Systemy czasu rzeczywistego – potęga szybkości, precyzji oraz inteligencji

Sterowanie w czasie rzeczywistym to obecnie nie tylko domena systemów automatyki na poziomie bezpośredniej obsługi procesów przemysłowych, ale również coraz częściej wyższych poziomów hierarchii sieciowej, szczególnie w firmach i koncernach dążących do zachowania wysokiego stopnia konkurencyjności rynkowej. Dla tych, którzy odważą się na tego typu posunięcie, sytuacja jest bardzo korzystna – jak dotąd bowiem zdecydowało się na ten krok tylko kilka firm. Uzyskanie przewagi i lepszej pozycji na rynku jest więc stosunkowo proste i niemalże natychmiastowe.

Tak zwane systemy czasu rzeczywistego – których koncepcja opracowywana była głównie pod kątem aplikacji sterowania i automatyki najniższego poziomu, obsługujących bezpośrednio maszyny w procesach produkcyjnych, w ostatnim czasie coraz częściej przenoszona jest również na wyższe poziomy struktur wymiany informacji, monitoringu i zarządzania – jako element pozwalający na uzyskanie lepszych efektów oraz szybszej i bardziej precyzyjnej realizacji zadań.
Rodząca się w ten sposób nowa idea tzw. przedsiębiorstwa czasu rzeczywistego (RTE – Real Time Enterprise) wprowadza mechanizmyszybkiego odbierania i przetwarzania danych, tak by sprawniej i w krótszym czasie realizować istotne procesy decyzyjne.
– Idea aplikacji systemów czasu rzeczywistego wszerszej skali w zakładach przemysłowych to wciąż podejście nowatorskie, wskazujące jednak, że ludzie chcą mieć nadal bezpośrednią kontrolę nad przebiegiem procesów produkcji i przetwarzania – ciągle chcą być tym ostatecznym ogniwem, decydującym o podjęciu określonych działań strategicznych w zakładach – podkreśla Darren Riley z firmy Rockwell Automation.

Widać też wyraźnie, iż kwestia ta nabiera coraz większego znaczenia w prawidłowym zarządzaniu i tzw. biznesie – ze względu na znaczne w ostatnich latach przyspieszenie operacji i zmian rynkowych.
Wśród specjalistów branży automatyki wciąż toczy się dyskusja, czym jest tzw. czas rzeczywisty, szczególnie w odniesieniu do systemów sterowania i automatyki.
Dla menadżerów i sprzedawców nie ma ona jednak większego znaczenia i nie jest ważne, że niektórzy z nich niezbyt chętnie używają terminu „czas rzeczywisty”, na korzyść nazwy „czas poprawnego funkcjonowania” itp. To zresztą mógłby być temat na osobny artykuł.
– Dla nich kwestią podstawową jest to, by system sterowania i monitoringu działał na tyle precyzyjnie i szybko, aby niezbędne dla nich informacje docierały w odpowiednim czasie do odpowiedniego miejsca – stwierdza Bob Parker, wiceprezes firmy IDC Manufacturing Insight. – Celem końcowym jest maksymalne zoptymalizowanie całego systemu wymiany informacji w przedsiębiorstwie tak, by wszelkie niezbędne operacje zarządzania i sterowania zarówno pojedynczymi maszynami, jak i całymi procesami produkcyjnymi, realizować jak najszybciej, jak najdokładniej i jak najprościej.
Dotychczas niewiele firm i przedsiębiorstw wdrożyło u siebie rozwiązania bazujące na systemach czasu rzeczywistego – w sumie około 1%. Eksperci ds. rozwoju branży przemysłowej podkreślają jednak, że wciąż jeszcze systemy do tego typu zastosowań nie osiągnęły zadowalającego poziomu rozwoju i korzystanie z nich traktować należy każdorazowo jak swego rodzaju eksperyment. Nie oznacza to oczywiście, że instalacje już działające funkcjonują nieporwanie – wręcz przeciwnie, sprawdzają się znakomicie w powierzonych im zadaniach.
Na tej podstawie zbierane są informacje służące integratorom sieciowym i dostawcom elementów automatyki, poprawie i optymalizacji protokołów komunikacyjnych oraz algorytmów dla urządzeń automatyki, modeli obsługi wybranych procesów itp.
O bardziej rozbudowane funkcjonalnie systemy komunikacyjne czasu rzeczywistego coraz częściej pytają również kolejni klienci, zainteresowani ich aplikacją w swoich zakładach, co sprzyja szybkiemu rozwojowi i wkrótce powinno doprowadzić to do wytworzenia już sprawdzonych i w pełni „dojrzałych” systemów i standardów, umożliwiających realizację przedsiębiorstw typu RTE. 
Zmienność rynku energetycznego
Przykładem zakładu, w którym niezbędny jest sprawny system zarządzania i informacji o stanie wykorzystywanych w nim urządzeń, dzięki któremu jest w stanie zagwarantować znacznie wyższy poziom usług, jest zakład energetyczny Portland General Electric w USA. Dzięki długoletniemu doświadczeniu w branży dystrybucji energii elektrycznej pracujący w nim inżynierowie wiedzą, jak zorganizować i sprawnie zarządzać systemem energetycznym, jakie urządzenia powinny być obsługiwane w systemie itd.
Zakład energetyczny PGE jest największym dostawcą energii w stanie Oregon, obsługującym ponad 750 tys. odbiorców. Priorytetem firmy jest więc przede wszystkim zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej oraz zachowanie jej wysokiej jakości. Kilka lat temu, w okresie gdy ceny za zakup i transfer dodatkowej energii z systemu dystrybucyjnego z zachodu USA (niezbędnej w czasie szczytowych zapotrzebowań od odbiorców), osiągały niebotyczne wręcz wartości – nawet 1 200% ceny nominalnej, zarządcy zakładu PGE podjęli decyzję o budowie swego rodzaju wirtualnego, zapasowego magazynu energii w systemie dystrybucyjnym.
– Zakładowi PGE zależało na pozyskaniu nowego i niedrogiego źródła energii, bez konieczności budowania całego, dużego kompleksu energetycznego – stwierdza Mark Osborn, jeden z menadżerów firmy. Dlatego też zamiast angażować fundusze w budowę nowych obiektów i linii przesyłowych, zdecydowano się na utworzenie tzw. wirtualnych elektrowni uzupełniających niedobory energii w okresach szczytowego zapotrzebowania odbiorców.
Wykorzystano tu moc elektryczną wytwarzaną przez generatory zapasowe, zainstalowane u wielu większych odbiorców/klientów zakładu PGE, wprowadzając ją do sieci w szczycie obciążenia.
Przy ścisłej współpracy z lokalną firmą integratorską Factory IQ, jako platformę obsługi danych monitoringu oraz sterowania, wykorzystano system firmy Wonderware wraz z oprogramowaniem InTouch dla interfejsów HMI. W efekcie powstała sieć rozproszonych punktów wytwarzania niewielkich mocy, włączanych w razie potrzeby do systemu energetycznego, obsługiwanych poprzez sieć szybkiego Ethernetu w odległości nawet do 70 i 80 km od samego zakładu energetycznego. Nowe narzędzia platformy systemowej Wonderware o architekturze zorientowanej na realizację konkretnych usług (SOA), wraz z zastosowaną w nich technologią obiektową i najnowszymi standardami integracji ISA 95 i IEC 61850, pozwoliły zakładowi PGE szybko zbudować rozproszony system monitoringu i sterowania obiektów rozlokowanych na dość znacznym obszarze.
– Do naszych działań potrzebowaliśmy systemu bardzo elastycznego, który pozwoliłby na zarządzanie siecią punktów już istniejących i nowych, pomocniczych, wyposażonych w różnorodne wyłączniki, sterowniki PLC czy bezpieczniki lub wyłączniki awaryjne – przyznaje Mark Osborn. – Obecnie zakład PGE w ramach wirtualnej elektrowni GenOnSys obsługuje 25 rozproszonych punktów generacji dodatkowej mocy. Podstawową zaletą technologii obiektowej platformy Wonderware jest możliwość szybkiego dołączania i odłączania wybranych punktów w systemie.
