Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Zvyšování produktivity integrací automatizovaných systémů

Vzájemná integrace automatizovaných systémů přispívá k dokonalejší detekci poruch, pomáhá zkracovat doby odstávek výrobních zařízení a zvyšuje produktivitu výroby. Díky tomu výrobní podniky lépe obstojí v konkurenční soutěži.
 

Doba života výrobních zařízení

 
Výrobní provozy určené pro procesní průmysl mají projektovanou dobu života přibližně 20 až 25 let a jsou navrhovány tak, aby dosahovaly určené kapacity výroby. Skutečná doba života výrobních zařízení a kapacita výroby se ale od navržených hodnot často liší.
 
Doba potřebná k projektování, uvedení do provozu a zkušebnímu provozu zařízení závisí na velikosti provozu a typu výroby; především na tom, zda jde o unikátní nebo běžné výrobní zařízení. Tyto fáze, předcházející plnému provozu, trvají i několik let. Všechny uvedené doby ve svém součtu dávají již zmíněnou poměrně dlouhou dobu života zařízení ve výrobních provozech procesního průmyslu.
 
Výrobní závody zvláště v oborech jako biotechnologie nebo farmaceutická výroba mají velké požadavky na možnost cenově efektivních změn kapacity výroby a optimalizace výrobních procesů. Podle odhadů je 5 až 10 % regulačních smyček každoročně měněno v souvislosti s rozšiřováním výroby, její modifikací a optimalizací.
 
Zmíněné skutečnosti naznačují, jak důležité je při úvahách o konkurenceschopnosti výroby brát v úvahu všechny náklady vznikající po dobu životního cyklu výrobních provozů.
 

Zvyšování produktivity zkracováním odstávek

 
Dalším výrazným faktorem, který má negativní vliv na produktivitu, je omezení maximální dosažitelné kapacity výroby odstávkami, plánovanou údržbou a dobou nutnou k odstranění nenadálých poruch.
 
Zvláště neplánované odstávky citelně snižují kapacitu výroby a v důsledku toho i konkurenceschopnost výrobků na trhu, protože představují specifické výrobní náklady. Kromě nedodržení stanovených výrobních postupů jsou hlavní příčinou neplánovaných odstávek poruchy mechanických nebo elektronických komponent.
 
Integrované automatizované systémy pomáhají výrobcům doby odstávek minimalizovat. Hlavním cílem integrace řídicích systémů a automatizační techniky je umožnit využití informací, které již jednou byly vytvořeny a získány během inženýrinku i výrobních procesů, i v jiných částech automatizovaného systému. Na jedné straně se tak omezí náklady na opakované ruční pořizování dat, na druhé straně integrace systémů zaručuje konzistenci dat ve všech řídicích systémech, což zmenšuje pravděpodobnost vzniku chyb a omylů, jež by mohly vzniknout použitím starých, již neaktuálních dat. V dalších odstavcích bude ukázáno, jak mohou být data vytvořená během fáze inženýrinku využita ve fázi výroby a jak tento postup pomáhá ke snadnému a efektivnímu odstraňování poruch.
 

Plnicí stanice s možností integrace do systému řízení výroby

Příkladem bude stanice určená pro plnění produktů do automobilových cisteren. Kromě běžných funkcí nutných pro řízení jejího provozu má tato stanice také bezpečnostní funkce, které chrání cisternu proti přeplnění. Konfigurace systému na obr. 1 schematicky znázorňuje strukturu automatizačního systému od provozní úrovně po vizualizaci. Důležitou součástí řešení je dokonalá integrace všech hardwarových komponent na úrovni provozních přístrojů, řídicího systému i vizualizace (kromě snímačů na provozní úrovni všechny komponenty dadala společnost Festo). Hardwarová část byla v průběhu inženýrinku konstruována systémem ePlan a je propojena on-line se systémem SCADA. Pro řízení provozu a vizualizaci se používá systém VipWin (Festo). Ten mj. umožňuje vytvářet grafy časových průběhů jednotlivých veličin (trendy) a vyvolávat výstražná hlášení (alarmy) při překročení zadaných hodnot provozních veličin. Úrovně vizualizace a provozního řízení jsou propojeny pomocí ventilového terminálu MPA, modulů vzdálených I/O CPX a integrovaného PLC CPX-FEC. Úlohou PLC je také zpracovávat v režimu on-line hodnoty provozních proměnných a řídit výrobní procesy. Analogové i binární elektrické signály provozních senzorů a akčních členů jsou připojeny na odpovídající moduly I/O CPX a pneumatické pohony jsou ovládány ventilovým terminálem MPA. Přímo k systémové sběrnici je připojen dotykový operátorský panel FED500, který umožňuje plnicí stanicí ovládat místně, tj. přímo u automobilové cisterny.
 
Toto moderní řešení poskytuje široké možnosti využití diagnostických funkcí, přičemž důsledkem je zkrácení doby odstávek. Při poruše v provozu je obsluhující personál nebo pracovník údržby přímo naveden k tomu, aby začal vykonávat potřebné operace směřující k jejímu odstranění. Postupy jsou založeny na aktuálních provozních a inženýrských informacích. Integrace řídicího systému se systémem využitým pro zkonstruování výrobních zařízení umožňuje současně zobrazovat aktuální provozní údaje, veškerou potřebnou technickou dokumentaci a další nezbytné údaje související s porouchaným zařízením. Tím se zkracuje doba potřebná k lokalizaci závady a s využitím aktuálních diagnostických dat může oprava začít v podstatě okamžitě. Příklad ukazuje, jak mohou být údržba a servis optimalizovány využitím integrované automatizační techniky a integrací dat z konstrukčních systémů CAD/CAE do řídicího systému.
 
