Sprawdzona, systematyczna metoda – wraz z samodzielnym układem sterowania oraz oprogramowaniem pozbawionym struktury – stanowi właściwą drogę określania i projektowania nowych wymagań dotyczących sterowania procesami.
Kto malował pokój albo cały dom, przyklejał tapetę, układał płytki, sadził kwiaty czy warzywa, ten rozumie, jak ważne są przygotowania. Bez właściwego przygotowania powierzchni czy gleby nawet najdroższe farby, tapety i rośliny nie dadzą pożądanych efektów.
Rys. Zarówno ogólne (URS), jak i szczegółowe (DDS) specyfikacje automatyki są zawsze załączone do projektu procesu (rysunek zamieszczono dzięki uprzejmości firmy Spec-Soft).
Ta sama zasada dotyczy układów sterowania i automatyki. Powodzenie projektu sterowania lub automatyki często zależy od pracy włożonej w opracowanie specyfikacji wymagań użytkownika.
Zanim pracownicy dużego zakładu produkującego odżywki dla dzieci zaczęli wymieniać przestarzały sprzęt i oprogramowanie w systemie sterowania, uświadomili sobie, że powodzenie przedsięwzięcia zależy od szczegółowej wiedzy o możliwościach, jak również i niedociągnięciach używanego dotychczas systemu. [Od wydawcy: „Control Engineering” wymienia zazwyczaj nazwy użytkowników aplikacji, w tym przypadku jednak czynimy wyjątek ze względu na zmianę sytuacji przedsiębiorstwa tuż przed publikacją artykułu]. Złożony system sterowania w omawianym przedsiębiorstwie (zainstalowany w latach 80.) objął z czasem ponad 400 możliwych procesów produkcji i mycia opakowań.
Specjaliści z przedsiębiorstwa zastosowali systematyczne podejście, uwzględniające dobrą praktykę produkcji, aby opisać i zweryfikować stosowane procedury zautomatyzowanego i ręcznego sterowania. Byli świadomi, że każde rozwiązanie powinno opierać się na standardzie kontroli partii S88 ISA oraz procesie projektowania iteracyjnego, a także ułatwiać nadzór operatorowi i inżynierowi automatykowi.
Na czym polega złożoność?
Produkcja odżywek dla dzieci obejmuje mieszanie i dawkowanie składników mokrych i suchych, homogenizację produktu, chłodzenie, składowanie, czasem proszkowanie i na koniec pakowanie.
Zależnie od wymagań produkcyjnych – produkty o małej zawartości żelaza, bez laktozy, sojowe – z 34 podstawowych składników płynnych wytwarzano ponad 200 różnych marek produktów.
Poprzedni system sterowania obejmował liczne samodzielne panele oraz ponad 3000 punktów We/Wy, w tym 270 analogowych. Interfejs operatora (oparty na MS DOS), umożliwiający jedynie podgląd procesu, obejmował ponad 20 000 znaczników. Koordynację sterowania procesem umożliwiało przesyłanie danych między 6 sterownikami programowalnymi Allen-Bradley PLC 3s.
Projektowanie iteracyjne
Rysunki, opisy procesów i kody oprogramowania używane przez producenta żywności dla dzieci stały się mało użyteczne po 20 latach zmian w produkcji.
Wielu pracowników przedsiębiorstwa potrafiłoby objaśnić zasady nadzorowania różnych procesów, ale tylko niewielką część tej wiedzy opisano należycie w dokumentacji. W dodatku operatorzy wiele czynności wykonywali ręcznie. Przedsiębiorstwo musiało zatem zdobyć dokładną wiedzę o funkcjach użytkowanego systemu. Specjaliści zaczęli pracę od aktualizacji wszystkich rysunków i przełożenia drabinkowego języka sterowników na diagramy procesów.
Utworzono zespół projektowy z udziałem inżyniera automatyka, zaopatrzony w dokumentację opisującą zainstalowany system i jego rzeczywiste funkcje.
Na mniej więcej rok przed rozpoczęciem realizacji projektu wymiany układu sterowania zespół kupił i wdrożył oprogramowanie PFS (Process Functional Specification) – specyfikacji funkcjonalnej procesu Spec-Soft. Modułowa, zorientowana na wyposażenie hierarchia tego oprogramowania oraz standard kontroli partii S88 pomogły opracować proces iteracyjnego określania szczegółowych wymagań wobec systemu sterowania i automatyki.