Poprzednio operacja taka trwała nawet trzy tygodnie, obecnie maksymalnie jeden dzień – wyjaśnia dalej Osborn.
Jednym kliknięciem myszki włączyć można cały wirtualny system dodatkowego zasilania. Czas reakcji wynosi przy takiej operacji 0,5 sekundy.
Takie możliwości techniczne stworzyły dla zakładu PGE dość znaczną elastyczność w doborze poziomu poboru dodatkowej mocy z systemu – od 250 kW do nawet 1 MW. Dzięki wykorzystaniu platformy sterownia i monitoringu, opartej na systemie czasu rzeczywistego, spadły znacznie koszty obsługi klientów zakładu – z poziomu 100–200 tys. USD, do odpowiednio 20–30 tys. USD.
Korzystanie z dodatkowej mocy w czasie zwiększonego zapotrzebowania to w tradycyjnych systemach energetycznych koszt ok. 500–700 USD za 1 kW; w zakładzie PGE z nowym systemem rozproszonym koszt ten ustalono na ok. 100–200 USD za 1 kW.
Podsumowując, redukcja kosztów pozyskania dodatkowej energii jest średnio na poziomie 25%, a w niektórych przypadkach nawet do 50% w stosunku do rozwiązań tradycyjnych.
Stopnie zaawansowania systemów czasu rzeczywistego
Amerykańskie Stowarzyszenie Najlepszych Rozwiązań dla Branży Produkcyjnej (MESA) wybrało właśnie systemy czasu rzeczywistego jako jeden z podstawowych elementów w ramach badań prowadzonych przez grupę zaangażowaną w opracowanie poradnika branżowego, dotyczącego zaawansowanych technologii dla przemysłu. W opinii członków stowarzyszenia systemy te powinny stać się kluczowym elementem nowoczesnych pakietów programowych, stosowanych w systemach MES. Obecnie istotnym elementem konkurencji przedsiębiorstw produkcyjnych stały się również nowe systemy MOM – zarządzania procesami produkcji.
– W mojej opinii jednak zarówno systemy MES, jak i MOM realizują praktycznie te same funkcje – stwierdza Julie Fraser, jedna z założycielek stowarzyszenia MESA i analityk branży przemysłowej.
Systemy MES/MOM stanowią podstawowy element architektury platform komunikacyjnych czasu rzeczywistego, instalowanych pomiędzy poziomem automatyki i sterowania urządzeniami w zakładzie a poziomem zarządzania i sferą biznesową sieci komunikacji przemysłowej. Inne kluczowe elementy tego typu platform to: urządzenia przetwarzania i akwizycji danych, ich archiwizacji i segregacji czasowej, tematycznej itp. oraz inne narzędzia składające się na tzw. inteligentne procesy produkcyjne, jak układy obróbki danych, tworzenia wykresów czy zestawień analitycznych i obrazów wizualizacyjnych dla np. stron WWW.
Dzięki tym narzędziom do działu zarządzania produkcją dostarczane są informacje niezbędne w prawidłowym procesie decyzyjnym, ułatwiając wydawanie trafnych decyzji, wpływających na jakość bądź terminowość produkcji.
Dotyczy to zarówno pojedynczych procesów produkcyjnych, jak i w formie zaawansowanej, całego cyklu, łańcucha produkcyjnego w przedsiębiorstwie. – Podstawą jest tu dostęp do szerokiego spektrum informacji i danych z całego zakładu – wyjaśnia Julie Fraser. – Instalacja takiej platformy komunikacyjnej i monitującej daje możliwość oceny zachodzących procesów produkcyjnych i szybkiego reagowania na ewentualne, niekorzystne zmiany.
