HMI/SCADA: nowe spojrzenie na istniejące systemy

Interfejsy człowiek-maszyna przeszły olbrzymie zmiany w ciągu ostatnich kilku lat. Czy to oznacza, że powinniśmy zrezygnować ze stosowanych dotychczas systemów SCADA? Kilka dużych firm, z którymi na ten temat rozmawiała redakcja Control Engineering, odpowiedziało twierdząco.

Rozmówcy Control Engineering, którzy zrezygnowali ze stosowanych do tej pory systemów bądź je zmodernizowali, zapewniają, że w ten sposób osiągnęli wiele korzyści. Począwszy od uproszczenia procedur szkolenia operatorów czy bezpieczniejszej wymiany i śledzenia informacji procesowych po rozwiązanie złożonych problemów wynikających z niedoborów sprzętowych (pewne funkcje można bowiem zrealizować w sposób programowy). W przypadku zakładu Chaparral Steel w Midlothian (drugi co do wielkości producent stali w USA) udało się osiągnąć między innymi krótszy czas szkolenia operatorów.

Nowy system był w tym przypadku konieczny, gdyż sukces firm branży stalowej, w której panuje duża konkurencja, w dużej mierze zależy od niezawodności produktów oraz terminowych dostaw. Wytwarzanie wymaga wyszukanych, dedykowanych systemów sterowania, dzięki którym produkcja przebiega bezawaryjnie. Proces produkcyjny rozpoczyna się od rozdrobnienia złomu, nadającego się do ponownego wykorzystania, na kawałki wielkości pięści. Następnie fragmenty te przetapiane są w półprodukty, z których wytwarzane są nowe produkty.

– Wszystkie nasze procesy produkcyjne są ze sobą połączone – mówi David Quesenberry, szef działu automatyki w Chapparal. – Nasz sukces zależy od płynnego przemieszczania półproduktów stalowych pomiędzy nimi. 

Zaprojektowanie, specyfikację oraz implementację systemów automatyki Chaparral zleciło AMI (partnerowi GE Fanuc). AMI, po przeanalizowaniu projektu, zdecydowało się na wykorzystanie sterowników serii 90- 70 GE Fanuc, jak również sterowników GE Fanuc serii 90-30. Dodatkowo wykorzystano moduły We/Wy Genius oraz oprogramowanie Cimplicity HMI. Połączenia Ethernet służą do przekazywania informacji ze sterowników do terminali operatorskich, w których obecne jest oprogramowanie HMI. Terminale rozmieszczone są w wielu punktach, w całej fabryce. Nowa instalacja zapewnia dostęp do nowych funkcji i jest prostsza w obsłudze.

– Ekrany wizualizacji oferują większą liczbę kolorów, a komunikacja jest znacząco szybsza. Nowe funkcje są szczególnie przydatne na przykład podczas walcowania – wyjaśnia Bernardo Sainz z AMI.

Współczesne projekty interfejsów HMI, dzięki dużym możliwościom, w znacznym stopniu redukują czas szkolenia oraz obsługi nowych linii produkcyjnych.

– Każdy operator może natychmiast uzyskać informację na temat niemalże każdego elementu wyposażenia linii produkcyjnej – mówi David Quesenberry.

Dodatkowo, Historian firmy GE Fanuc gromadzi dane, archiwizuje je oraz zajmuje się dystrybucją blisko 100 000 punktów sygnałów procesowych na każdy serwer w czasie rzeczywistym.

