Firmy rozważające modernizację zakładów przemysłowych wiedzą, że muszą brać pod uwagę fizyczne ograniczenia stawiane przez istniejący sprzęt. Rury, pompy i zawory mają ograniczoną przepustowość płynów, rozdzielnice i okablowanie elektryczne – ograniczoną obciążalność prądową. Jeśli konieczne jest przekroczenie tych limitów, należy zmodernizować lub wymienić elementy, które stanowią wąskie gardło. To samo dotyczy systemów automatyki.
Projektując nowy zakład, inżynierowie zazwyczaj starają się przewidzieć pewien zapas pojemności i wydajności sieciowych systemów, aby właściciel i użytkownik nie był rozczarowany nieoczekiwanymi blokadami przesyłu danych czy sygnałów sterujących. Dotyczy to całych obiektów, procesów przemysłowych, w tym sieci cyfrowych i teleinformatycznych, które umożliwiają komunikację między urządzeniami, sterownikami, panelami HMI oraz innymi systemami komputerowymi związanymi z obsługiwanymi procesami.
Te sieci, tak samo jak wspomniane rurociągi i okablowanie elektryczne zaimplementowane w istniejących już zakładach przemysłowych, zostały zaprojektowane tak, aby sprostać spodziewanym obciążeniom transmisyjnym i mieć w tym zakresie pewną rezerwę. Problem polega na tym, że 20, 10, a nawet 5 lat temu projektanci nie mogli przewidzieć tak szybkiej ekspansji technologicznej i wszystkich elementów, które użytkownicy dodali w tym czasie do sieci zakładowych. Kto np. mógł się spodziewać w 2009 r., że iPady czy smartfony będą używane do zdalnej obsługi urządzeń w procesie?
Krok po kroku rezerwa przepustowości sieci zostaje wykorzystana, nawet jeśli menedżerowie nie zdają sobie z tego sprawy. Jeżeli bowiem sieć jest w stanie poradzić sobie z istniejącym obciążeniem, mogą nie wiedzieć, że jest bliska osiągnięcia swojego limitu, aż jeden dodatkowy element zacznie spowalniać system. Może to być np. ważna modernizacja, jak dołączenie nowego panelu HMI, ale także nawet mały dodatek, taki jak dodatkowe oprogramowanie. Problem większości firm polega na tym, że nie wiedzą, ile pozostało im jeszcze dostępnej pojemności i przepustowości sieci.
Jak zakłady sprowadzają na siebie kłopoty
O ile możliwe jest sprawdzenie na wykresach, ile płynu może znaleźć się w rurze lub jakim prądem można obciążyć przewód, obciążenie kanałów sieci transmisji danych nie jest tak proste. Mierzenie wydajności sieci nie jest łatwe, a wskazówek, jakie obciążenie jest wskazane, nie ma zbyt wiele.
Często mówimy o tym, że sterowniki systemu są „przeciążone”, ale zazwyczaj ma to więcej wspólnego z przesyłem danych pomiędzy sterownikami niż niewystarczającą mocą obliczeniową. Trudno przekroczyć zdolność procesora do wykonywania obliczeń w pętli, ale sterowniki często zwalniają, gdy muszą ciągle przesyłać duże ilości danych.
W rezultacie klienci, u których nie występują problemy z siecią, decydują się na modernizacje systemu, zakładając, że nie spowoduje to problemów. Niektóre, bardziej świadome osoby mogą zdawać sobie sprawę, że przed wdrożeniem projektu należy przeprowadzić analizę obciążenia, ale w większości przypadków realizowane jest to po fakcie.
Klienci często odkrywają, że dostępnych jest niewiele narzędzi pozwalających na mierzenie obecnego i zakładanego obciążenia sieci. Dostawcy systemów kontroli załączają oprogramowanie diagnostyczne dla istniejących systemów, ale nie są one w stanie przewidzieć, jakie będzie obciążenie sieci po przeprowadzeniu modernizacji. Uzyskanie prostej odpowiedzi na pytanie: „Czy nasza sieć poradzi sobie z nowym obciążeniem?” – okazuje się zatem niezwykle trudne.
Trudne projekty
Gdy istniejące systemy wychodzą z użycia, często możliwą alternatywą staje się wymiana paneli HMI i elementów interfejsu, z jednoczesnym pozostawieniem sterowników. Podczas gdy dostawcy rywalizują o dodatkową zainstalowaną bazę, dostawca A przekonuje użytkownika, że jego panel HMI może pracować bez przeszkód na systemie automatyki dostawcy B. Albo pracował w ten sposób w czasie testów u dostawcy A. Może nawet istnieć kilka udanych projektów, w których połączenie to zostało zastosowane, a sprzedawca będzie przytaczał te przykłady jako dowód, że nie ma się czym martwić.