Pozwala na szybsze wprowadzenie do produkcji nowego asortymentu czy nowych programów strategii produkcji, algorytmów przetwarzania itp.
Kwestią otwartą dla firm pozostaje, w jakim stopniu rozbudowywać funkcjonalnie i obszarowo systemy czasu rzeczywistego w swoich aplikacjach. Eksperci firmy Rockwell Automation mówią o trzech etapach ekspansji systemów czasu rzeczywistego w sieciach automatyki przemysłowej: minimalnym, częściowym i całkowitym. Z kolei przedstawiciele firmy IDC Manufacturing Insights przedstawiają pięciopoziomowy model organizacji i rozwoju takiego systemu (rys. 2.). Poziom najniższy w tej hierarchii to obsługa pojedynczych maszyn i urządzeń, wraz z optymalizacją działania paneli operatorskich.
– Jeżeli w przedsiębiorstwie zdefiniowano i częściowo wprowadzono zasady obsługi procesów przez systemy czasu rzeczywistego w układach sterowania i monitoringu, do oceny skuteczności ich działania używa się popularnych i ogólnie stosowanych wskaźników, takich jak np. OEE – wskaźnik całkowitej efektywności urządzeń – wyjaśnia Bob Parker z firmy IDC Manufacturing Insight. – Jeżeli zastosowane w procesach produkcyjnych systemy czasu rzeczywistego są już na poziomie ustandaryzowania, jednym z elementów standardu są również zasady oceniania ich skuteczności, które opierają się na specjalnych tzw. kartach wyników. Najwyższy poziom to tzw. optymalizacja funkcjonowania przedsiębiorstwa, opierająca się na rozbudowanych systemach czasu rzeczywistego. W takich zakładach standardowe i ogólnie stosowane wskaźniki skuteczności systemów sterowania wykorzystywane są równocześnie i dotyczą całego przedsiębiorstwa.
Funkcjonowanie przedsiębiorstwa z systemem czasu rzeczywistego
Wspomniana już Julie Fraser ze stowarzyszenia MESA do opisu stopnia zaawansowania rozwoju systemu czasu rzeczywistego proponuje model trójwarstwowy – bazujący nie tylko na jego funkcjonalności, ale również charakterystyce zachowań ludzi współpracujących z takim systemem.
Warstwa najniższa oznacza zakłady z całkowicie niezorganizowanymi systemami komunikacji, ze strukturą wyspową, brakiem połączenia między istotnymi aplikacjami oraz z centrum akwizycji i archiwizacji danych.
– Cechy charakterystyczne takiego braku organizacji to: brak szczegółowych informacji o procesach, brak współpracy między oddziałami i wydziałami w przedsiębiorstwie oraz bardzo długi czas niezbędny do podejmowania kluczowych, strategicznych decyzji – wyjaśnia Julie Fraser.
Warstwa kolejna charakteryzuje przedsiębiorstwa korzystające z określonej platformy sprzętowej, wyposażonej w takie pakiety, jak wspomniane już systemy MES/MOM, z komunikacją i wymianą danych procesowych, jednak ograniczoną tylko do konkretnej linii produkcyjnej lub pojedynczego zakładu.
Zwykle systemy takie nie mają narzędzi analitycznych i możliwości graficznej wizualizacji trendów, stanów (np. w portalu internetowym). W tej sytuacji współpraca pomiędzy oddziałami w firmie jest bardzo znikoma, bez wspólnej, zoptymalizowanej strategii współdziałania dla poprawy wydajności całego przedsiębiorstwa.
– Wreszcie warstwa trzecia, najwyższa, to takie przedsiębiorstwa, w których dostępne są wszystkie dane procesowe, z możliwością ich zebrania, analizy i w razie konieczności dotarcia do informacji szczegółowych, opisujących konkretne zdarzenie lub stan pracy urządzeń, linii produkcyjnej itp. – stwierdza Julie Fraser. – Tylko w przedsiębiorstwach o tym stopniu zaawansowania rozwoju aplikacji systemów czasu rzeczywistego istnieje w pełni określona struktura przepływu informacji pomiędzy poziomem produkcyjnym i zarządzającym, wraz z ustalonymi algorytmami decyzyjnymi. Gwarantuje to pełną przejrzystość działań podejmowanych w przedsiębiorstwie, wraz z ich szybką realizacją. Taka organizacja systemów wymiany informacji pozwala również na wyjście poza przysłowiowe cztery ściany przedsiębiorstwa i jego otwarcie na interakcyjne współdziałanie z klientami oraz dostawcami, sprzyjające zwiększeniu efektywności działań na wszystkich etapach i polach funkcjonowania firmy.
Systemowa obsługa urządzeń mobilnych 
Ed Yachimiak pracuje jako starszy analityk i specjalista systemów SCADA w jednym z przedsiębiorstw na zachodzie USA. Ma ono 35 oddzielnych zakładów, a w każdym z nich zainstalowany jest oddzielny system oparty na platformie programowej i sprzętową PI Historian firmy OSIsoft, obsługujący dane i informacje o przebiegu produkcji w każdym z nich i współpracujący z systemami innych zakładów.
Ta istniejąca platforma rozszerzona została ostatnio o możliwość dostępu do systemu zarządzania i sterowania z poziomu przenośnych stanowisk monitorująco-sterujących, umożliwiających ciągły dostęp do danych systemowych z dowolnego miejsca. – Jedną z opcji jest możliwość dostępu do danych między innymi o stanie pracy urządzeń czy ich aktualnych nastawach, z poziomu terminali Blackberry lub innych tzw. palmtopów – wyjaśnia Ed Yachimiak.
Ponadto menadżerowie poprzez sieć uzyskują również bezpośredni dostęp do informacji rynkowych, zmieniających się kursach walut i cen surowców, co również wydatnie przyspiesza i ułatwia ich pracę. – Wprowadzony przez naszą firmę system komunikacji w czasie rzeczywistym jest już dziś integralnym elementem infrastruktury przedsiębiorstwa. Trudno nam wyobrazić sobie codzienną pracę bez niego – przyznaje dalej Yachimiak.
Podobne systemy wprowadzają też u siebie inne duże zakłady przemysłowe, szczególnie pod kątem monitoringu zużycia energii, maszyn i surowców w procesach przetwórstwa i produkcji. Ron Koltz ze wspomnianej firmy OSIsoft przytacza przykład zakładu przetwórstwa papieru, który dzięki systemowi czasu rzeczywistego uzyskał możliwość ciągłego monitoringu cen energii elektrycznej. – Menadżerowie firmy na bieżąco porównują zmiany cen energii elektrycznej z również zmieniającą się koniunkturą na rynku papierniczym, w ostateczności podejmując decyzję, czy w danym momencie zakładowi bardziej opłaca się produkcja podstawowa – czyli papieru, czy być może większe zyski przyniesie wyłączenie produkcji i wykorzystanie maszyn elektrycznych jako generatorów, by w ten sposób wprowadzić do systemu energetycznego większą ilość energii i sprzedać ją z zyskiem – wyjaśnia Ron Koltz. – Podstawową siłą wykorzystywanego tu systemu komunikacji w czasie rzeczywistym jest możliwość uświadomienia szerszego grona pracowników firmy o tym, jak wielki i bezpośredni wpływ na rentowność produkcjima zmieniająca się wciąż na bieżąco koniunktura rynkowa.
W opinii Marka Osborna implementacja systemu czasu rzeczywistego stworzyła jego firmie niespotykane dotąd możliwości. Dzięki temu wspomniana wcześniej firma energetyczna PGE stanęła na bardzo uprzywilejowanej pozycji.
Nowe możliwości i osiągnięcia firmy PGE stały się jednocześnie inspiracją do działań innych firm, usprawniających funkcjonowanie przedsiębiorstw, nawet dużych i rozproszonych terytorialnie.
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków