Modernizacja systemu sterowania

Na ubiegłorocznym spotkaniu grupy dostawców sprzętu jeden z prelegentów przytoczył interesującą statystykę. Stwierdził, że 50% platform DCS (distributed control system) wykorzystywanych dziś w przemyśle ma przynajmniej 20 lat. Mając to na uwadze, nietrudno zrozumieć, dlaczego modernizacje takich systemów postrzegane są jako odpowiedź na rosnące wymagania dotyczące konkurencyjności i zmniejszania kosztów. Czy zatem wymiana systemu sterowania, który ma więcej niż 20 lat, jest niezbędna? W opinii Control Engineering Polska nie bardziej niż sprzedaż samochodu z 1987 roku. Starzejący się DCS może znakomicie regulować proces, ale – tak, jak stary samochód – wymaga coraz częstszych napraw i z pewnością brakuje mu wielu nowych funkcjonalności.
Nawet jeśli uznamy nowe możliwości za niezbyt ważne, zaczynamy dostrzegać trudności w zdobyciu części zamiennych.Z czasem rośnie również koszt utrzymania systemu.
Generalnie wyróżniamy dwa główne powody modernizacji systemów sterowania: starzenie oraz potrzeba większej funkcjonalności. Pierwszym i jednocześnie najsilniejszym powodem pchającym ku zmianom jest starzenie się sprzętu. Kiedy platforma zaczyna zawodzić, a producent nie oferuje już dla niej wsparcia, ryzyko pozostawienia jej w niezmienionym stanie staje się zbyt duże. Zdobycie podzespołów na ewentualną wymianę okazuje się coraz bardziej problematyczne. Użytkownik bywa skazany na łaskę firm zajmujących się recyklingiem lub internetowe portale aukcyjne. Jeśli jakiś podzespół ulegnie awarii i nie ma dla niego zamienników, może to oznaczać zatrzymanie całego procesu produkcyjnego.    
Starość i funkcjonalność
W efekcie niektórzy menadżerowie w fabrykach mają twardy orzech do zgryzienia.
– Samo starzenie się konfiguracji nie jest wystarczającym uzasadnieniem biznesowym – mówi Mike Vernak, menadżer ds. migracji w systemach DCS w Rockwell Automation.
– Inżynierowie procesowi wciąż słyszą od menadżerów, że jeśli system pracuje i nie ma żadnych przestojów, trudno ocenić nakłady inwestycyjne konieczne do przeprowadzenia optymalnej modernizacji.  
Zawodna praca jest najbardziej oczywistą kwestią. Mniej mówi się natomiast o kilku innych niuansach. Jednym z nich jest… erozja wiedzy.
– Przedsiębiorstwa mają problemy z przeprowadzaniem technicznych ekspertyz dla 20-25-letnich systemów – kontynuuje Vernak. – Zwłaszcza producenci OEM nie dysponują takimi ekspertyzami, chociażby z powodu odejścia na emeryturę osób, które tworzyły starsze konfiguracje. Młodzież, która trafia do zakładu po studiach w wieku 20-stu kilku lat, nie ma żadnej wiedzy o tych systemach. Często słyszę od nich, że ten system jest starszy niż oni. Nic dziwnego, że nie mają zielonego pojęcia, jak pracować z takimi urządzeniami.
Przedstawiciel Rockwell Automation dodaje, że wie o przedsiębiorstwach, które mają całkowicie inne systemy DCS i PLC w jednej fabryce.
– Nie jestem w stanie sobie nawet wyobrazić, ile każdego roku kosztuje utrzymanie gromadki ludzi na potrzeby kilku systemów sterowania – podsumowuje rozmówca Control Engineering.
Drugim powodem zmian jest funkcjonalność. Przy czym platforma wcale nie musi być aż taka stara, aby brakowało w niej specyficznych funkcji, które mogą być bardzo użyteczne. Na przykład system, który nie ma We/Wy kompatybilnych z protokołem diagnostycznym HART, nie będzie najprawdopodobniej wspierał programów zarządzających kapitałem firmy. Inny potencjalny problem to brak możliwości integracji z nowymi systemami zarządzania przedsiębiorstwem.
