Wraz z rozwojem obecnych na rynku od ponad czterdziestu lat systemów DCS (Distributed Control System) rosną oczekiwania ich użytkowników. Niebawem przekonamy się, czy tę technologię ominie kryzys wieku średniego.
Porównajmy system DCS do czterdziestolatka. Urodził się ok. 1975 roku. Jest dojrzały, choć jeszcze niegotowy do przejścia na ?technologiczną? emeryturę. Nadszedł jednak dobry moment, aby podsumować dotychczasowe dokonania i obrać jakiś konkretny kierunek na przyszłość.
Cofnijmy się o te cztery dekady. Mniej więcej wówczas kilku producentów urządzeń OEM niezależnie od siebie wprowadza do oferty pierwsze platformy rozproszonych systemów DCS. Dla potrzeb tego artykułu nie jest najistotniejsze, kto był pierwszy. Ważne, że ówczesne systemy oferowały bardzo zbliżone do siebie rozwiązania i obejmowały podobną przestrzeń rynku. Pierwszymi użytkownikami były rafinerie, zakłady chemiczne oraz inne tradycyjne sektory przemysłu ? twórcy systemów zaoferowali im nowe opcje dotyczące obsługi pneumatyki, sterowników analogowych oraz rozdzielnic elektrycznych. Wiele z powstałych w tamtych czasach koncepcji odeszło już w zapomnienie, jednak część rozwiązań funkcjonuje po dziś dzień.
Początkowo systemy DCS były projektowane przez producentów niejako ?wokół? własnych, firmowych urządzeń i oprogramowania, wraz z podłączonymi urządzeniami peryferyjnymi I/O. Operator wydawał polecenia najczęściej poprzez klawiaturę lub inne autorskie rozwiązania, pulpity operatorskie, mając dodatkowo do dyspozycji monochromatyczny ekran CRT. Pamiętajmy, że to, co dzisiaj może wydawać się przestarzałe, wówczas było naprawdę szczytem możliwości. Oprogramowanie komputerowe dopiero raczkowało, dlatego możliwości obliczeniowe systemu DCS wydawały się dość wyrafinowane. Przykładowo, algorytmy pętli sterowania były na tyle niezawodne, że platformy DCS pracowały bezbłędnie przed długi czas, utrzymując równowagę parametryczną nawet przy bardzo skomplikowanych procesach. Wiele z wczesnych systemów działa aż do teraz, przez dziesięciolecia wymagając jedynie kilku prac serwisowych.
Ewolucja
Niezmienne w swych bazowych założeniach systemy DCS uległy oczywiście wielu tendencjom rozwojowym. Można je dostrzec w następujących obszarach:
-> interfejsów operatorskich HMI ? są coraz bardziej zaawansowane, bardziej czytelne graficznie, zapewniające łatwiejszy dostęp do potrzebnych danych;
-> pracy operatorów ? badania nad ludzkimi zachowaniami pokazały, jak operatorzy radzą sobie w trudnych i nietypowych sytuacjach, co udało się przenieść na poprawę efektywności systemów;
-> urządzeń peryferyjnych I/O ? dodano cyfrowe układy pomiarowe do zdecentralizowanych urządzeń, aby zapewnić więcej danych dla operatora;
-> zarządzania aktywami ? poprzez lepszy przepływ informacji z działami utrzymania i serwisu, platformy zarządzania aktywami pozwalają na zwiększenie niezawodności pracy całego systemu;
-> sprzętowym ? zastąpiono sprzęt certyfikowany, tj. firmowy, ogólnodostępnymi urządzeniami (co oczywiście ma swoje dobre i złe strony);
-> zarządzania komunikatami ? samo zarządzanie sygnałami alarmowymi przekształciło się już w oddzielną specjalizację;
-> integracji ? skomunikowanie rozwiązań z sieciami przemysłowymi odbywa się już dziś na wyrafinowanym poziomie, jednak ze świadomością nowych zagrożeń (kwestie bezpieczeństwa cybernetycznego);
-> automatyzacji procesów ? to wciąż relatywnie nowe zagadnienie pozwala operatorom m.in. uprościć rozruch, skrócić przestoje i ujarzmić inne, potencjalnie zagrażające bezpieczeństwu sytuacje.
