Najlepsze praktyki projektowe: jak osiągnąć udaną modernizację zakładu i jak właściwie przygotować się do projektu.
– Migracja systemów oprzyrządowania i sterowania (I&CS) jest złożona, a wiele firm odkłada ją o lata dłużej niż powinny. Migracja i modernizacja mogą przynieść korzyści operacyjne wykraczające poza unikanie nieplanowanych przestojów.
– Najlepsze praktyki obejmują korzystanie z nowego oprogramowania i technologii, które mogą pomóc w zaplanowaniu i przeprowadzeniu migracji z mniejszym ryzykiem.
Dobrze zaplanowany projekt modernizacji systemu oprzyrządowania i sterowania (I&CS), nawet migracja systemu na dużą skalę, może przechodzić od fazy do fazy na czas i w ramach budżetu, co skutkuje znacznymi usprawnieniami operacyjnymi. Nowe narzędzia ułatwiają migrację przy niższych kosztach. Inteligentne, konfigurowalne programowo wejścia/wyjścia można łączyć ze standardowymi, inteligentnymi skrzynkami przyłączeniowymi, co pozwala ograniczyć opracowywanie dokumentacji o 80% i projektowanie okablowania o 90%.
Trzy wskazówki dotyczące oprzyrządowania i systemów sterowania: aktualizacje, migracje, wymiany
Wyzwaniem związanym z projektem modernizacji zakładu w porównaniu z projektem typu brownfield lub greenfield jest to, że kolejność budowy musi być bardzo ściśle kontrolowana. W większości przypadków projekt “ponownego oprzyrządowania” musi działać w ramach ograniczonego okna wyłączenia. Ponowne oprzyrządowanie może odnosić się do wymiany tylko przyrządów terenowych lub całego systemu I&CS. W przeciwieństwie do projektu oddolnego o większej elastyczności, projekt ponownego oprzyrządowania musi również uwzględniać budowę w działającym zakładzie ze wszystkimi związanymi z tym zagrożeniami i ograniczeniami.
Trzy typowe scenariusze modernizacji to stopniowa modernizacja, migracja systemu konkurencyjnego i wymiana oprzyrządowania w terenie.
1. Modernizacja zakładu krok po kroku
W przeciwieństwie do pełnej modernizacji systemu, modernizacja krok po kroku odnosi się do modernizacji bazy komponentów. Na przykład stacje interfejsu człowiek-maszyna (HMI) są modernizowane jedna po drugiej bez zatrzymywania sterowników. Innym przykładem jest wymiana jednego sterownika, który nadzoruje określony obszar bez zatrzymywania innych sterowników. Największą zaletą stopniowej modernizacji jest zminimalizowanie strat czasu produkcji i ograniczenie ryzyka całkowitego przestoju produkcji. Harmonogram modernizacji można ustalić z uwzględnieniem harmonogramów produkcji i konserwacji oraz budżetu użytkownika końcowego.
Kluczową technologią do osiągnięcia powyższego celu jest zdolność istniejącego sprzętu i oprogramowania systemu sterowania do współpracy z nowym sprzętem i oprogramowaniem. Na przykład, w rozproszonym systemie sterowania (DCS), zmodernizowane ludzkie stacje operatorskie mogą uzyskać dostęp do istniejących starszych sterowników w sposób zgodny z najnowszymi sterownikami. Co więcej, możliwość inżynierii i monitorowania online jest zachowana, nawet jeśli sterowniki polowe i inne stacje HMI działają ze starszymi wersjami oprogramowania. Dostawcy DCS nazywają to kompatybilnością progresywną.
Podczas korzystania z metody aktualizacji krok po kroku w systemach, które mają osiem lub więcej fizycznych stacji roboczych i serwerów, należy rozważyć wirtualizację tych zasobów komputerowych. Technologia wirtualizacji zmniejsza liczbę fizycznych stacji roboczych i serwerów, hostując je na serwerach wirtualizacji. Wirtualizacja przynosi korzyści, takie jak mniejsza ilość zajmowanego sprzętu, niższe koszty energii, uproszczenie zarządzania systemami, niższy całkowity koszt posiadania, lepsza dostępność systemu i szybkie odzyskiwanie danych po awarii.
Obecnie większość sprzętu DCS i powiązanych komponentów, takich jak systemy historyczne, systemy zarządzania zasobami i serwery OPC, można uaktualnić do środowiska zwirtualizowanego.