V této části technologie se mohou vyskytnout různé druhy poruch: mechanické zablokování uzavíracího kohoutu, únik stlačeného vzduchu, zkrat nebo přerušení vodičů v regulační smyčce.
 
Například při přerušení vodiče v regulační smyčce modul vzdálených I/O detekuje, ve které smyčce porucha nastala. Tato informace je prostřednictvím PLC předána do aplikace SCADA. Postižená regulační smyčka se objeví v seznamu alarmů a aktivuje se spojení s příslušnými podklady v konstrukčním systému ePlan. Díky tomu si může operátor nebo pracovník údržby okamžitě zobrazit relevantní technickou dokumentaci. Ve schématu se mu zobrazí, na který modul I/O je porouchaná smyčka připojena a který kanál tohoto modulu smyčka využívá (obr. 2).
 
Informace v podobném rozsahu jsou zobrazovány i při jiných druzích poruch, včetně možnosti zobrazit technickou dokumentaci komponent dotčených poruchou. K dalším informacím se pracovník údržby dostane velmi snadno pomocí stromové struktury. Na systém je možné nahlížet z různých pohledů: jako na technologické schéma, jako na soubor dokumentace jednotlivých přístrojů (v PDF) nebo je možné zobrazit schéma pneumatických rozvodů či dokumentaci o instalaci pneumatických komponent, je-li poruchou zasažena právě tato část systému (obr. 3). Pracovník údržby nemusí ztrácet čas vyhledáváním potřebné dokumentace v různých složkách, vše je mu přímo přístupné.
 
Složitější je situace u takové poruchy, jako je zablokovaný uzavírací kohout. Porucha se projeví jako překročení doby potřebné k dosažení koncové polohy kohoutu (tuto dobu je možné při oživování systému nastavit). Systém vybaví hlášení o události a postoupí je aplikaci SCADA. V aplikaci SCADA je vyvolán alarm a ten je zařazen na seznam alarmů. Opět je k němu dostupná všechna související dokumentace ze systému ePlan. Na základě dostupných informací ale není možné určit, co je vlastně příčinou závady. Nemusí to být jen mechanické zablokování kohoutu, ale také vytržení hadice pneumatického rozvodu nebo ztráta elektrického signálu ve zpětné vazbě regulační smyčky. Proto je obsluze nabídnut širší výběr dokumentace: kromě dokumentace kohoutu také dokumentace o instalaci pneumatických rozvodů, o pneumatickém pohonu kohoutu, elektrické schéma zapojení regulační smyčky atd.
 
Prostřednictvím instalace dodatečných senzorů by bylo možné příčinu poruchy určit přesněji. Například by tak bylo možné určit, že příčinou je zničení hadičky pneumatického rozvodu a servisní technik se do provozu vydal vybaven potřebným náhradním dílem, nářadím a dokumentací. Takto podrobná diagnostika se v současné době ale zatím nepoužívá, protože vyžaduje relativně velké investiční náklady. Ovšem v budoucnu povede snižování ceny senzorů a zvyšování ceny práce údržby a růst ztrát vzniklých prostoji k tomu, že budou využívány i takové komplexní metody inteligentní diagnostiky.
 
Prezentované decentralizované řešení automatizace provozu plnicí stanice může být začleněno do systému DCS, který řídí celý výrobní závod. Na obr. 4 je schematicky znázorněno připojení k řídicímu systému pomocí sběrnice Profibus-DP s možností prostřednictvím Ethernetu připojit PC s diagnostickými nástroji a podporou údržby. Podobně již bylo realizováno připojení i prostřednictvím sítě Profinet (obr. 5).
 

Závěr: poruchy pod kontrolou

Příklad ukazuje, že v průběhu životního cyklu zařízení přináší integrace inženýrských a výrobních systémů při výskytu poruchy tyto výhody:
  • dostupnost detailních diagnostických dat komponent i celého systému,
  • zkrácení doby odstávky díky rychlejší lokalizaci poruchy s využitím diagnostických dat,
  • okamžitou dostupnost úplné a aktuální dokumentace všech poruchou dotčených zařízení bez nutnosti vyhledávat ji v různých složkách,
  • zlepšení podkladů pro rozhodování operátorů a vedoucích pracovníků.
Integrované řešení zvyšuje produktivitu výroby a dává podnikům výhodu v konkurenční soutěži na trhu.
 
Dr. Eckhard Roos, Manager,
Process Automation Management,
Festo AG & Co. KG. Překlad redakce.
 
Obr. 1. Schéma konfigurace systému; 1 – jednotka vzdálených I/O CPX s integrovaným PLC (master), 2 – jednotka vzdálených I/O s ventilovým terminálem (slave) CPX/MPA, 3 – uzavírací kohout a solenoidový ventil, 4 – zdroj a úprava stlačeného vzduchu, 5 – elektrický
ovládací signál, 6 – membránový ventil, 7 – kulový kohout, 8 – pneumatický ovládací signál, 9 – signál zpětné vazby, 10 – provozní měřicí zařízení, 11 – místní operátorský panel, 12 – vizualizace na PC
Obr. 2. Dokumentace dotčené regulační smyčky
Obr. 3. Dokumentace komponent postižených poruchou (v PDF)
Obr. 4. Rozšířené možnosti diagnostiky, připojení pomocí sběrnice Profibus
Obr. 5. Rozšířené možnosti diagnostiky, připojení pomocí sběrnice Profinet