Integracja interfejsów HMI – Źródło nowych oszczędności

Jim Robertson pełni dwie funkcje jednocześnie. Jako kierownik zespołu inżynierskiego w zakładach chemicznych Lanxess w Południowej Karolinie jest przede wszystkim odpowiedzialny za bieżące utrzymanie ruchu. Dodatkowo jednak nadzoruje też sprawy ekonomiczne w firmie. W szczególności odpowiada za całkowite wydatki na modernizację procesów produkcyjnych, niezbędne dla poprawy wydajności fabryki, która zaczęładziałalność w 1978 roku.  

Podczas gdy wiele firm świadomie rezygnuje z łączenia funkcji inżynierskich i ekonomicznych, zakłady Lanxess mogą być przykładem osiągnięcia znaczącego sukcesu właśnie dzięki ich połączeniu.
Jim Robertson i jego zespół od kilku lat stosują to niekonwencjonalne podejście w całej grupie fabryk Lanxess. W ten sposób unowocześniają różne procesy sterowania w zakładach, dążąc przy tym do minimalizacji przestojów i maksymalizacji wydajności produkcyjnej.
W zakładach Lanxess wytwarza się: wysokiej jakości chemikalia, gumy syntetyczne i plastiki, różnokolorowe pigmenty, wyroby skóropodobne, środki ochronne i służące do uzdatniania wody. 
Na początku lat 80-tych ubiegłego stulecia zakład Bushy Park w Goose Creek był w całości sterowany z wykorzystaniem rozproszonego systemu Provox firmy Fisher (obecnie Emerson Process Management). Pierwsza radykalna zmiana tej strategii nastąpiła dopiero w roku 1999. Wówczas Robertson zadecydował o wymianie filtra w procesie produkcyjnym środka Vulkanox, który od ponad 20 lat sterowany był właśnie przez system Provox. Decyzja Robertsona zmierzała ku zachowaniu funkcjonalności już istniejącego systemu i jego rekonfiguracji, poprzez uaktualnienie do nowszej wersji lub zmianę wykorzystywanego standardu.  
Po dogłębnym zapoznaniu się z bieżącą ofertą rynkową w zakresie systemów automatyki przemysłowej wybrano system Moore Apacs+. Głównym czynnikiem, który zadecydował o takim wyborze, było dążenie do stworzenia systemu odpowiadającego standardowi ISA S88. W planie końcowym przewidziano bowiem przejście na ten standard dla wszystkich trzech zainstalowanych w zakładach linii produkcyjnych. 
Najtrudniejszy pierwszy krok 
Przez następne pięć lat, z pomocą firmy integratorskiej AE Solutions, Jim Robertson wymienił pozostałe dwa systemy sterowania na linii produkcji Vulkanoksu na systemy typu Moore Apacs+. W międzyczasie firma Moore stała się częścią koncernu Siemens Energy & Automation.
W ten sposób, po zakończeniu modernizacji w roku 2004, w zakładach funkcjonowały dwa typy systemów – Apacs+ i Provox. Pierwszy z nich zainstalowano na wspomnianej linii produkcji środka Volkanox, podczas gdy na liniach produkcji środka Vulkacit (stosowanego w wulkanizacji) i Renacit wciąż pracowało pięć sterowników Provox z interfejsami ProView HMI. Na skutek tego konieczne było stosowanie w jednej sterowni dwóch niezależnych typów interfejsów wizualizacji i monitoringu procesów produkcyjnych.
W tym czasie pojawiły się pewne problemy sprzętowe w interfejsach ProView HMI. Na przykład bardzo kosztowna okazała się wymiana zepsutej klawiatury, która musiała być dostarczona do serwisu zlokalizowanego na zachodnim wybrzeżu USA. Ponadto do Robertsona dotarły informacje, że wkrótce interfejsy ProView HMI nie będą dalej produkowane. Zrodziło to między innymi obawy dotyczące przyszłych możliwości serwisowania urządzeń. 
– Wówczas podjąłem decyzję o ostatecznej rezygnacji z produktów firmy Provox – wspomina Jim Robertson. – Głównym elementem nowej strategii było też przejście na jednolity interfejs użytkownika dla wszystkich linii produkcyjnych. Tak, aby uniknąć ich dublowania. W tamtym momencie mieliśmy w zakładzie dwa systemy: Apacs+ i ProView HMI. Ten drugi stawał się powoli przestarzały, dlatego też byliśmy zmuszeni przeprowadzić radykalne zmiany.