Na przykład system DCS można zwirtualizować przy użyciu klastrów wysokiej dostępności, które zapewniają takie korzyści, jak redundancja z automatycznym przełączaniem awaryjnym, możliwości migracji na żywo dla maszyn wirtualnych, zwiększone bezpieczeństwo, dedykowana pamięć masowa i szybkie odzyskiwanie po awarii.
2. Migracja z systemu sterowania innej marki
Większość dostawców DCS i wielu integratorów systemów opracowało kompleksowe strategie migracji systemów konkurencji. Konsultacyjny “proces migracji o wartości dodanej” to podejście wielofazowe. Oprócz procesu migracji systemu, obejmuje on studium wykonalności i badanie lokalizacji z analizą luk, identyfikuje wąskie gardła, proponuje praktyczne środki zaradcze i szacuje wynikającą z tego poprawę zysków i zwrot z inwestycji (ROI) dzięki zastosowaniu zastępczych systemów i rozwiązań. Specjaliści ds. migracji systemów są zaangażowani we wszystkie fazy tego procesu.
Na przykład, dostępne są opcje migracji umożliwiające zastąpienie wielu starszych sterowników i jednostek interfejsu procesowego przez wejścia/wyjścia (I/O) i sterowniki, przy użyciu specjalnych paneli rozdzielających i kabli adaptera, które łączą się z istniejącymi panelami terminali starszego systemu.
Dostawcy i integratorzy systemów opracowali również różne narzędzia do konwersji baz danych, które mogą przekształcać informacje inżynieryjne oprogramowania z systemów innych firm do inżynieryjnej bazy danych w systemie zastępczym. Bazując na doświadczeniu zdobytym podczas realizacji projektów, można zaoszczędzić nawet 20% kosztów inżynieryjnych dzięki wykorzystaniu narzędzi do konwersji.
3. Wymiana oprzyrządowania w terenie: siłowniki, przepływomierze, przetworniki
Oprzyrządowanie obiektowe, takie jak siłowniki, przepływomierze i przetworniki, stanowi znaczną część kosztów inwestycyjnych I&CS. Dzisiejsze cyfrowe inteligentne systemy automatyzacji procesów i podłączone do nich przyrządy obiektowe mogą osiągnąć znacznie więcej niż starsze systemy. Operatorzy instalacji powinni korzystać z możliwości takich jak sztuczna inteligencja, konserwacja predykcyjna i zintegrowana diagnostyka przyrządów i procesu. Dobra inwestycja na wczesnym etapie będzie obejmować planowanie i projektowanie modernizacji zakładu w celu przeglądu schematów sterowania, ich przeglądu i ulepszenia, podjęcia decyzji, w jaki sposób najlepiej wdrożyć i rozwinąć techniki sterowania oraz wdrożyć najnowsze technologie.
Najlepsze praktyki, zalecenia: główni wykonawcy automatyki
Wybór głównego wykonawcy automatyzacji (MAC) jest zalecany przy wdrażaniu projektów ponownego oprzyrządowania, ponieważ MAC zapewnia wdrożenie zespołu o najbardziej odpowiednich i specjalistycznych umiejętnościach. Wykorzystanie doświadczonego zespołu do zdefiniowania zakresu umożliwia terminową realizację projektu i zmniejsza ryzyko przestojów.
MAC to partner w zakresie automatyzacji, który jest w stanie obsługiwać rozwiązania i usługi od etapu wstępnego projektu inżynieryjnego (FEED), poprzez szczegółowy projekt i budowę, aż po uruchomienie i przekazanie do eksploatacji.
Oprócz koncepcji MAC istnieją również inne metodologie realizacji projektów, które zostały opracowane dzięki współpracy użytkowników końcowych i dostawców systemów. Na przykład, zwinna realizacja projektu wykorzystuje równoległe ścieżki programowe zamiast tradycyjnego podejścia kaskadowego, w którym projekt był realizowany na jednej ścieżce szeregowej.
Opracowanie architektury oprzyrządowania i systemu sterowania
Podobnie jak w przypadku wstępnych badań terenowych, przed przystąpieniem do realizacji projektu należy opracować wstępną architekturę systemu. Jest to wiecznie zielony dokument z aktualizacjami zakresu w miarę jego rozwoju podczas badania FEED.
Dokładne rysunki i schematy pętli mogą być trudne do zlokalizowania i mogą znajdować się w aktach osobowych pracowników technicznych. Są one kluczem do określenia historii zmian w celu zapewnienia, że nowy system sterowania zapewnia taką samą funkcjonalność jak system zastępowany.
Dzięki współpracy użytkownik końcowy i dostawca systemu lub integrator zapewniają, że rysunki procesów i oprzyrządowania (P&ID), pomiary i schematy sterowania są w pełni zrozumiałe, aby wdrożyć je w DCS i oprzyrządowanym systemie bezpieczeństwa (SIS). W przypadku tego ostatniego, wymagana dokumentacja obejmuje analizę zagrożeń i operacyjności (HAZOP) oraz analizę warstw zabezpieczeń (LOPA).
Wszelkie szanse i zagrożenia należy zidentyfikować podczas badania terenu i badań FEED. Ulepszone strategie kontroli zapewniają większą niezawodność i ściślejszą kontrolę.
Oprzyrządowane systemy bezpieczeństwa były często łączone ze sterowaniem procesami, gdzie logika bezpieczeństwa i logika procesu współistnieją w tym samym procesorze (DCS lub PLC). Obecnie segregacja systemów bezpieczeństwa jest wymagana zgodnie z normą IEC 61511, w której systemy bezpieczeństwa powinny być dedykowane wyłącznie dla zasobów o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa. Podczas wstępnych działań związanych z badaniem lokalizacji, będzie to kluczowy element identyfikacji bezpieczeństwa i segregacji procesów oraz przestarzałości istniejących systemów wykonujących funkcje bezpieczeństwa.
Określanie zakresu projektu ponownego oprzyrządowania
Projekty ponownego oprzyrządowania to raczej maratony niż sprinty. Zespół ds. ponownego oprzyrządowania musi zachować jasną wizję zakończenia projektu i mierników jego sukcesu. Określenie czynników i priorytetów aktualizacji w całym zasobie pomoże zaplanować i określić zakres projektu ponownego oprzyrządowania.
Projekty ponownego oprzyrządowania zakładu słyną ze zmian zakresu. Aby zapewnić powodzenie projektu, musi istnieć dobrze ugruntowany proces zarządzania zmianami, który pozwala na uporządkowane zarządzanie zmianami przy minimalnym możliwym wpływie na finansowanie i harmonogram. Oprócz zmian projektowych, proces zarządzania zmianami musi uwzględniać takie kwestie, jak awarie sprzętu, nieplanowane przestoje lub opóźnienia w zaplanowanych wyłączeniach instalacji.
Postęp w technologiach we/wy systemu
Od wczesnych dni cyfrowych systemów sterowania, projekty wejść/wyjść procesowych (I/O) przeszły kilka znaczących postępów technologicznych. Obecnie wejścia/wyjścia procesowe i bezpieczeństwa mogą być inteligentne i konfigurowalne programowo. Technologie takie jak okablowanie światłowodowe i komunikacja bezprzewodowa mogą zastąpić tradycyjne, wielożyłowe kable do przyrządów, które są pracochłonne.
Tradycyjnie systemy sterowania wykorzystywały dedykowane moduły sprzętowe, w których dany moduł składał się tylko z jednego typu wejść/wyjść, takich jak wejścia analogowe lub wyjścia dyskretne. Obecnie dostępne są moduły z programowo konfigurowalnymi wejściami/wyjściami.
Ten rodzaj konstrukcji sprzętowej usprawnia realizację projektu poprzez oddzielenie inżynierii aplikacji od okablowania w terenie i instalacji sprzętu. Konstrukcja sprzętowa działa w połączeniu ze wspomnianą wcześniej zwinną metodologią realizacji projektu, zapewniając znaczne oszczędności kosztów i redukcję ryzyka związanego z harmonogramem projektu. Korzystanie z konfigurowalnych programowo wejść/wyjść na krawędzi może całkowicie wyeliminować marshalling i zredukować okablowanie nawet o 80%.
Wiele firm dostarcza obecnie standaryzowane “inteligentne skrzynki połączeniowe”, które zawierają różne ilości konfigurowalnych programowo wejść/wyjść. Wdrażając takie standardowe komponenty, zespoły projektowe mogą wyeliminować konieczność projektowania, dokumentowania i testowania niestandardowych paneli I/O.
