uspořádání zařízení. Kompletně automatizované výrobní řetězce jsou u konečných uži­vatelů čím dál oblíbenější.
 
Kompletní automatizovaný výrobní řetě­zec vyžaduje řídicí systém, který je schopen zvládnout náročné řídicí úlohy a současně umožňuje snadno vyhovět průběžně přichá­zejícím požadavkům na změny. Řídicí sys­tém musí být schopen propojit řídicí jednot­ky na jednotlivých strojích do sítě bez omeze­ní jejich autonomie při vlastním řízení stroje v procesu. Musí být také schopen přímo ko­munikovat se senzory a akčními členy tak, aby ve výrobním řetězci na rozhraních mezi samostatně řízenými zařízeními nevznika­ly poruchy.
 
Dispečerské systémy kategorie SCADA, v průmyslu jinak velmi rozšířené, nejsou schopny zvládnout kladené požadavky, přes­tože jsou nezávislé a do řízení samotných strojů, zajišťovaného jednotlivými řídicí­mi jednotkami, nezasahují. Především jim chybí výkon potřebný ke zpracování přísluš­ných rozsáhlých úloh řízení a monitorování. Navíc konvenční systémy v současnosti do­stupné na trhu nejsou dostatečně flexibilní, obtížně se programují, chybějí jim důleži­té funkční schopnosti nezbytné k dosažení kompatibility s jakýmkoliv dalším subsys­témem a neumožňují přímo adresovat použitý hardware.
 

Řídicí systémy pro závody se spojitými technologickými procesy

Skutečnost je však taková, že řídicí sys­témy schopné plnit naznačené úlohy v me­taúrovni nad již automatizovanými výrobními stroji a zařízeními již existují. Zatím se sice nepoužívají tam, kde stroje a jiná zařízení víceméně samostat­ně zvládají svou činnost, ale běžně se s nimi lze setkat např. na reakto­rech, pecích, destilačních kolonách v odvětvích jako chemie a petrochemie, metalurgie, ve farmaceu­tickém a potravinářském průmyslu atd. Tedy v odvětvích a závodech s významným až převažujícím po­dílem spojitých nebo vsádkových technologických procesů. Výroba v těchto závodech obvykle probíhá při použití zcela automatizovaných postupů, které jsou sledovány a ří­zeny pomocí tzv. systémů pro řízení spojitých technologických procesů (Distributed Control System – DCS, Prozessleitsystem – PLS, Process Control System – PCS). Systémy pro řízení procesů se po technické i ekonomické stránce dlouhodobě osvědčují a mají své pevné mís­to ve všech odvětvích průmyslu se spojitými technologickými procesy. V současnosti, kdy je příkazem dne zasíťování, skutečně neexistuje důvod, proč je nepoužít také při řízení výrobních řetězců s nespojitými operacemi.
 
Společnost B&R nabízí pro uvedený účel vlastní systém pro řízení procesů APROL, který spolehlivě zvládá řídicí a vizualizač­ní úlohy na vyšší úrovni řízení. Původně na­vržený jako systém typu SCADA se systém APROL postupem času vyvinul v plnohod­notný systém pro řízení procesů, který zá­kazníkům poskytuje kompletní a komplexní pohled na technologické zařízení od úrovně provozních přístrojů až po úroveň podniko­vých informačních systémů. Systém je širo­ce využíván k řešení rozmanitých úloh počí­naje pilotními úlohami ve farmaceutickém průmyslu až po skutečně velké úlohy v oce­lářském průmyslu.
 

Transparentnost ve výrobních halách

Z pohledu použití systému APROL jsou rozdíly mezi úlohami řízení spojitých a vsád­kových (dávkových) procesů a řízení výrob­ních řetězců s diskrétními operacemi převáž­ně zcela nepodstatné. Jediný skutečný rozdíl lze nalézt ve způsobu přípravy a formátování historických údajů, které musí být obsaženy ve zprávách o zpracování dávek. Protože sys­témy pro řízení procesů jsou vždy využívá­ny také jako zdroje informací, je záznam pro­vozních údajů provázán s historickými údaji, aktuálními časovými průběhy a evidencí dis­krétních událostí v jediné komplexní funk­ci, kterou systém APROL standardně nabízí již ve své základní konfiguraci (obr. 1). To­též platí i pro záznam uživatelských interak­cí (audit trail), což znamená, že lze bez jaké­hokoliv dodatečného úsilí plnit stále přísněj­ší předpisy vyžadující úplné dokumentování postupu zpracování jednotlivých vsádek (vý­robních dávek). Standardem je i přívětivé gra­fické uživatelské rozhraní využívané k vizualizaci a řízení probíhajících procesů (opera­cí). Výměny údajů se systémy pro plánování výroby a simulačními systémy se uskutečňují prostřednictvím databázových rozhraní, we­bových rozhraní nebo metodou OPC stejně jako při použití receptur při řízení procesů.
 