Sprzedawca może mieć rację, że niektóre połączenia międzyplatformowe działają bardzo dobrze, jednak właściwe pytanie brzmi, czy połączenie będzie działać w tym konkretnym przypadku. Czy będzie tak również przy uwzględnieniu wielu zmiennych i parametrów pracy specyficznych dla danego zakładu i jego aplikacji procesowych.
Jeżeli sprzedawca odpowiedzialny za projekt naprawdę rozumie wymagania i udziela klientowi właściwego doradztwa, istnieje duża szansa na powodzenie. Jednak dość często zdarza się, że decyzja zostaje podjęta i zatwierdzona bez wystarczających badań i analiz.
Na szczęście nigdy nie doszło sytuacji, w których międzyplatformowa modernizacja systemów DCS spowodowałaby awarię całego systemu zaraz po uruchomieniu. Jest jednak wiele przykładów, gdzie projekt w zaawansowanym stadium musiał być odłożony na kilka tygodni, aby rozwiązać problemy z obciążalnością sieci. Rozwiązywanie wszelkich problemów dotyczących projektów na wczesnym etapie jest o wiele mniej kosztowne i czasochłonne, niż w późniejszym czasie.
Narzędzia i wytyczne
Choć istnieje wiele narzędzi do oceny stanu sieci w biurowych i komercyjnych systemach IT, o wiele skromniejsza jest ich paleta w zastosowaniach do badania sieci systemów automatyki procesów. Jednak jest dostępnych kilka opcji. W niektórych przypadkach można użyć zwykłych narzędzi informatycznych, ale do interpretacji wyników badań konieczna jest umiejętność ich oceny.
Badania często pokazują liczbę przesyłanych pakietów i łatwość ich przesyłu, z analizą dotyczącą liczby kolizji. Większość systemów automatyki jest wyposażona w wewnętrzne narzędzia diagnostyczne, monitorujące szybkość odpowiedzi na zapytania, co jest związane bezpośrednio z obciążeniem sieci. Kiedy panel HMI potrzebuje informacji do odświeżenia ekranu operatora, czy otrzymuje je przy pierwszej próbie, czy są one opóźnione? Czy panel HMI musi często ponawiać próbę?
Większość systemów potrafi policzyć przypadki, w których informacja jest opóźniona. Jest to przydatna wiedza, jednak może nie być zbyt pomocna w zdobyciu informacji, jaka przepustowość jest jeszcze dostępna. Większość systemów może również przekazać informacje o obciążeniu sterownika, co, jak wcześniej wspomniano, ma większy związek z przesyłem informacji niż z liczbą operacji. Jest to cenna informacja na etapie określania, jak zadania są rozdzielone w systemie. Obsługa i projektanci sieci mogą się dowiedzieć, że niektóre sterowniki są obciążone nieproporcjonalną liczbą zadań, a komunikację można poprawić, kierując niektóre z nich do mniej obciążonych części systemu.
Te narzędzia są oczywiście przydatne, ale nie mogą pomóc przewidzieć, czy dodanie nowych elementów do sieci zakończy się sukcesem. Oczywiście, jeśli okaże się, że sieć w przedsiębiorstwie ma spory zapas przepustowości, żaden problem nie wystąpi, jednak to zdarza się rzadko.
Zwiększona przepustowość jest kosztowna i pewnie była jeszcze bardziej kosztowna w momencie budowy zakładu. Na przestrzeni lat kilka innowacji technologicznych sprawiło, że wymagania dotyczące przepustowości sieci przemysłowych nieco zmalały, ale wiele z nich przyniosło przeciwny efekt. Wiele zakładów działa zatem na granicy możliwości sieci, a jednocześnie nie zdaje sobie z tego sprawy.
Czy ta modernizacja zadziała?
Wróćmy do hipotetycznego projektu międzyplatformowego. Załóżmy, że doradca klienta dostawcy A ma wiedzę i doświadczenie w podobnych projektach i zastosowaniach do rozpatrywanego. Nie ma powodu, by wątpić, że projekt powinien się udać, ale pozostaje nurtujące pytanie: „Czy to zadziała w tym konkretnie przypadku?”. Jest to istotne pytanie – należy je postawić i odpowiedzieć na nie przed rozpoczęciem projektu. Nie można zakładać, że wszystko się uda, ponieważ w grę może wchodzić wiele zmiennych, nawet więcej, niż się na początku może wydawać.
Duża ilość zmiennych sprawia, że dostawcy nie chcą gwarantować wydajności systemu automatyki. Każdy zakład, aplikacja jest inna, należy więc się upewnić, że wiemy, co kupujemy. Najcenniejsze informacje można często uzyskać od osoby pracującej w firmie o podobnym profilu, w której przeprowadzano porównywalny projekt, choć najczęściej bywa, że tego typu sytuacje są trudne do porównania. Nawet jeśli firma jest lustrzanym odbiciem tej drugiej, może się zdecydować na użycie bardziej wyszukanych grafik na panelach HMI, które potrzebują większych ilości informacji lub ich częstszego odświeżania. W obu przypadkach wymagania sieci są wyższe i dlatego obiekty trudno jest bezpośrednio porównać.
Wszystko sprowadza się do tego, jaki poziom ryzyka przedsiębiorstwo jest w stanie przyjąć. Jeśli firma określi, że jej sieć działa na 80% swojej pojemności, czy bezpieczne będzie dodanie nowego panelu HMI, który zwiększy obciążenie o 17%? Jak dokładne są te obliczenia i jak blisko granicy firma chce się znaleźć? Wiedząc, że nie ma jasnych zasad w tym względzie, podjęcie decyzji staje się zadaniem z zakresu szacowania ryzyka.
Rozwiązywanie problemów z siecią
Jakiś czas temu firma Maverick Technologies była zaangażowana w projekt klienta, w którym starała się odpowiedzieć na pytania związane z obciążeniem sieci. Klient zlecił dostawcy systemu automatyki przeprowadzenie badań sieci w związku z planowanym projektem migracyjnym.
W badaniu zamieszczono wiele zaleceń, w tym uwagę, że platforma zarządzania alarmami zabierała 20% całkowitej przepustowości sieci. Okazało się również, że funkcje grafiki panelu HMI powodowały nadmierny ruch danych w sieci, z powodu niepotrzebnie wysokiej częstotliwości odświeżania danych.
Takie badania nie są tanie, jednak w tym wypadku się opłaciły – pomogły zidentyfikować problemy, które można było szybko rozwiązać, zanim stały się bardziej kosztowne. Oczywiście nie zdarza się to w każdej sytuacji – rezultaty mogą nie być tak rozstrzygające, jak klient oczekuje, a rozwiązania jasne i łatwe, dlatego dostawcy niechętnie się ich podejmują.
Nie w każdym zakładzie urządzenia są skonfigurowane optymalnie do niezbędnego poziomu wydajności, tak aby zużywać najmniejszą możliwą ilość zasobów sieci. Jeżeli wszystko działa, nie ma motywacji do wydawania środków na sprawdzanie ustawień urządzeń i obciążalności kanałów transmisyjnych.
Pewne regulacje są zawsze możliwe, jednak może nie być ich na tyle dużo, by miały znaczący wpływ na rozwiązanie pojawiających się problemów. Mogą pomóc, jeśli znajdujemy się na granicy obciążalności, ale jeśli sterowniki lub panele HMI zostaną znacznie przeciążone w wyniku modernizacji, konieczne może być podjęcie stanowczych kroków w celu poprawy wykorzystania sieci.
Przesunięcie zapotrzebowania i dodanie pojemności
Rozwiązywanie problemów z siecią przez powiększanie jej pojemności i przepustowości do obsługi nowego zapotrzebowania zazwyczaj oznacza przekierowanie ruchu, zwiększenie liczby sterowników i wzmocnienie sieci, polegające na dodaniu przełączników, routerów lub okablowania. W zależności od wieku istniejącego systemu automatyki dodawanie sterowników w systemach nowszych może być łatwym rozwiązaniem, szczególnie że nowoczesne systemy są otwarte na tego typu zmiany.
Projekty zazwyczaj są modyfikowane w czasie ich implementacji, należy więc zachować pewną elastyczność. Typowy scenariusz wygląda tak: początkowy plan zakładał kupno trzech nowych sterowników i zachowanie istniejących 10 sterowników, jednak okazało się, że trzeba kupić 5 nowych sterowników i przenieść część ruchu z istniejących sterowników na nowe. Oprócz dodania nowego sprzętu z jego portami wejścia i wyjścia, trzeba więc rozłożyć istniejący ruch. Tego typu sytuacje pojawiają się często w przypadku projektów modernizacji i mogą powodować opóźnienia implementacyjne, jeżeli przed wdrożeniem nie zadbano o właściwe planowanie.
Pożeracze przepustowości
Niektóre urządzenia lub oprogramowanie w znaczącym stopniu obciążają łącza sieciowe i ograniczają przepustowość sieci. W niektórych przypadkach jest to uzasadnione, jednak nie zawsze. Jedną wspólną cechą elementów zużywających dużą część przepustowości jest potrzeba częstego pobierania dużej ilości informacji z wielu źródeł.
W przytoczonym wcześniej badaniu przeprowadzonym u klienta okazało się, że program zarządzania alarmami powodował nadmierne obciążenie sieci. Innym często spotykanym problemem są programy diagnostyczne, które potrzebują olbrzymich ilości danych, aby działać prawidłowo, co może ograniczyć zasoby sieci. W wielu przypadkach nie muszą one działać cały czas, ich użycie może więc być ograniczone.
W celu zidentyfikowania elementów „pożerających” przepustowość systemu można sprawdzić następujące elementy:
- sterowniki są nadmiernie obciążone – jest to częsty problem i w ramach modernizacji sterowniki należy odciążyć. Oznacza to, że trzeba dodać więcej sterowników, co jest dodatkowym zadaniem oprócz normalnej migracji;
- komunikacja między sterownikami lub między sieciami – jeżeli duża ilość danych w komunikacji między sterownikami spowalnia sieć, aby rozwiązać problem, należy przenieść strategie kontroli między sterownikami. Ocena, jak strategie kontroli i sterowania zwiększają obciążenie sieci i jak można je przenieść w celu rozwiązania problemu, wymaga dokładnych analiz i sporego nakładu pracy;
- panele HMI – tu przede wszystkim rodzi się pytanie: „Jak często ekrany operatorów muszą być odświeżane?” Będzie to zależało od danego procesu i częstotliwości możliwych zmian, jednak w większości firm częstotliwość odświeżania jest ustawiona zbyt wysoko. Jeżeli panel HMI został początkowo ustawiony z wysoką częstotliwością zmiany, możliwe będzie jej spowolnienie, szczególnie w przypadku informacji statycznych, takich jak opisy i jednostki;
- urządzenia mobilne – kadra zarządzająca chce mieć zdalny dostęp do danych wydajności firmy, jednak czy muszą one być uaktualniane co 10 sekund? Czy uaktualnienie co 1–2 minuty nie wystarczy? Obniżenie częstotliwości odświeżania danych urządzeń mobilnych jest łatwą korektą, która może znacznie obniżyć ruch sieci;
- programy stron trzecich – zarządzanie zasobami, dostrajanie, dane historyczne, zarządzanie alarmami, zaawansowane zarządzanie procesami i inne oprogramowanie, często potrzebują dużych ilości danych do wykonywania swoich zadań. Zbadaj każdy z nich i zastanów się nad zmianą konfiguracji, aby zmniejszyć wymagania dotyczące komunikacji. Na przykład program zaawansowanego zarządzania procesami może działać równie dobrze, sprawdzając parametry działania co minutę, zamiast co sekundę;
- problemy ze sprzętem lub oprogramowaniem – niewłaściwa wersja firmware’u, oprogramowania lub inne problemy z konfiguracją mogą powodować błędy komunikacji i znacznie obniżyć wydajność sieci. Tego typu problemy zazwyczaj łatwo zidentyfikować i rozwiązać;
- szybkie pętle – przesunięcie funkcji kontroli bliżej sprzętu i z dala od sterowników centralnych (na poziom obiektowy) zmniejsza ogólny ruch pakietów danych w sieci automatyki, co ma szczególne znaczenie w przypadku pętli wymagających szybkiej kontroli. Rozłożone funkcje kontroli mogą reagować szybciej na przepływ i pętle ciśnienia, które ich potrzebują, np. dzięki instalacji inteligentnego sprzętu i zaworów mogących lokalnie przeprowadzić pętlę.
Podsumowanie
Większość rozwiązań i projektów systemowych długoterminowych zakłada zmniejszanie ruchu danych w sieciach poprzez rozwiązywanie problemów z blokowaniem przesyłu, kierowanie ruchu w sposób bardziej efektywny i zwiększanie pojemności systemu sieciowego. Zbudowanie i utrzymanie bezproblemowej sieci w systemach automatyki przemysłowej zaczyna się od zrozumienia, które elementy muszą się ze sobą komunikować, ile danych musi między nimi przepływać i jak często muszą być one odświeżane. Mając te informacje, łatwiej jest określić, jak postępować w razie potrzeby modernizacji systemu automatyki, dołączenia nowych urządzeń, funkcji itp.
Autor: Chad Harper jest dyrektorem ds. technologii w firmie Maverick Technologies.
Fot.: 1. redakcja, 2. Maverick Technologies, 3. Honeywell