Lepszy podgląd na We/Wy

Niestety, czasami ograniczenia projektu wykluczają wymianę istniejącego w systemie sprzętu i oprogramowania. Taka sytuacja miała miejsce w przypadku instytutu Relativistic Heavy-Ion Collider w Brookhaven National Laboratory, gdzie setki fizyków badają, jak mógł wyglądać wszechświat przed „wielkim wybuchem”. Do niedawna systemy kriogeniczne, składające się między innymi z systemów DCS, uruchamiano na starych, jednakże skonfigurowanych w ramach systemów redundantnych minikomputerach VAX. Chociaż inżynierowie byli zadowoleni z wydajności aktualnie działającego systemu, to jednak interfejs użytkownika zrealizowany pod systemem DOS był kłopotliwy w zastosowaniu, mało elastyczny, a poziom jego czytelności pozostawiał wiele do życzenia. Oparty na przestarzałych komputerach, zawierał wiele ekranów wizualizacji, jednak możliwości podłączania sygnałów zewnętrznych do wizualizacji były bardziej niż ograniczone. Żadne dane nie mogły zostać przesłane w sieci, a architektura systemu w ogóle nie uwzględniała jakichkolwiek możliwości aktualizacji sprzętu i oprogramowania. Wymiana systemu wymagałaby stworzenia nowych ekranów wizualizacji. Wszystko to w celu ograniczenia niepotrzebnych inwestycji czy długich, uciążliwych przestojów.

Salem Automation, pierwotny integrator systemów sterowania, polecił rozwiązanie firmy InduSoft, z uwagi na bliskie stosunki InduSoft z firmą Crisp.

– InduSoft zaproponowała pełną ścieżkę migracji od istniejących wyświetlaczy po nowoczesne rozwiązania sprzętowe i programowe, które mogłyby w przyszłości zostać zastosowane w fabryce – mówi Patrick Talty, inżynier aplikacji w Brookhaven.

Migracja miała odbyć się bez żadnych problemów. Sterowniki komunikacji InduSoft doskonale współpracują z istniejącymi już systemami sterującymi VAX.

– Aktualnie system ma 10 000 punktów We/Wy, które można podejrzeć z poziomu wizualizacji, również inne źródła danych można pokazywać operatorom – tłumaczy Talty.

W systemie obecna jest cała masa pulpitów operatorskich. Istotnym dodatkiem są stacje klienckie www, do których każdy może mieć dostęp z użyciem odpowiednio zabezpieczonych przeglądarek. InduSoft bazuje na systemie operacyjnym Microsoft Windows, co umożliwia integrację dużej liczby ekranów wyjściowych, dodatkowo pozwalając na zgromadzenie danych z trzech, czterech dotychczas używanych ekranów na jednym ekranie, bez utraty jasności i przejrzystości wyświetlanych danych. Obecnie sterowanie za pomocą komputerów VAX zapewniane jest w sieci TCP/IP, zamiast dotychczas stosowanej sieci DECNET. Oprogramowanie łączy aplikacje sterowania i wizualizacji, uruchamiane na różnych komputerach.

Bezpieczny nadzór nad danymi

Produkty farmaceutyczne bez dwóch zdań charakteryzować musi najwyższa możliwa jakość. Aby móc sprzedawać swoje produkty, przedsiębiorstwa muszą spełniać szereg wymogów. Coraz częściej decydenci w branży farmaceutycznej muszą borykać się z problemem bioterroryzmu oraz nieumiejętnego manipulowania przy produktach przez osoby niepowołane czy przez błędną obsługę na liniach produkcyjnych nowo wprowadzanych produktów. Aby temu sprostać, Roche Diagnostics uruchomił jedną z najnowocześniejszych linii produkcyjnych w swojej fabryce w Mannheim (Niemcy). Wykorzystuje ona oprogramowanie Wonderware.

Nowa linia pakująca wybiera fiolki z palet, sortuje je, a następnie łączy w paczki. Paczki te przekazywane są dalej na stół obrotowy, w celu dalszej obróbki. Gdy już etykiety zostaną nałożone, jedna z kamer sprawdza poprawność kodu paskowego i jego pozycji; inna kamera sprawdza, czy fiolki i kapsle są właściwego koloru. Paczki są następnie przekazywane do ostatniego etapu produkcji. Interfejsy operatora, zrealizowane z użyciem oprogramowania InTouch, prowadzą od etapu do etapu – operatorzy już nie muszą, jak to miało miejsce dotychczas, przeszukiwać niezliczonej liczby ekranów wizualizacji.

