Modernizować, ?migrować? czy wymienić system automatyki

Przy tylu starzejących się systemach automatyki przemysłowej nie trzeba być geniuszem, by przewidzieć konieczność znaczących zmian w przyszłości. Oto krótki poradnik, jak wybrać najbardziej pragmatyczne i opłacalne finansowo opcje, gdy zmiany staną się konieczne.

Doskonalenie systemów automatyki zarówno w części centralnej (operatora-użytkownika, jak PLC, DCS, HMI), jak i w części obiektowej (napędy, analizatory, przetworniki pomiarów i czujniki) obejmuje dwa rodzaje działań. Niektóre czynności można wykonać w trybie offline, bez przerywania produkcji, podczas gdy inne są wykonywane na obiekcie i wymagają wyłączenia maszyn i urządzeń produkcyjnych. Głównym zadaniem związanym z dwoma rodzajami działalności jest wykonanie czynności opisanych w ramce poniżej.

Czynności realizowane bezpośrednio na obiekcie są przyczyną przestojów i strat produkcyjnych. Rozpatrzmy to na przykładzie zakładu produkcyjnego, w którym wymiana starego systemu sterowania na linii produkcyjnej obejmuje 50 operacji i dotyczy 60 napędów, 900 elementów automatyki na obiekcie, łącznie 2 000 sygnałów obiektowych we/wy (I/O). W zależności od tego czy sterowanie napędami odbywa się poprzez PLC lub też bezpośrednio w DCS, sam rodzaj sterowania będzie miał wpływ na czas przestoju w około 15%. Przyjmijmy zatem, że w pomieszczeniach I/O znajdują się szafy krosowe i stojaki obsługujące sygnały I/O oraz że nowe kable są prowadzone pomiędzy szafami a stojakami, a także że kable przyłączeniowe zostały już oznaczone przed położeniem (patrz: ?Straty produkcyjne…? wykres pokazujący szczegóły wymiany I/O). Zazwyczaj pomieszczenia ze strukturami I/O są małe, więc zwiększanie liczby ludzi na zmianie bynajmniej nie zwiększa produktywności.

Przyjmijmy więc, że niezbędne prace wykonują na zmianę dwa zespoły po dwóch techników w ciągu dnia. Zazwyczaj dwóch techników jest w stanie wymienić i sprawdzić 15 sygnałów w ciągu 8-godzinnej zmiany. Z prostego wyliczenia wynika więc, że pracochłonność takiej wymiany wyniesie ok. 2100 godzin i będzie trwała ok. 67 dni.

Można by argumentować, że odpowiednie rozplanowanie zadań mogłoby zredukować całkowity czas przestojów do 35 dni, ale to nie uchroninas przed pojawieniem się nieprzewidzianych problemów, typowych przy wymianach starych systemów. W każdym przypadku nawet przestój trwający tylko 35 dni oznacza dla produkcji ciągłej 360 dni w roku straty rzędu 10% rocznej produkcji, plus owe 2 100 godzin pracy (w polskich warunkach średnio po ok. 60 zł/godz., dla USA autor przyjmuje 50 USD ? uwaga red.) nie licząc kosztów samych elementów nowego systemu i prac przygotowawczych.

Jest to wysoki koszt. Nawet w przypadku istnienia kilku ważnych przyczyn przemawiających za wymianą starego systemu na nowy, wynikające z tej wymiany korzyści rzadko uzasadniają poniesione wydatki. Dylemat pomiędzy akceptowaniem strat produkcyjnych a pragnieniem wymiany systemu automatyki utrzymuje się zazwyczaj przez kilka lat, aż do pojawienia się dużego projektu związanego z przebudową, rozbudową czy też modernizacją całej instalacji. Bo dopiero duża praca oznacza przestoje umożliwiające niezbędną modernizację czy też wymianę systemu automatyki.