Różne systemy, podobne rozwiązania
Pomimo wszystkich wymienionych usprawnień, od lat niezmienne pozostają mechanizmy projektowania i wdrażania systemu (wraz z towarzyszącymi im rozmaitymi ograniczeniami):
-> peryferyjne urządzenia I/O są sztywno podłączone do systemu DCS poprzez szafy rozdzielcze i przyłączeniowe;
-> każde z urządzeń ma własne końcówki styków, co niestety oznacza zwykle obecność kilkunastu punktów, w których może dojść do przerwy w komunikacji;
-> urządzenia peryferyjne są w stanie komunikować się tylko z tym sterownikiem, do którego zostały bezpośrednio podłączone;
-> rozszerzanie funkcjonalności czy to urządzeń, czy samego sterownika, najczęściej przynosi efekty odwrotne do zamierzonych ? prowadzi bowiem do wyższego stopnia skomplikowania i utrudnia konfigurację;
-> aplikacje programowe są tworzone od zera, dlatego nie można zaimplementować kodu, zanim nie zostaną zainstalowane urządzenia ? nie są one jeszcze widoczne w systemie swojej ostatecznej konfiguracji.
Dopóki systemy DCS pozostawały relatywnie nieskomplikowane, użytkownicy tolerowali te niedociągnięcia. Część zakładów przemysłowych zdecydowała się na zastosowanie magistrali komunikacyjnych poziomu obiektowego zamiast okablowania do peryferyjnych urządzeń ? były to jednak tylko doraźne rozwiązania.
<—newpage—>Brak standaryzacji
Z biegiem lat systemy DCS stały się coraz bardziej zaawansowane, a przez to złożone i bardziej kosztowne. Zaimplementowanie dużego systemu wiązało się z na tyle znaczącymi wydatkami, że inwestorzy niechętnie patrzyli na częste opóźnienia związane z ostatecznymi korektami, przed finalnym rozruchem. Koszty generowane przez te opóźnienia powodowały dodatkowe duże straty finansowe. Rozwijającej się branży brakowało standaryzacji elementów oraz pomysłu na mniej pracochłonny proces projektowania systemu.
Inżynierowie automatyki szybko znaleźli się na celowniku, skoro to ich system był ostatnią przeszkodą na drodze do uruchamiania produkcji i osiągania pierwszych przychodów. Pomimo wszelkich starań przez prawie 35 lat w oczach użytkowników systemy DCS pozostawały ociężałe i powolne. Co więcej, na horyzoncie nie widać było wyraźnej alternatywy. Producenci systemów DCS znajdowali się pod dużą presją klientów, którzy domagali się po prostu lepszych rozwiązań.
? W naszej firmie zaczynaliśmy ok. sześć lat temu od elektronicznego systemu przetaczania wagonów ? wspomina Roger Freeman, wiceprezes biura zarządzania projektami w firmie Emerson Process Management. ? Następnie dokonaliśmy wirtualizacji systemu DCS, nie tylko samych stacji roboczych, ale też sterowników i kontrolerów urządzeń I/O. Dzięki temu cały projekt czysto inżynierski mógł powstawać niezależnie od platformy sprzętowej. Przedsięwzięcie związane z projektowaniem i wdrożeniem systemu stało się bardziej elastyczne, przy zachowaniu niższych kosztów.
Ważnym momentem był ten, w którym firmy zdały sobie sprawę, że proces projektowania i implementacji systemu DCS ma charakter zbyt liniowy. Poszczególne kroki musiały odbywać się kolejno, jeden po zakończeniu drugiego. Jakiekolwiek najmniejsze opóźnienie w trakcie realizacji projektu skutkowało przesunięciem daty ostatecznego uruchomienia systemu, a co za tym idzie ? już na samym początku generowało straty finansowe. Sytuację dodatkowo pogarszały późniejsze, niedające się przewidzieć, przestoje w trakcie pracy, związane np. z rekonfiguracją systemu czy serwisem.