John Murray, globalny menadżer ds. rozwoju systemów sterowania w ABB mówi, że jego firma przeprowadziła badania, które miały na celu sprawdzenie, co motywuje przedsiębiorstwa do modernizacji platform sterowania.
– Zaskoczyło nas, że bardzo znaczący odsetek respondentów, ponad 50%, jako powód zmian wskazało poprawę pracy operatorów – mówi Murray. – Widzimy, że ludzie coraz częściej postrzegają migrację konfiguracji jako krok naprzód w rozwoju ich przedsiębiorstwa. Rozwiązania takie, jak: zarządzanie kapitałem, informacją oraz danymi procesowymi, mogą, poprawnie używane, naprawdę podnieść konkurencyjność firmy. To, co nazywamy tradycyjnym systemem sterowania, musi zostać wyposażone w te możliwości.
Mike Vernak zgadza się z tą oceną i dodaje, że większość klientów zmienia system nie ze względu na jego wiek, ale dlatego że nie spełnia on już określonych i wciąż zwiększających się wymagań. Niekoniecznie ma to oznaczać, że system nie jest w stanie sterować procesem. Chodzi o to, że użytkownicy nie są w stanie uzyskać z systemu danych, które pomogłyby im w podejmowaniu lepszych decyzji. Przykładowo, stare systemy nie współpracują z nowoczesnymi systemami IT, które zawierają rozbudowane wykresy trendów itp.
Starsze systemy były projektowane do pracy w odseparowanym układzie, więc cyberbezpieczeństwo zapewnione jest często jedynie w elementarny sposób lub wcale.
– Wiele ludzi błędnie twierdzi, że wiekowe systemy są bezpieczne, dlatego że… są wiekowe – mówi Ken Keiser, menadżer ds. marketingu w Siemensie. – Kiedy system był instalowany pierwszy raz, rzeczywiście mógł być całkowicie odizolowany od potencjalnych źródeł ataku. Jednak wraz z upływem czasu ktoś mógł zainstalować gdzieś nowoczesną linię albo połączenie z tymczasowym histogramem. Z kolei ten histogram mógł być udostępniany w późniejszym czasie w Internecie. Po dwudziestu latach często nie jesteśmy w stanie określić, czy i jak coś jest podłączone do sieci.
Określanie potrzeb  
Pierwszym krokiem w ramach projektu modernizacji jest określenie potrzeb w możliwie najdokładniejszy sposób. Niektóre odpowiedzi mogą być bardzo oczywiste. Inne, równie ważne, mogą wymagać większego zastanowienia lub przeprowadzenia testów. Czasem kurczowe trzymanie się starego systemu może doprowadzić do niewiedzy na temat postępu technologicznego. W rezultacie możemy po prostu nie wpaść na to, aby zapytać o pewne funkcjonalności, gdyż nie zdajemy sobie nawet sprawy, że takie istnieją.  
– Wszyscy chcą zwiększać zysk, dlatego musimy aktywnie współpracować z klientami, aby określić, w jaki sposób chcą go osiągnąć – mówi John Murray. – Im klient lepiej rozumie, jaki problem chce rozwiązać, tym lepszy sposób będziemy w stanie mu zaproponować. Niezależnie od tego, czy to jest nowa funkcja, nowa możliwość, czy po prostu zwiększenie liczby sterowników, użytkownicy muszą dokładnie wiedzieć, jakie to będą ulepszenia. Dopiero wtedy będą w stanie określić, czy wydatki, jakie będą musieli ponieść, przyniosą korzyści oraz redukcję kosztów. Taka analiza jest niezwykle istotna w planowaniu wydatków.
Żaden plan nie jest kompletny bez uzasadnienia finansowego. Niektóre sytuacje będą oczywiste. Nie powinno sprawić trudności przekonanie działu zarządzania o konieczności wymiany starego systemu, którego awaria jest kwestią krótkiego czasu, a naprawa jest niemożliwa. Zwłaszcza jeśli awaria ta doprowadzi do wstrzymania produkcji. Trudno może być jednak przekonać osoby decyzyjne o tym, że awaria jest tuż, tuż.
Marjorie Ochsner, menadżer ds. migracji w systemach DCS w Honeywell Process Solutions przestawia kilka pytań, które warto sobie zadać już na wczesnym etapie rozmów na temat wymiany systemu:  