Zespół projektowy z zespołem operatorów opracował diagramy przebiegu procesów produkcji i mycia opakowań. W grupach omówiono zagadnienie maksymalnej elastyczności wdrożonego rozwiązania w praktyce. Uzgadniano stanowiska w każdej sprawie, a różnice w ocenach były zapisywane w „księdze spotkań”. W ten sposób powstał czytelny zapis podejmowania decyzji i postępu w realizacji projektu.
Dzięki wykorzystaniu procedury projektowania iteracyjnego przedsiębiorstwo opracowało koncepcję elastycznego systemu sterowania. Zakładowi specjaliści porównują tę pracę do wielokrotnego oglądania filmu: w każdym kolejnym seansie uwidoczniają się ważne elementy, które wcześniej umknęły uwadze.
Hierarchia modułowa
Główną cechą standardu S88 jest kładzenie nacisku na opracowanie modułowej hierarchii procesu rzeczywistego, która koncentruje się na definicji funkcji elementów wyposażenia. Takie podejście pozwala wyeliminować wprowadzanie wymagań charakterystycznych dla określonego wyrobu i sprawia, że rozwiązania oparte na S88 są w praktyce maksymalnie elastyczne i łatwo je nadzorować.
– Nowi twórcy i użytkownicy rozwiązań opartych na S88 raczej nie mają kłopotów z określeniem elementów procesu, lecz często nie wiedzą, co jest modułem sterowania i wyposażenia – wyjaśnia Shaul Shaked, prezes Spec-Soft.
Nowi użytkownicy S88 często pytają, czy moduł sterowania może lub powinien być zbiorem innych modułów sterowania? Odpowiedź często brzmi „tak”.
– Na przykład, skoordynowana strategia sterowania może wymagać jednego lub kilku algorytmów pętli automatycznej regulacji [PID], wielu pomiarów wartości procesowych [nadajników] i jednego lub kilku końcowych elementów układu sterowania [zaworów sterujących z dzielonym zakresem] – mówi S. Shaked. – Ponadto skoordynowana strategia sterowania może wymagać funkcji transmitancji (korekcji fazy) bądź kontroli zdalnej blokady. Niektórzy konserwatywni użytkownicy S88 twierdzą, że taka skoordynowana strategia sterowania powinna być wdrażana jako moduł wyposażenia, a nie jako nadrzędny moduł sterowania.
W praktyce im regulacja sięga głębiej w hierarchii procesu rzeczywistego S88, tym większa jest elastyczność i tym łatwiej koordynować jednostki i komórki procesu.
Zatem bardzo istotne jest zachowanie spójnych definicji wyposażenia i modułów. Jeżeli na przykład tworzymy moduł skoordynowanego sterowania opisanym wcześniej sposobem, to należy opracować jednakowe moduły skoordynowanego sterowania dla pomp i zaworów odcinających o podobnej złożoności.
400 zaworów instalacji myjącej w projekcie opracowywanym przez producenta żywności dla dzieci – oto przykład obrazujący, kiedy warto ująć zawory jako moduły skoordynowanego systemu sterowania. Opracowanie fizycznych modeli dla tego projektu obejmowało przygotowanie modelu procesu produkcji i modelu instalacji myjącej. Zdefiniowanie zaworów instalacji myjącej jako modułów skoordynowanego systemu sterowania ułatwiło przedsiębiorstwu opracowanie instrukcji w modelu procesu mycia opakowań.
|
O zestawie PFS
Opracowany początkowo jako program do funkcjonalnej specyfikacji procesu, Spec-Soft rozwinął PFS w następujący zestaw aplikacji uzupełniających:
Opierając się na bazie danych Microsoftu SQL Server, zestaw aplikacji PFS-Suite może obsługiwać projekt każdej wielkości, od pojedynczych użytkowników po nieograniczoną ich liczbę oraz od stu do nieograniczonej liczby indeksów.