? Idea LEAP [Lean Execution of Automation Projects ? odchudzania wdrażania projektów automatyki, autorstwa firmy Honeywell] miała na celu rozdzielenie projektu funkcjonalnego od projektu dotyczącego fizycznej realizacji systemu i połączenie tych dwóch elementów dopiero na samym końcu ? tłumaczy Jack Gregg, dyrektor marketingu produktów z rodziny Experion w firmie Honeywell. ? Jest to doskonałe rozwiązanie w przypadku budowy nowych instalacji, ale może być również z powodzeniem stosowane przy działaniach modernizacyjnych czy przebudowie istniejących obiektów.
Urządzenia peryferyjne I/O
Okablowanie urządzeń I/O to jeden z głównych problemów w rozwoju systemów DCS, ponieważ konfiguracja przewodów jest unikatowa dla określonego miejsca instalacji. Jeżeli np. urządzenie peryferyjne A należy połączyć ze sterownikiem nr 3, kabel musi podążać konkretną trasą pomiędzy dwoma urządzeniami ? zatem jakiekolwiek późniejsze korekty są bardzo czasochłonne i kosztowne. Firmy Emerson, Foxboro, Honeywell i Yokogawa opracowały systemy, które wykorzystywały standaryzowane, konfigurowalne urządzenia peryferyjne, dające możliwość instalacji bezpośrednio w wybranych lokalizacjach na poziomie obiektowym. Przy postępującej standaryzacji modułów warstwy sprzętowej coraz więcej elementów systemu DCS można było projektować równocześnie. Kod aplikacji mógł być tworzony niezależnie od fizycznego łączenia urządzeń. Tak więc szeregowa, seryjna produkcja dała możliwość projektowania równoległego. Sztywne elementy, trzymające się ram wytyczonych przez standard, tak naprawdę zapewniły możliwość stosowania bardziej elastycznych rozwiązań.
Nowe wyzwania
Taka zmiana podejścia spowodowała również zmianę sposobu, w jaki dostawcy systemów rozmawiali z potencjalnymi klientami. Od teraz nikt już nie wątpił w możliwości funkcjonalne systemów w obszarze sterowania procesami. Dyskusje dotyczą obecnie nowych możliwości systemów, kosztów ich zakupu i cyklu życia, złożoności, czasu wdrożenia, zdolności do adaptacji czy żywotności. Klienci chcą stabilnej i przewidywalnej instalacji, ponieważ od tego zależy niezawodność oraz sprawne utrzymanie procesów produkcji.
? W przypadku prowadzenia prac modernizacyjnych czy rozbudowy bazy produkcyjnej presja czasu jest często silniejsza, niż gdy inwestycja jest realizowana od podstaw ? mówi Claudio Fayad, dyrektor marketingu platformy Delta V w Emerson Process Management. ? Średnio co sześć lub siedem lat rafinerie wymagają przestoju na mniej więcej miesiąc. Niezależnie, czy chodzio nową instalację automatyki, czy o rozbudowę lub modernizację już istniejącej, największy nacisk kładzie się na przewidywalność i stabilność systemu. Zależy na tym wszystkim odbiorcom, bez wyjątku.
Czynnik ludzki
Przez wszystkie lata rozwoju systemów DCS dyskusje na ich temat dotyczyły w głównej mierze spraw technologicznych. Oczywiście wypowiadali się również operatorzy systemów, ale ich zdanie miało często znaczenie drugorzędne. W obliczu zmian na rynku pracy do głosu dochodzili jednak coraz częściej ludzie, pracownicy, kształtująca się nowa grupa profesjonalistów. Obecnie producenci na bieżąco dokonują analizy ludzkich zachowań i przekuwają to na zmiany w interakcji systemu z operatorami. Większy nacisk kładzie się na współpracę między samymi operatorami, która też zmieniała się na przestrzeni lat rozwoju systemów DCS. W branży widoczne jest dążenie do maksymalnego ułatwienia kooperacji między nimi, niezależnie od tego, czy pracują w tej samej sterowni, czy może na dwóch różnych kontynentach.