  • Jakich oczekujemy korzyści w wyniku unowocześnienia?
  • Ile kosztuje nieplanowany postój?
  • Jaki jest koszt utrzymania starego systemu?
  • Jak dużo płacimy za części zamienne?
  • Jaki jest koszt trudności ze znalezieniem części zamiennych?  

Kolejne pytania dotyczą pozytywnych aspektów przedsięwzięcia:

  • Jakie są dodatkowe korzyści z zastosowania nowego systemu oraz powiązanej z nim lepszej i wydajnej pracy operatora?
  • Czy nowy system ma jakieś zaawansowane strategie sterowania, które możemy zastosować?
  • Czy jakąś wartość stanowi możliwość zastosowania protokołu HART?

Zmiana tak, ale jaka?
Platformy sterowania modernizowane są w różny sposób: od małych sukcesywnych zmian do dużych projektów, w czasie których wymienia się cały sprzęt. Zwykle im starszy system, tym bardziej drastyczna zmiana.

Starsze platformy były bardziej zintegrowane i nie miały otwartej architektury, co utrudnia wymianę tylko jednej z części systemu. Nowszym podejściem jest tendencja do tworzenia rozwiązań modułowych, które pozwalają na późniejszą rozbudowę. Przedsiębiorstwa coraz częściej rozbudowują warstwę HMI. I nie chodzi tu tylko o grafikę. HMI jest głównym kanałem przesyłania informacji z warstwy sprzętowej do warstw wyższych. Zapewnia im odpowiedni interfejs oraz mechanizmy zaawansowanej kontroli.
– HMI jest komponentem systemów DCS, który starzeje się najszybciej ze względu na wewnętrzne i zewnętrzne czynniki – mówi przedstawiciel Siemensa. – Klienci przychodzą do nas, ponieważ mają specyficzny problem z systemem sterowania. To może być kłopot ze sterownikiem. Jednak bardziej prawdopodobne, że jest to problem z przedstawianiem danych, więc jest to tak naprawdę kwestia HMI.
Keiser twierdzi, że wymiana HMI nie jest aż tak trudna i kosztowna. Dlatego może to być relatywnie dość prosty, pierwszy krok w migracji do nowego systemu.
– Obraz z systemu jest nowy i masz wrażenie, że system jest nowy, ale pod spodem znajduje się to samo wyposażenie – podkreśla rozmówca Control Engineering. – Sam proces nie zmienił się, dlatego wyposażenie, wiedza i know-how pozostaje takie samo.
W niektórych przypadkach modernizacja może obejmować nowy system od tego samego dostawcy. Oczywiście zakładając, że firma ta ciągle istnieje. W innych sytuacjach może to być bardziej drastyczne działanie, które wynika z całkowitej zmiany platformy.
– Jeśli osiągnąłeś punkt, w którym system nie jest w stanie spełnić twoich potrzeb finansowych, bardziej radykalne rozwiązanie może być jedynym rozwiązaniem – mówi Mark Bitto, główny menadżer ds. ewolucji systemów sterowania w ABB. – Jednak nawet wtedy powinieneś szukać sposobów na zmniejszenie wydatków. Zadaj sobie pytania: Czy mogę pozostawić okablowanie? Czy mogę zostawić gniazda w tym samym miejscu? Jakie koszty mogę wyeliminować, niezależnie od rozwiązania, jakie przyjmę?
Wymiana całego systemu jest dramatycznym przeżyciem pod wieloma względami. Dlatego przedsiębiorstwa nie powinny podchodzić do niej zbyt lekkomyślnie.
– Powinien istnieć jakiś naprawdę poważny powód, dla którego kupujący nie chcą podążać ścieżką stopniowego unowocześniania – mówi Ken Keiser. – W niektórych przypadkach wydaje mi się, że klient myślał nad stopniową modernizacją, ale im bardziej się przyglądał, tym bardziej zdawał sobie sprawę, że trzeba wykonać duży krok. Mniejsze firmy mogą sobie na to pozwolić. Ogromne chemiczne kompanie raczej nie, gdyż preferują rozwiązania mało ryzykowne.
Nie ma czasu na bezczynność
Trzeba zauważyć, że zakres zmian może być ograniczony przez wymagania produkcyjne. Projekty całkowitej wymiany sprzętu nierozłącznie powiązane są z pewnymi przestojami, planowanymi lub nie. Zmiany stopniowe mogą zredukować to ryzyko.
– Zatrzymanie procesu jest często bardziej kosztowne, niż utrzymywanie go w ruchu przy jednoczesnym prowadzeniu modernizacji – sugeruje Oschsner. – Wymienia się wówczas sterownik po sterowniku, przygotowując w tym samym czasie podstawy nowej sieci i innych elementów. W efekcie ewentualne przestoje są zwykle bardzo krótkie. Bezproblemowa kolejność wymiany urządzeń to najpierw HMI, później sieć, a następnie sterowniki.
Graham Bennett, konsultant w sprawach dotyczących migracji systemów w Invensys Process Systems był zaangażowany w wiele projektów i sugeruje, aby ponosić odpowiedzialność razem z klientem.
– Standardowa procedura polega na sporządzeniu kompletnej listy czynności – mówi Bennett. – Stanowi ona spis czynności koniecznych do przeprowadzenia na początku modernizacji, na etapie właściwej modernizacji i po jej zakończeniu. Każdy ma przydzielone zadania i tego się trzymamy. Konieczne jest między innymi potwierdzenie funkcjonalności protokołów od zewnętrznych dostawców.
Ostateczny rezultat dobrze zaplanowanego i przeprowadzonego projektu modernizacji może być znakomity. Możliwe są usprawnienia sterowania, zbierania danych, interfejsu operatora, gospodarki surowcami, jakości produktów i wielu innych. Większość z nich zależy jednak od gruntownej wiedzy o procesie połączonej z efektywną analizą i planowaniem.
Peter Welander

Artykuł pod redakcją
inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta
w Instytucie Automatyki Przemysłowej
Wydziału Elektrycznego
Zachodniopomorskiego
Uniwersytetu Technologicznego

Łączenie różnych systemów
Teck Cominco jest dużą kompanią górniczo-metalurgiczno-chemiczną z Kanady. Trail, jej oddział w Kolumbii Brytyjskiej, ma jeden z największych na świecie, w pełni zintegrowanych kompleksów hut cynku i ołowiu, rafinacji oraz zapory i systemu transmisyjnego. Metalurgiczny oddział Trail produkuje rafinowany cynk i ołów wraz z innymi specjalnymi metalami, chemikaliami i produktami nawozowymi. Zapora zapewnia energię dla fabryki, lokalnych odbiorców oraz Stanów Zjednoczonych. Rob Zwick jest kierownikiem działu sterowania procesem i został zaangażowany we wdrożenie nowej wspólnej platformy w całej fabryce. Zgodnie z jego opisem zakład ma pięć głównych obiektów. Każdy z nich oparty jest na jednej z platform: ABB, Fisher Provox, Honeywell TDC 2000, Foxboro oraz PLC/Wonderware.
– Jedną z rzeczy, nad którą pracujemy, jest wykorzystanie Foxboro (system sterowania serii I/A od Invensys Process Systems – przyp. red.) jako wspólnej platformy – mówi Rob Zwick. – Udało nam się zrezygnować z platformy Honeywell. Jesteśmy w trakcie migracji z Fisher Provox i na koniec tego roku system Foxboro będzie obsługiwał 75% naszych We/Wy. Wszystkie nasze obiekty przechodzą na identyczną platformę Foxboro. Zarówno w sferze sprzętowej, jak też programowej.
Głównym powodem zmian były problemy ze szkoleniami. Dodatkową zachętę stanowiły kłopoty z dostępnością części dla starszych platform. Przedsiębiorstwo nie może ryzykować wystąpienia niezaplanowanego przestoju. Oczywiście konieczność przeprowadzania modernizacji bez zakłócania produkcji nie ułatwiała modernizacji.
– Nasz koncern pracuje w trybie 24 godzin na dobę przez siedem dni w tygodniu – mówi Zwick. – Dodatkowo wszystkie zakłady są nierozerwalniepołączone, więc bardzo dokładnie musimy uzgadniać przestoje pomiędzy zakładami. Każdego miesiąca na kilka godzin produkcja staje, aby można było przeprowadzić okresowe czynności. Wykorzystujemy te przerwy na prace modernizacyjne.
Dla Zwicka i jego kolegów to już czwarta migracja systemu. W czasie dotychczasowych prac doszli oni do ciekawych wniosków.
– Biorąc pod uwagę platformy, z którymi miałem do czynienia, funkcjonalność staje się naprawdę trudna do rozróżnienia – tłumaczy przedstawiciel Trail. – A zatem uzasadnienie technicznych zalet jednego systemu DCS względem drugiego jest coraz trudniejsze.
Zwick podkreśla, że akurat Foxboro – w przeciwieństwie do innych – ma w Kanadzie dobrze rozwiniętą bazę dla przemysłu górniczego i metalurgicznego. Inni radzą sobie lepiej z przemysłem rafineryjnym i gazowym. Jego zdaniem różnice wynikają z przesłanek historycznych, nie zaś jakichkolwiek przewag technologicznych na rzecz konkretnego sektora przemysłowego.
Dużym ułatwieniem w modernizacji były specjalne karty Foxboro I/O zapewniające interfejs między starym a nowym systemem. Jak opisuje Graham Bennett, konsultant ds. migracji w Invensys Process Systems, udało się utrzymać wszystkie okablowania sieci rozproszonych – łącznie z tymi w szafach sterowniczych oraz między szafami a starymi systemami I/O. Rozłączono jedynie gniazda zastępując wejścia jeden do jednego nowymi kartami, które pasowały do oryginalnych slotów starego sprzętu.
– Dzięki dopasowaniu na zasadzie jeden do jednego nie było potrzeby zmiany konfiguracji – mówi Bennett. – Każdy punkt I/O z sieci rozproszonej pokrywa się z oryginalnym układem karty.
Teraz Zwick przygotowuje się do następnego ważnego kroku. Jego zespół musi podczas dwunastogodzinnej przerwy w produkcji zająć się 4 000 punktów I/O. Opóźnienia nie wchodzą w rachubę, gdyżprzestój fabryki kosztuje w tym przypadku 100 000 USD za godzinę…

Historia Utilities: dobór właściwego urządzenia

Colorado Springs Utilities jest przedsiębiorstwem komunalnym, które dostarcza energię elektryczną, gaz, wodę oraz odbiera ścieki z domów i firm. Dział energii elektrycznej stanowi mała grupa elektrowni węglowych, kilku elektrowni wodnych oraz elektrownia gazowa. Dodatkowo przedsiębiorstwo obsługuje elektrownię George Birdsall o mocy 54 MW, która zaopatrzona jest w kocioł ogrzewany gazem. Zapewnia on 12-godzinną pracę awaryjną oraz akumulację nadmiaru energii.
Elektrownia Bridsall została zbudowana w połowie lat 50-ych i wciąż ma oryginalny kocioł oraz turbinę. W rezultacie nie zapewnia wydajności takiej, jak nowsze elektrownie. W efekcie nie jest traktowana jako podstawowe źródło energii w regionie. Jednakże wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na energię udział elektrowni w lokalnej produkcji rośnie z każdym rokiem.
Brent Richardson jest kierownikiem zakładu i ostatnio przeprowadził modernizację systemu sterowania. Elektrownia pracowała na systemie RS3 DCS od około 1991 roku. Richards zdecydował się na poszukiwanie alternatywy, kiedy doszły do niego słuchy, że producent stopniowo kończy wsparcie dla tego systemu. Ponieważ Bridsall nie jest bardzo dużym obiektem, wyposażonym w mniej niż 150 punktów I/O i prostą strategią sterowania, Richardson wraz z zespołem postanowił rozważyć wiele opcji.
– Znaliśmy i docenialiśmy pracę z DCS za jego możliwości i prędkość – mówi Richardson. – Na samym początku nastawiliśmy się na poszukiwania platformy DCS, w tym DeltaV. Nasza elektrownia Ray Nixon ma system ABB, więc rozważaliśmy właśnie tę opcję. Mieliśmy też na uwadze nasz dział wodociągowy, w którym cały proces opiera się na systemach ControlLogix PLC marki Allen-Bradley. Jak tylko spojrzeliśmy na osiągi i prędkość nowego systemu opartego na PLC, zauważyliśmy, że jest on około dziesięciokrotnie szybszy, niż wymaga tego obecne sterowanie.
Wygrałpomysł współdzielenia tego samego systemu co dział wodociągowy. Tym bardziej, że w ciągu czterech lat miała nastąpić współpraca z budowanymi właśnie elektrowniami wodnymi.
– Chcieliśmy mieć system, który mógł sterować grupą elektrowni włącznie z elektrowniami wodnymi – mówi Richardson. – System PLC dał nam to, czego potrzebowaliśmy i będzie integrował się z wszystkimi innymi zakładami. Od razu po zamontowaniu swojego systemu uzyskałem możliwości współpracy z działem wodociągowym. Mogę używać ich zasobów, łącznie z pięcioma lub sześcioma technikami, a nawet częściami zapasowymi. Nie utknę już na platformie, którą pozostawiono samą sobie.