Konwersja I/O

Zmyślni deweloperzy wpadli na pomysł powiązania nowego systemu automatyki w części centralnej z istniejącymi instalacjami oraz elementami I/O, bez ruszania kabli. Otworzyło to drzwi do tańszych modernizacji, migracji czy też wymiany systemów automatyki, wywołujących minimalne zakłócenia na produkcji.

Schemat ?Konwersji sygnałów I/O? ilustruje koncepcję cyfrowej konwersji obiektowych sygnałów I/O oraz ich zapisywania w rejestrach pamięci. Przychodzące sygnały są konwertowane w równomiernych odstępach czasu na wartości cyfrowe przechowywane w rejestrach pamięci. Wartości te z kolei są przetwarzane w regularnych odstępach czasu przez programy i algorytmy, co w rezultacie daje wartości przechowywane w rejestrach pamięci, które są odsyłane z powrotem, w celu uruchamiania lub też zatrzymywania maszyn i urządzeń, a także monitorowania stanu obiektu i automatyczne sterowanie nim. Dwie główne metody modernizacji do kart I/O polegają na podpinaniu do nich połączeń fizycznych bądź też interfejsu komunikacyjnego.

Połączenia fizyczne. Dwa rodzaje fizycznych I/O można podłączyć do nowego systemu bez zmieniania przyłączy:

Pierwszy to przyłącze kasetowe ? sporządzenie kasety lub też przyłączy krawędziowych, które będą w stanie przyjąć I/O nowych konkurencyjnych kart. Jednak przed wdrożeniem należy wypróbować każdy typ karty (AI, AO, DI, DO oraz impulsowe iDI, iDO) na istniejących pracujących systemach. Trzeba też sprawdzić moc, biegunowość, kodowanie kolorami, przewody zerowe i uziemienie.

Tab. Przebudowa okablowania jest pracochłonna: w razie wymiany układów I/O koszty przestojów i robocizny bywają niebotyczne.

Tab. Jednym z rozwiązań stosowanych podczas modernizacji jest wykonywanie cyfrowej konwersji polowych sygnałów I/O w zamkniętej pętli i przechowywanie wartości w rejestrach pamięci.

Drugi to przyłącze na ramieniu obrotowym ? okablowanie polowe jest przymocowane do ramienia obrotowego, które z kolei jest połączone z kartą elektroniczną. Wymiana karty obejmuje podniesienie ramienia, włożenie nowej karty i ponowne podłączenie ramienia.

Tab. Zastosowanie nadmiarowego interfejsu (ang.: I/O piggyback communication interface) pozwala zredukować koszty i czas przestoju w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Interfejs komunikacyjny. Ten typ podłączania składa się z wejścia w sygnał komunikacyjny karty I/O konkurencji i przekonwertowania informacji do formatu wymaganego przez system nadrzędny (część centralną systemu automatyki).

W obu przypadkach należy w szczególny sposób zadbać o:

• wstępną diagnostykę sprzętu I/O,
• funkcje programowania I/O,
• zasilacze,
• integralność uziemienia (izolacja optyczna).

Jeśli przyłączenia obiektowe pozostają nienaruszone, można zaoszczędzić znaczne kwoty. Tabela ?Porównanie…? pokazuje spektakularne różnice w kosztach oraz czasie przestojów pomiędzy metodami tradycyjnymi, a metodą, w której komunikacja I/O jest oparta na interfejsie komunikacyjnym. [Od redakcji: Do sporządzenia powyższej tabeli zostały przyjęte następujące założenia: czterech techników pracuje przez sześć tygodni za standardowe stawki, sprawdzając konfigurację oprogramowania związanego z 2000 I/O, przedstawionymi w tabeli ?Straty produkcyjne…?, na str. 37].

Unikanie potrzeby rozłączania i ponownego podłączania generuje oszczędności. Ponadto dzisiejsze systemy zawierają pakiety symulacyjne, które pozwalają sprawdzać konfigurację oprogramowania z rejestrów pamięci I/O.

Często samo sprawdzenie fizycznego połączenia elementów I/O kosztuje od 25% do 50% więcej, ponieważ może wymagać tymczasowej zmiany adresów I/O na adresy pośrednie, w celu wykonania symulacji, a następnie po wykonaniu symulacji powrotu do adresów początkowych.

Na raz czy etapami

W opisanym przykładzie wymiana systemu była wykonywana podczas trzydziestoparodniowego postoju. Taka wymiana całego systemu podczas jednego zatrzymania to duże wyzwanie, które nie zawsze jest praktyczne, a czasem wręcz niemożliwe do zrealizowania. Powodzenie realizacji zależy od złożoności samego procesu, od dobrego zarządzania projektem, od dostępności personelu do planowania i realizacji, od doświadczenia personelu, wsparcia inżynieryjnego, rygorystycznego planowania oraz konieczności zwrócenia uwagi na bezpieczeństwo i jak najszybsze wznowienie produkcji.

Jeśli wykonanie wymiany systemu w ciągu jednego postoju jest nierealistyczne, trzeba to zrobić etapami ? korzystając z regularnych, krótkich przestojów w produkcji.

W takim przypadku linię produkcyjną należy podzielić na sekcje, które zazwyczaj są wyznaczaneprzez zbiorniki lub obszary składowania. Generalnie bowiem pomiędzy sekcjami przechodzi mniej informacji sterujących. Minimalizuje to ilość krytycznych elementów synchronizacji procesów i sygnałów, które trzeba podłączyć pomiędzy starym i nowym systemem podczas przejścia. Ponadto kiedy zaczynają się nieuniknione wyzwania związane z rozruchem, podział na wyznaczone obszary daje więcej czasu na rozwiązywanie problemów.

Takie podejście zajmuje więcej czasu kalendarzowego i zajmuje więcej godzin pracy. Konieczna jest aktualizacja istniejącej dokumentacji. Przed podłączeniem każdej sekcji niezbędne jest podpięcie sygnałów, co często wywołuje zwarcia czy problemy z uziemieniem, a to z kolei może powodować przerwy w produkcji. Współistnienie dwóch systemów trwa kilka tygodni i jest trudne dla operatorów, którzy w tym okresie potrzebują pomocy przez 24 godziny na dobę.

Wybory

Niezależne od tego, co jest przyczyną doskonalenia, wybór zakresu i metody zależy od dwóch czynników: na jak długi czas przestoju pozwala budżet, jaki jest ten budżet ? duży czy skromny?

Odpowiedź na te pytania pozwoli określić właściwy sposób postępowania, jeden z trzech poniższych.

Zakup nowego, bądź wymiana. Zainstalowanie nowego systemu sterowania jest zawsze lepsze. Algorytmy regulacji PID są dobrze zaprojektowane, strategie sterowania i obsługi są zrozumiałe, a schematy logiki blokowej i pętli regulacyjnych są przejrzyste. Integracja z innymi systemami firmy jest łatwa i daje większe korzyści. Wymiana systemu automatyki, będąca częścią większego projektu, daje zazwyczaj wystarczająco dużo czasu na realizację pracy. Ponadto wymianę istniejącego systemu lub zastąpienie go nowym zaleca się, kiedy istniejący system jest połatany ?domowymi? rozwiązaniami, których często nie da się naprawić oraz kiedy brakuje właściwej dokumentacji.

Jeśli budżet jest mały, a czasu brakuje, wtedy doskonałymi rozwiązaniami są modernizacje lub migracje.

Modernizacja to zachowanie tych samych elementów i połączeń I/O. Zazwyczaj towarzyszy mu pozostanie przy tym samym dostawcy i zamiana części centralnej systemu na jego najnowszą wersję przy zachowaniu tej samej architektury. Dostawcy często nawet subsydiują tego typu rozwiązania. Pozostanie przy tym samym dostawcy do dobra decyzja biznesowa, pozwalająca na wymianę starego systemu na nową, korzystniejszą wersję.

Nowa wersja systemu jest zazwyczaj wyposażona w narzędzia pozwalające na przełożenie istniejącej konfiguracji oraz na konwersję istniejących stron graficznych. Jest to tańsze rozwiązanie. Trzeba jednak uważać, ponieważ niektóre konwertery jedynie emulują stare.

Zmiany zazwyczaj wiążą się ze zwiększoną ilością elementów I/O, dlatego i tak pozostaje wiele pracy do wykonania.

Modernizacje, choć mile widziane i przydatne, wiążą się jednak z pewnymi trudnościami. Przez kilka tygodni mogą pojawiać się nieprzewidziane zachowania systemu, takie jak przerwy w działaniu pewnych funkcji, błędne raporty automatyczne czy zatrzymania produkcji.

Migracja to wykorzystanie istniejących instalacji i elementów I/O w polu i przejście na nową architekturę części centralnej (od tego samego lub też nowego dostawcy).

Decyzja o migracji jest zazwyczaj motywowana następującymi czynnikami:

• niezadowoleniem z obecnego dostawcy,
• troską o kondycję dostawcy,
• potrzebą wdrożenia zaawansowanych opcji,
• wdrożeniem systemu zarządzania informacjami (na przykład: zarządzanie zasobami, MES, LIMS),
• nową magistralą obiektową (fieldbus),
• zaawansowanym sterowaniem,
• dokumentowaniem i archiwowaniem: przebiegu pracy, wydajności, produktywności,
• zarządzaniem stanami magazynowymi oraz wizualizacją i dokumentowaniem zdarzeń: położeń zaworów, modyfikacji, zakłóceń, trendów, pracy konfiguratorów generujących rysunki pętli regulacyjnych a także integracją danych.

Migracja do nowej architektury stanowi wyzwanie, ponieważ różni sprzedawcy oferują nie tylko różne architektury, ale również odmienne funkcje. Nawet przy zastosowaniu automatycznych programów konwertujących trzeba dobrze zapoznać się z funkcjami, a być może nawet przerobić niektóre z nich. (Patrz: Informacje zawarte w wersji tego artykułu umieszczonej w sieci, a dotyczące programowania, stanowiącego cześć migracji, pomimo obecności konwerterów).

Uwaga: Zmiany te przy ograniczonym czasie należy wykonywać etapami, podczas przerw produkcyjnych przeznaczonych na konserwację. Takie rozwiązanie obejmuje równoczesne funkcjonowanie starych i nowych systemów, zazwyczaj trwa kilka miesięcy i w znacznym stopniu obciąża pracowników

Modernizacja czy wymiana? Odpowiedź zależy od stanu istniejącego systemu, dostępnego czasu i budżetu

Każda migracja czy modernizacja stanowi również możliwość ujednolicenia procesu i modyfikacji procedur. W większości przypadków stary tok pracy można udoskonalić poprzez zastosowanie dzisiejszej wiedzy i nowoczesnych metod.

?Tabela decyzji? stanowi przewodnik pomagający wybrać sposób postępowania w sytuacji
udoskonalania systemu sterowania. Czynniki stanowiące o rodzaju podejmowanej decyzji to: stan istniejącego systemu, czas, jaki można poświęcić na zmianę oraz budżet.

Niezależnie od podjętej decyzji system automatyki będzie decydował o przebiegu produkcji przez następne lata. Dlatego trzeba do tego zagadnienia podejść z należną rozwagą. Trzeba konsekwentnie realizować zadania, planować z wyprzedzeniem oraz pisać rygorystyczne specyfikacje. Należy przeglądać istniejącą dokumentację i aktualizować ją na bieżąco. Bez wahania trzeba skorzystać z rad ekspertów.

David St-Onge ma ponad 25 lat praktycznego doświadczenia w zakresie produkcji, automatyki oraz sterowania procesami przemysłowymi. Obecnie jest szefem działu zarządzania projektami w firmie Boyle Outsourcing Inc., której siedziba główna mieści się w Montrealu w Kanadzie.

<//em>