? Nowe rozwiązania w zakresie paneli HMI są wynikiem obserwacji pracy samych operatorów ? wyjaśnia Jack Gregg. ? Przykładowo, nasza nowa konsola została zaprojektowana dla operatora, który będzie pracować na ciężkiej, dwunastogodzinnej zmianie, kontrolując, powiedzmy, proces emisji lotnych związków. Nagle, na pół godziny przed końcem, okazuje się, że musi on podjąć krytyczną decyzję. Co należy zrobić, aby przez cały czas pozostawał skoncentrowany, czujny, a przede wszystkim był w stanie szybko zareagować? Próbujemy przynajmniej częściowo rozwiązywać tego rodzaju problemy.
Elastyczność = przyszłość
Uniwersalnym aspektem w całej tej dyskusji pozostaje długość życia budowanych systemów DCS. O ile w przypadku sprzętu komputerowego żywotność jest obliczona na kilka lat, o tyle długość życia systemu DCS często mierzy się w dekadach. Każda firma planująca implementację danego systemu sterowania musi planować jego konstrukcję na dwadzieścia i więcej lat do przodu. Co będzie się wówczas działo z dostawcą systemu? W jakim miejscu znajdzie się moja firma? Podczas podejmowania decyzji o implementacji systemu wszystko to należy brać pod uwagę.
Adaptacyjność i elastyczność to najbardziej pożądane cechy ? nikt przecież nie jest w stanie przewidzieć, jak częste i kosztowne modernizacje czekają system na przestrzeni kolejnych lat.
? Nasze wcześniejsze modele systemów działały według dość jednoznacznych wzorców ? wspomina Claudio Fayad. ? Obecnie mogą rozwiązywać te same zadania na kilka sposobów. Można spinać urządzenia I/O na szynie, ale też łączyć je kablowo, połączyć bezprzewodowo lub zastosować rozwiązania hybrydowe. Niegdysiejsze narzędzia realizujące jedynie funkcje sterowania są teraz narzędziami nadzoru całych operacji, zapewniającymi analizy wydajności i efektywności pracy czy monitoring uszkodzeń. Klienci chcą mieć zapewnione maksimum korzyści, bez zbędnego ryzyka. Tłumaczymy im, dlaczego tak ważna jest elastyczność i jak duże ma ona znaczenie dla procesów roboczych.
Marjorie Ochsner, starszy dyrektor marketingu w Honeywell Process Solutions, współpracuje z klientami w okresie migracji na systemy DCS. Obserwuje, jak stare systemy zachowują się po wielu latach ciągłej eksploatacji.
? U większości z nich nieplanowane przestoje zdarzają się sporadycznie, raz na kilka lat. Kluczem do sukcesu ich działania jest stabilność systemu DCS ? zauważa. ? W związku z tym, gdy klient zdecyduje się na inwestycje w innowacyjne rozwiązanie z naszej oferty, proponujemy wdrożenie systemu bez konieczności zatrzymania całego procesu produkcji. Nazywamy to ciągłością w innowacji.
Kryzys zażegnany?
Rozproszone systemy sterowania to wciąż bardzo ważny i niezawodny element rynku automatyki przemysłowej. Proponowane w nich rozwiązania sprzętowe i programowe oferują gotowość do podejmowania wyzwań, prostotę i elastyczność budowanych lub modernizowanych systemów. Wydaje się, że kryzys wieku średniego ich nie dotyczy. Nie da się jednak ukryć, że rywalizują nieustannie z konkurencyjnymi, atrakcyjnymi ofertami, jakie pojawiają się na współczesnym rynku systemów automatyzacji procesów przemysłowych.
Autor: Peter Welander jest redaktorem, współpracownikiem ?Control Engineering?.
Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