Roche Diagnostics musi dokumentować, który z operatorów oraz kiedy zakończył określony etap. Połączenie funkcji zarządzania użytkownikami, dostępnych w oprogramowaniu InTouch z tymi, oferowanymi przez system operacyjny Microsoft Windows 2000, pozwoliło na archiwizację tych informacji. Dodatkowo znacznie wzrósł poziom bezpieczeństwa informatycznego w całej fabryce w Mannheim. Było to możliwe między innymi dzięki zablokowaniu dostępu do plików systemu operacyjnego. Dodatkowo, cała instalacja działa jako równoległy system redundantny. Gdy tylko zostanie uszkodzony główny system, automatycznie następuje przełączenie na system zapasowy.

Gwałtowny wzrost jakości

Z kolei Leciva, największy producent leków w Czechach, produkuje gotowe półprodukty (roztwory) i gromadzi je w specjalnych zbiornikach. Roztwory przesyłane są ze zbiorników za pomocą zautomatyzowanego systemu, w celu napełnienia finalnego produktu – ampułek. Fabryka podlega regulacjom tamtejszego Państwowego Instytutu Regulacji Przemysłu Farmaceutycznego, który opracował standardy wymagane od dokumentacji każdego aspektu procesu produkcyjnego. Są nazywane potocznie „dobrymi praktykami wytwarzania”.

Leciva zdecydowała się na wybór oprogramowania Genesis32 firmy Iconics. Wykorzystano je w fabrykach w Pradze. Zestaw oprogramowania obejmuje narzędzia: GraphWorX32, TrendWorX32 oraz Script- WorX32 – współpracujące z serwerem OPC Simatic S7 firmy Siemens. SIDAT – główny integrator systemów – zainstalował i skonfigurował całość systemu: monitorowania produkcji, dostarczania jasnych wskazówek dla operatorów z użyciem odpowiednio zaprojektowanych ekranów HMI, gromadzenia danych z użyciem arkuszy Microsoft Excel. Dane prezentowane są zarówno w postaci liczbowej, jak i graficznej.

– Oprogramowanie Genesis32 podniosło poziom kompletności dokumentacji naszych procesów produkcyjnych, jak również przyczyniło się do zwiększenia jakości tychże procesów. Można powiedzieć, że aktualnie jakość jest niemalże zagwarantowana – mówi Milan Turinsky, inżynier automatyk w Leciva.

Pozostać „w sieci”

Inny przykład dotyczy przemysłu chemicznego, a konkretnie następującego procesu: powietrze schładzane jest aż do skroplenia, a następnie w specjalnych kolumnach destylacyjnych odparowywane są określone gazy i produkowany azot, tlen i argon. Dość ekonomiczną alternatywą dla wytwarzania tych produktów i późniejszego ich transportu w cylindrach bądź zbiornikach są fabryki (zwykle bezobsługowe) podłączone do linii produkcyjnych, w których można wykorzystać wytworzony podczas procesu produkcyjnego gaz. Taiyo Nippon Sanso wybudowała pierwszą taką fabrykę w Japonii w 1935 roku i obecnie dostarcza swoje rozwiązania do wielu miejsc na całym świecie.

Firma wynalazła również pierwszy na świecie aparat do kriogenicznej destylacji tlenu na potrzeby wybranych systemów diagnozowania raka. Aplikacja potrzebowała systemu sterowania programowanego z użyciem standardowych języków zgodnych z normą IEC 61131-3 oraz zdalnego dostępu z pulpitu operatorskiego zrealizowanego z użyciem systemu SCADA dostępnego w sieci. W związku z tym, że parametry procesu ulegają zmianom dla każdego rodzaju produkcji, każda nowa instalacja wymaga specjalistycznej rekonfiguracji i uruchomienia. Aby zapewnić stałe i nieprzerwane dostawy gazu do procesu produkcyjnego, firma zainstalowała autonomiczny sterownik Stardom FCN oraz system SCADA VDS firmy Yokogawa Electric. Na system ten składają się: dwa równolegle działające procesory sterowników, podwójne sieci, jak również podwojone systemy zasilania. Dokonywanie zdalnych operacji za pomocą opracowanego systemu SCADA nie wymaga stosowania dodatkowego oprogramowania.

– Podczas fazy uruchomień testowych inżynierowie zauważyli, że nie potrzebują już wielu godzin na żmudne sprawdzanie i dodatkowe ustawianie parametrów. Obecnie sieciowy system SCADA pozwala nam na sprawdzanie i modyfikację algorytmów i parametrów działania systemów sterowania za pomocą sieciowej aplikacji klienckiej – tłumaczą Masahiro Ikeda i Isao Shimamura z działu projektowego Taiyo Nippon Sanso. – Gdy pracują na terenie fabryki, nie muszą również ciągle dzwonić do sterowni, żeby dowiedzieć się czegokolwiek na temat parametrów i wartości sygnałów w procesie. Nowy system zapewnia wgląd we wszystkie te parametry.

Podwojenie żywotności systemu

Gwałtowny wzrost populacji może być, ale niekoniecznie musi, błogosławieństwem dla cywilizacji. Jeszcze w 1980 roku miasteczko Gilbert w Stanach Zjednoczonych było niedużą miejscowością o całkowitej liczbie mieszkańców poniżej 6 000. Do 2005 roku liczba ta wzrosła do 180 000. Miejska oczyszczalnia ścieków, zbudowana w połowie lat 90., przetwarza blisko 60 mln litrów ścieków dziennie, a w niedługim czasie ilość ta zostanie potrojona. Pierwotny system SCADA, działający w fabryce składał się z osprzętu Siemens (model 505), programowanego w formacie APT. I choć cały system funkcjonował dość dobrze, Siemens nie rozwijał dalej linii produktów z nim związanych. Tym samym oczyszczalnia ścieków pozostawiona została bez możliwości elastycznej rozbudowy komponentów.

Chris Lynch, dyrektor DL Engineering & Controls (DLEC), dostawcy projektów rozwiązań systemów sterowania, zaopatrywał oczyszczalnię ścieków przez ponad 15 lat. Jednym z jego ostatnich zadań było opracowanie instalacji systemu SCADA dla całej oczyszczalni „pod klucz”. Zaproponował kilka rozwiązań. Rozwiązanie wykorzystujące niższy budżet umożliwiło przeprogramowanie całego systemu, jednocześnie spełniając wszystkie oczekiwania. Niestety, nie wyeliminowało niedoborów w sprzęcie. Dodatkowo, istniejąca struktura oprogramowania wymaga komputera PC z systemem operacyjnym Windows 98, do którego Microsoft nie dostarcza już wsparcia.

Utrzymanie aktualnie wykorzystywanego sprzętu oraz ponowne oprogramowanie całego systemu sterowania za pomocą języka schematów drabinkowych wymaga odpowiedniego oprogramowania, które z kolei nie obywa się bez poniesienia wydatków. Dodatkowo, obsługa oraz pozyskiwanie części zapasowych może stawać się coraz trudniejsza z każdym mijającym rokiem.

Ostatecznie miasto postanowiło wymienić cały istniejący system sterowania i zamienić go na sprzęt ControlLogix Allen-Bradley, przy czym interfejsy HMI zrealizowane zostały za pomocą oprogramowania InTouch 9.5 Wonderware. DLEC zrealizował większość inwestycji podczas przestoju i tak planowanego na rozwój fragmentów fabryki. Nowe interfejsy korzystają ze standardowego sprzętu i oprogramowania, w tym ze standardowych języków programowania. Dzięki temu możliwe będzie przeniesienie stworzonego systemu na inne obiekty.

Jak podaje DLEC, nowy sprzęt i oprogramowanie powinny podwoić żywotność nowo wprowadzonych systemów. Dodatkowo, obniżony został koszt serwisu i szkolenia pracowników, przy jednoczesnym zwiększeniu elastyczności obsługi systemu.

ce

Artykuł pod redakcją
dra inż. Krzysztofa Pietrusewicza,
adiunkta w Instytucie Automatyki
Przemysłowej Politechniki Szczecińskiej

Setki kilometrów pod kontrolą

Dla Control Engineering Polska mówi Wojciech Dąbrowski, kierownik Wydziału Sieci Ciepłowniczych RADPEC:

Radomskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej RADPEC jest jedną z pierwszych firm ciepłowniczych w Polsce, która wprowadziła zdalny monitoring węzłów cieplnych. Węzły wymiennikowe są w pełni zautomatyzowane i opomiarowane. Część z nich pracuje pod nadzorem systemu SCADA – Wizcon Supervisor. Sieć ciepłownicza liczy 144 km długości i dostarcza ciepło do 644 węzłów cieplnych, z których 482 to nowoczesne węzły w eksploatacji spółki. Ciepło wytwarzane jest w czterech źródłach o łącznej mocy 323,3 MW, z czego 203,5 MW przypada na największe – Ciepłownię „Południe”, a 116,3 MW na Ciepłownię „Północ”. Pozostałe dwa źródła to małe kotłownie gazowe. Oprogramowanie Wizcon Supervisor zainstalowane jest w Ciepłowniach „Północ” i „Południe” oraz w dyspozytorni. Dzięki komunikacji sieciowej obiekty te mają możliwość stałej wymiany informacji o kluczowych parametrach pracy systemu (ciśnienia, moce temperatury i wiele innych). System Wizcon zbiera wszelkiego typu informacje dotyczące pracy węzłów (do 300 zmiennych z jednego węzła). Oprogramowanie automatycznie generuje codziennie raporty o alarmach, awariach i pracy obiektów. W skład systemu wchodzi również aplikacja internetowa, która udostępnia aplikację do zdalnego podglądu (zdalne sterowanie zostało zablokowane ze względów bezpieczeństwa). Prowadzona w formie elektronicznej książka awarii jest także zintegrowana z systemem Wizcon. Komunikacja realizowana jest na kilka sposobów: za pomocą łączy dzierżawionych, własnego okablowania, za pomocą Ethernetu drogą radiową oraz Ethernetem, za pomocą telewizji kablowej. W przepompowniach wyposażonych w sterowniki Saia- Burgess (PCD2.M170 i PCD3.M3120) komunikacja realizowana jest za pomocą Ethernetu z wykorzystaniem bezprzewodowego łącza.

Do sterowników podłączone są liczniki ciepła (protokół M-Bus). Sterowniki z wgraną aplikacją webową umożliwiają zdalny monitoring pracy węzła. Sterowniki włączone są w system monitoringu i wymiany danych. Celem wdrożenia systemu monitorowania i sterowania węzłami cieplnymi opartego na Wizconie Supervisor w RADPEC było zmniejszenie kosztów gospodarowania energią cieplną przy jednoczesnym optymalnym wykorzystaniu nośnika energetycznego. To korzyść zarówno dla RADPEC, jak i odbiorców końcowych. Ponadto system monitorujący parametry węzłów cieplnych w określonych interwałach czasowych umożliwia stały nadzór nad rozbudowanym i rozległym systemem ciepłowniczym, natychmiastową reakcję na sytuacje awaryjne, bez straty czasu wynikającej z opóźnienia dotarcia informacji od końcowego użytkownika. Pozwala to także na przewidywanie potencjalnych stanów awaryjnych na podstawie danych historycznych znajdujących się w bazie systemu. Kolejną korzyścią z zastosowania systemu monitoringu i sterowania węzłów cieplnych jest znaczące ograniczenie konieczności wyjazdów do obiektów w wypadku zmiany parametrów czy nastaw regulatorów, gdyż podstawowe nastawy są dokonywane z poziomu dyspozytorniRADPEC, co umożliwia korygowanie parametrów pracy węzła na podstawie napływających danych. Unikalną korzyścią z monitoringu tak rozległego systemu jest również fakt, że od trzech sezonów dwa źródła pracują na wspólną sieć. Ciepłownie pracując w jednej sieci mogą się wzajemnie dostrajać i optymalizować parametry swojej pracy (dzięki architekturze typu ring). Jedno źródło może także wpływać na pracę drugiego.