Jednolity interfejs dla wszystkich linii produkcyjnych
W 2002 r. rozpoczęto działania zmierzające do opracowania jednolitego interfejsu HMI dla sterowników pracujących w standardach Apacs i Provox. Zespół inżynierów z zakładów Lanxess, przy współpracy z grupą AE Solutions, podjął prace rozwojowe nad stworzeniem redundantnych serwerów OPC, które zbierałyby dane z systemu Provox Hiway. Dane te były następnie przekazywane do maszyn klienckich z platformami systemowymi Microsoft Windows i uruchomionymi aplikacjami interfejsu HMI.
Dzięki połączeniu olbrzymiego doświadczenia zespołu Robertsona w zakresie programowania i konfiguracji sterowników Provox oraz umiejętności informatycznych i graficznych grupy AE Solutions prace postępowały sprawnie. 

Z doświadczeń zakładów Laxness postanowili skorzystać inżynierowie firmy Siemens, którzy opracowali nowy, rozproszony system sterowania typu Simatic PCS7. Ułatwia on klientom przejście ze starszych do nowszych rozwiązań technologicznych.
Opracowany przez Siemensa system może współpracować z produktami Moore Apacs TI-505 i Bailey Infi90. Podobnie jak produkt Apacs+ system dla sterowników Provox pozwala na pełne korzystanie ze standardu ISA S88 – bez konieczności żadnych zmian sterowników Provox czy rekonfiguracji linii produkcyjnych, na których powstają środki: Vulkacit i Renacit.
– Ze względów finansowych nie mogliśmy sobie pozwolić na wymianę wszystkich sterowników i systemów automatyki – przyznaje Jim Robertson.
Nowy interfejs PCS7 HMI Siemensa został zainstalowany w sierpniu 2006 roku. Takie rozwiązanie pozwoliło na dalsze wykorzystanie sterowników Provox, bez wprowadzania dodatkowych modyfikacji w systemie. Interfejs PCS7 HMI umożliwia nadzorowanie pracy wszystkich sterowników w całym zakładzie zarówno systemu Provox, jak też Apacs+ – zgodnie ze wspomnianym już standardem S88.
Zarządzanie produkcją okresową 
Wprowadzone modyfikacje systemowe spowodowały również przejście na nowy standard S88, dotyczący organizacji produkcji okresowej. Ten propagowany przez Siemensa standard umożliwia sprawniejsze śledzenie procesów produkcyjnych i tym samym poprawę jakości produktów.
Zastosowanie procedur standardu S88 pozwala na sprawną obsługę wielu operacji testowania po kolejnych procedurach obróbki, poprzez redukcję znacznej liczby niezbędnych kodów i oznaczeń. Co więcej, każde zamówienie na konkretny produkt może zostać specjalnie oznakowane, w celu kontroli jakości opakowań, wypracowanych oszczędności energetycznych itp.
Oznaczenia i symbole danych bazujące na danych o konfiguracji sterowników, a generowane automatycznie w systemie PCS7 HMI, zawierają standardowe znaki oraz symbole opracowane i używane w systemie Provox. Na ich podstawie tworzone są wszystkie podstawowe symbole graficzne używane w interfejsie Simatic HMI. Operatorzy oraz inżynierowie zakładów Lanxess dostosowali te symbole do swoich potrzeb i przyzwyczajeń, używając dostępnych standardowo narzędzi graficznych w środowisku PCS7. Dzięki jednolitemu interfejsowi HMI operatorzy mogą na bieżąco monitorować stan procesów produkcji wszystkich produktów, zmieniać receptury i modyfikować parametry szybkości czy jakości produkcji. 
Za całkowite wydatki inwestycyjne w zakładach Lanxess odpowiedzialny jest Robert Durscher. W jego opinii instalacja systemu PCS7 HMI doskonale współgra z propagowaną w firmie filozofią organizacji produkcji Lean Manufacturing. Przede wszystkim koncentruję się ona na usprawnieniu funkcjonowania zakładów już istniejących, nie zaś budowaniu nowych.