W przypadku informacji już istniejących PFS-Suite rozpoznaje powszechnie stosowane formaty importu/eksportu plików, łącznie z rysunkami opracowanymi i zapisanymi z rozszerzeniem .dxf.
PFS-Suite śledzi zmiany wprowadzone do importowanych rysunków i wpisów w bazie danych, jak również zmiany danych wprowadzonych ręcznie, oraz dostarcza
Według SPEC-Softu aplikacja PFS-Code potrafi wygenerować około 80% kodu oprogramowania w formacie zestawu instrukcji IEC 61131.
|
Od specyfikacji do projektu końcowego
Często zdarza się, że dokumentacja specyfikacji wymagań użytkownika ma niewiele wspólnego ze szczegółową specyfikacją projektową, służącą do opracowania kodu oprogramowania. To błąd, który często prowadzi do rozminięcia się wyobrażeń i oczekiwań twórców specyfikacji z rzeczywistymi funkcjami oprogramowania sterującego.
Specyfikacja funkcjonalna procesu (PFS) służy do projektowania iteracyjnego, którego efektem jest bardzo szczegółowa specyfikacja wymagań użytkownika (URS). Dlatego specjaliści z zakładu produkującego żywność dla dzieci mogli wykorzystać dokumentację PFS jako ostateczną szczegółową specyfikację projektową i w ten sposób uprościć pakiet dokumentacji przekazany integratorowi systemu. Ponadto zespoły projektantów i operatorów uzupełniały o szczegółowe dane projekt, dlatego wszyscy mogli być pewni, że integrator systemu dostarczy użyteczne rozwiązanie.
Godzina prawdy
Podczas określania i opisywania wymagań producent ocenił także ofertę zamiennych platform systemu sterowania. Rozważono kilka systemów sterowania, w tym ControlLogix, RS-BizWare Batch i RS-View firmy Rockwell. Wybrano ostatni z wymienionych.
Po wybraniu systemu sterowania i określeniu wymagań układu sterowania i automatyki zwrócono się do Spec-Soft o współpracę z wybranym integratorem systemu we wdrożeniu projektu. Dzięki temu osiągnięto zgodność rozwiązania z modelami S88.
Wkrótce po rozpoczęciu prac wdrożeniowych Spec-Soft dostarczył początkową wersję automatycznego generatora kodu.
Opracowana aplikacja zawierała kilkaset modułów sterowania i wyposażenia, a także sterowanie fazą, moduły obliczeniowe i sterowanie zdalną blokadą. Spec-Soft i integrator systemu podzielili się zadaniami: integrator skoncentrował się na modułach sterowania, a firma zajęła się opracowaniem sterowania fazą, modułami obliczeniowymi i sterowaniem zdalną blokadą.
Każdy producent systemów kontroli partii w inny sposób wprowadza dane o recepturze, zatem automatyczne generowanie receptur za pomocą ogólnego oprogramowania, takiego jak specyfikacja funkcjonalna procesu, jest trudne, jeżeli nie wręcz niemożliwe. Mimo to funkcjonalna specyfikacja procesu zawierała wszelkie dane niezbędne do ręcznego przesyłania receptur do aplikacji RS-Batch za pomocą arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel.
Przestrzeganie przepisów Food and Drug Administration (FDA) nie jest konieczne poza obszarem Stanów Zjednoczonych. Aby jednak zakłady producenta żywności dla dzieci, rozrzucone po całym świecie, mogły współpracować, niezbędne jest stosowanie jednolitych praktyk dobrej produkcji (GMP) i dobrej zautomatyzowanej produkcji (GAMP).
Zgodnie z przepisami FDA należy prowadzić i dokumentować badania kwalifikacyjne instalacji, obsługi i sprawności systemu. Opisywana firma starannie przygotowała wymagania systemu sterowania i automatyki, a zatem wypełnianie dokumentów kwalifikacyjnych dla instalacji i obsługi nie przyniosło większych niespodzianek.
Co miesiąc do oprogramowania wprowadzano drobne korekty, nie sporządzono więc jeszcze dokumentacji sprawności systemu. Specjaliści z firmy są jednak przekonani, że dzięki ścisłemu powiązaniu specyfikacji wymagań użytkownika z wdrożonym oprogramowaniem sterującym kontrola FDA będzie czystą formalnością.