Dzięki zastosowaniu inteligentnej skrzynki połączeniowej w połączeniu ze zwinną realizacją projektu, dostawa szafy, integracja skidów i zakończenie okablowania mogą być wykonane w dowolnym momencie projektu. Zmiany zakresu w ostatniej chwili skutkują niemal zerowymi opóźnieniami projektu. Biorąc pod uwagę rozdzielenie projektu możliwe dzięki zwinnej realizacji projektu, fabryczny test akceptacyjny (FAT) może być teraz nawet wymagany.
Ponowne wykorzystanie istniejącego okablowania, zakończeń, szaf rozdzielczych
Ekonomiczną taktyką jest ponowne wykorzystanie jak największej ilości istniejącego okablowania, zakończeń i szaf rozrządowych. Jak pokazano na rysunku 5, panele I/O i okablowanie są jednymi z najtrwalszych komponentów w systemach I&C. Niemniej jednak zespoły projektowe są zachęcane do przeprowadzania szczegółowych ocen paneli i okablowania, zwłaszcza jeśli działały one w środowiskach korozyjnych, co znacznie skróciłoby ich cykl życia.
Wielu dostawców i integratorów systemów opracowało moduły adapterów we/wy, aby połączyć istniejące okablowanie z nowym systemem. W ocenie kompromisów należy porównać zwrot z inwestycji w taki niestandardowy sprzęt ze zwrotem z inwestycji w wyżej wymienione inteligentne skrzynki przyłączeniowe.
Zautomatyzowane uruchomienie przyspiesza projekty ponownego oprzyrządowania
Nowe technologie we/wy, inteligentne skrzynki połączeniowe i metodologie realizacji projektów mogą również łączyć się w celu zautomatyzowania procesów weryfikacji, wiązania, konfiguracji, testowania i dokumentowania wszystkich oprzyrządowań terenowych. W porównaniu z tradycyjnymi metodologiami, zespoły projektowe mogą osiągnąć redukcję czasu uruchomienia o ponad 95%, a także 80% rysunków i 90% prac związanych z projektowaniem okablowania.
Współpracujące narzędzia inżynierii projektowej do ponownego oprzyrządowania
Wreszcie, wielu dostawców systemów oferuje zaawansowane, zintegrowane narzędzia inżynierii projektowej, które umożliwiają zespołom projektowym współpracę w skali globalnej.
Środowiska programowe mogą ułatwić realizację projektu, integrację systemu i realizację na miejscu w ramach projektu ponownego oprzyrządowania lub migracji DCS. Oprogramowanie zapewnia pewność i zaufanie na wszystkich etapach projektu systemu sterowania, a także na etapach rozruchu, eksploatacji, konserwacji, rozbudowy / modernizacji i rozbudowy zakładu.
Narzędzia generują kompletne środowisko inżynieryjne, z nową strukturą bazy danych, która dostarcza znormalizowane i spójne informacje, utrzymuje integralność danych, eliminuje niespójności między informacjami projektowymi a rzeczywistym systemem, zarządza zmianami i wspiera cykl życia systemu.
Ponadto nowe narzędzia ułatwiają ponowne wykorzystanie cennej wiedzy inżynierskiej i eliminują powielanie pracy w kolejnych projektach.
Ponowne oprzyrządowanie I&CS: więcej narzędzi, mniejsze ryzyko
Obecnie zespoły projektowe zajmujące się re-instrumentacją I&CS mają do dyspozycji wiele nowych technologii w zakresie sprzętu, oprogramowania i metodologii zarządzania projektami. Inteligentne, konfigurowalne programowo wejścia/wyjścia można łączyć ze standardowymi, inteligentnymi skrzynkami przyłączeniowymi, co pozwala ograniczyć opracowywanie dokumentacji o 80% i projektowanie okablowania o 90%. MAC i zwinne metodologie realizacji projektów, stosowane wraz z globalnymi narzędziami oprogramowania inżynieryjnego, utrzymują integralność projektu, umożliwiają zarządzanie zmianami i zmniejszają ryzyko w zakresie kosztów i harmonogramu.
Wdrożenie takich technologii, w połączeniu z zaawansowanym doświadczeniem i umiejętnościami, skutkuje projektami, które mieszczą się w budżecie, są zgodne z harmonogramem i przynoszą znaczące usprawnienia operacyjne z doskonałym zwrotem z inwestycji w perspektywie krótkoterminowej i w całym cyklu życia systemu.
Kevin Finnan jest doradcą ds. analizy rynku i strategii w firmie Yokogawa.