Spojení dvou rozdílných světů

Řídicí jednotky, vedle řídicích funkcí vy­užívané také ke sběru dat z výrobních strojů, mohou být integrovány do jednoho komplet­ního systému. Použít lze nejrůznější modely jednotek od různých výrobců propojené stan­dardními provozními komunikačními sběr­nicemi. Při použití řídicích jednotek znač­ky B&R se však lze s integrací dostat ješ­tě o krok dále. A to proto, že řídicí systém APROL má v sobě vestavěno provozní a vý­vojové prostředí Automation Studio, umožňující naprogramovat a zkonfigurovat použitý hardware a komunikační sběrnice. Uživatelé systému pro řízení procesů APROL tudíž mo­hou využívat všechny funkce, který vývojové prostředí Automation Studio nabízí. Ve spo­jení s již uvedenou komplexní funkcí pro za­znamenávání údajů tak systém APROL před­stavuje mimořádně ucelenou platformu pro efektivní sledování strojů a jejich infrastruk­tury na metaúrovni řízení výrobního řetězce.
 
Snad nejzajímavějším aspektem uvede­ného uspořádání je možnost s nevelkým úsi­lím a náklady zpřístupnit výrobní údaje na metaúrovni řízení v rámci celého výrobní­ho závodu. Stačí doplnit vybavení pomoc­ných zařízení mezi jednotlivými stroji, která nemají vlastní řídicí jednotky, a připojit osa­mocené snímače, pohony a další akční členy. K tomu lze použít řídicí jednotky řady B&R X20, známé především z oboru řízení strojů a strojních zařízení. Se vzdálenými modu­ly I/O a pohony lze komunikovat prostřed­nictvím sběrnice Ethernet Powerlink s vlast­nostmi reálného času. Díky těmto prostřed­kům lze celkem snadno nastavit efektivní způsob sledování a řízení celého výrobního řetězce (obr. 2).
 

Robustní a bezpečný

Moduly I/O použité společně s různými řídicími systémy značky B&R představují samy o sobě miliony instalovaných a praxí prověřených komponent (obr. 3). Dostupné jsou buď jako mimořádně kompaktní, mo­dulárně sestavené komponenty, které lze in­stalovat přímo na montážní lištu, nebo jako uzavřené moduly se stupněm krytí IP67 k po­užití mimo rozváděč. S řadou X20 jsou, po­kud jde o konstrukci a použitou sběrnici, kompatibilní také moduly typu OpenSafe­ty. Bezpečnostní řídicí jednotka SafeLogic spolupracuje po systémové sběrnici s modu­ly SafeIO a s bezpečnostními pohony kategorie SafeMC, schopnými zajistit bezpečné řízení pohybu. V prostředí systému APROL lze tudíž nabídnout nejen výměnu informa­cí napříč systémem, ale i možnost realizovat bezpečnostní obvody chránící větší část za­řízení než jen jednotlivý stroj.
 
Systém APROL se vyznačuje snadnou in­stalací a nízkými náklady na hardware. Může být nainstalován téměř kdekoliv, je-li k dispo­zici alespoň jedno PC, které lze provozovat na libovolném místě v rámci společnosti. Proto­že pracuje pod operačním systémem Linux, může ho při použití klientských počítačů využívat několik uživatelů současně. Zároveň lze v prostředí APROL uspořádat systém pro řízení procesů jako redundantní. Použít re­dundanci je při automatizované nespojité vý­robě užitečné zejména tam, kde by při selhání použitého systému pro řízení spojitých pro­cesů nebylo možné udržet vyšší produktivitu práce, které právě tento řídicí systém umožnil dosáhnout. Redundance na úrovni hardwaru, na úrovni komunikační sběrnice s vlastnost­mi reálného času a databází historických úda­jů zajišťuje vysoký stupeň dostupnosti, který je pro výrobní závody na současném vysoce konkurenčním trhu nezbytný, zejména pokud jde o dodávky tzv. na čas.
 

Úspěch v průmyslové praxi

Mnoho uživatelů již systém pro řízení pro­cesů B&R APROL používá společně se svý­mi dalším systémy v jedné hierarchické kom­plexní struktuře, která je sledována a ovládá­na z jednoho místa.
 
Se svou širokou nabídkou funkcí – včet­ně možnosti integrovat systémy vytvořené při použití simulačních nástrojů, jako je např. Matlab/Simulink – tak systém APROL doká­že propojit všechny úrovně automatizovaného řízení – jak spojitých technologických proce­sů, tak i diskrétních výrobních operací – do jednoho homogenního celku. Protože je scho­pen přímo integrovat externí zařízení a zdro­je signálu, systém APROL umožňuje použít všezahrnující přístup, který je zárukou spolehlivého a efektivní provozu výrobního za­řízení po celý jeho životní cyklus.
 
Obr. 1. Protože systémy pro řízení procesů jsou vždy využívány také jako zdroje informací, jsou zazname­nané provozních údaje provázány s historickými údaji, aktuálními časovými průběhy a diskrétními událostmi – standardně tuto funkci nabízí i systém APROL
Obr. 2. Při použití systému APROL PDA (Process Data Acquisition) lze s libovolným kancelářským PC získat nejen přístup k zobrazení technologického zařízení, záznamům o zpracování dávek atd., ale také k informacím z integrovaných řídicích jednotek různých typů a značek řídících stroje i k dodatečným snímačům a akčním členům ve výrobní hale (struktura bez redundance)
Obr. 3. Vybrané komponenty řídicích systémů značky B&R (moduly I/O s krytím IP20 a IP67, měnič pro pohony, průmyslové PC, operátorský panel)