– Oszczędności w wydatkach to nasz podstawowy cel, gdyż działamy na bardzo konkurencyjnym światowym rynku – podkreśla Robert Durscher. – Zastosowany system interfejsowy HMI jest bardzo elastyczny, dzięki czemu możemy wprowadzać zmiany parametrów produkcji bez konieczności jej przerywania. Możliwe jest także rozłożenie w czasie dodatkowych wydatków, które są niezbędne przy tego typu operacjach. 
Jedną z korzyści związanych z integracją systemów Apacs+ i Provox, komunikujących się poprzez wspólny interfejsSiemens HMI, jest stworzenie jednolitego systemu monitorowania i zarządzania alarmami, akwizycji danych o stanie poszczególnych urządzeń i ich graficzna wizualizacja na jednym panelu LCD. Obecnie wszystkie interfejsy użytkownika, dla każdej z linii produkcyjnych, są identyczne. W opinii Roberta Durschera w znacznym stopniu ułatwiło to obsługę systemów sterowania i maszyn oraz zwiększyło bezpieczeństwo pracy.
– Operatorzy mogą śledzić każdy etap przebiegu procesów produkcyjnych na jednym panelu wizualizacyjnym – wyjaśnia Durscher. – Obecnie mają wgląd do każdej linii produkcyjnej wraz z jej opisem parametrycznym, pozwalającym na stworzenie graficznego obrazu przebiegu procesu produkcji. Dawniej mogli tylko zarządzać procesem poprzez krótkie komunikaty wyświetlane na dole ekranu, gdzie również dostawali informacje o tym, co aktualnie dzieje się na linii.
Tańsza konfiguracja  
Kent Wolcott, programista systemów sterowania w zakładach Lanxess wiele godzin spędził z operatorami pracującymi na liniach produkcyjnych. Dla niego największą korzyścią wynikającą z wdrożenia nowego interfejsu HMI jest prostota implementacji na poziomie paneli operatorskich, z niewielkimi tylko zmianami parametrycznymi.
– Opracowaliśmy strukturę obsługi standardowych baz danych, korzystając z narzędzi otrzymanych przy przechodzeniu na nowy standard interfejsu HMI – stwierdza Wolcott. – Siemens opracował specjalizowane pakiety, które automatycznie mapują dane i komendy sterowników Provox oraz konwertują je do postaci zrozumiałej dla standardu Simatic Siemens. Nie musieliśmy tworzyć dodatkowych skryptów programowych. 
Oprogramowanie graficznego interfejsu systemowego podzielono na sekcje. W ten sposób operatorzy otrzymali jednolite środowisko pracy przy zarządzaniu, monitorowaniu i sterowaniu procesami. Analizy danych i rozwiązywanie ewentualnych problemów realizowane są poprzez specjalne grupy funkcyjne, zawarte w tych narzędziach programowych.  
– Kiedy po raz pierwszy w naszym zakładzie tworzyłem interfejsy HMI dla systemów rozproszonych, konieczne było opracowanie oddzielnego okna wizualizacji dla wszystkich opisów i komunikatów – podkreśla Kent Wolcott. – O ile dobrze pamiętam, było ich około 500. Obecnie narzędzie automatycznej bazy danych, dostarczone wraz z systemem PCS7, umożliwia wejście do wszystkich danych i wiadomości z poziomu jednego, generowanego interfejsu, dla wszystkich systemów rozproszonych. To oczywiście znacznie ułatwia prace z nimi.  
Z kolei Jim Robertson podkreśla, że przejście na system Simatic HMI otwiera przed nim wiele nowych możliwości na przyszłość.
– Naszym następnym priorytetem jest stopniowe wycofanie przestarzałych sterowników – wyjaśnia rozmówca Control Engineering. – W pierwszym etapie będą to oczywiście sterowniki Provox.
Robertson dodaje, że zastosowany interfejs jest bardzo uniwersalny i pozwala na użycie sterowników firmy Siemens, modułów We/Wy działających w standardzie Profibus oraz innych. Jego zdaniem warto przy tym zauważyć, że wszelkie modyfikacje sprzętowe systemu można teraz wykonać bez lub przy ograniczonych czasowo przestojach linii produkcyjnych oraz przy znacznie mniejszych wydatkach celowych.
Ken Keiser, Siemens Energy & Automation  
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie