Realizacja projektów przy użyciu środowiska wirtualnego, wysoce zintegrowanego z systemem sterowania procesem, łączy ze sobą oprogramowanie oraz sieci teleinformatyczne w celu odłączenia aplikacji sterowania od sprzętu fizycznego i sterowników od fizycznych układów wejść/wyjść. To zmniejsza wydatki kapitałowe dzięki przejściu z dostosowywania systemu automatyki do użytkownika na standaryzację w projektowaniu tego systemu i wyeliminowanie pewnych prac, które nie przynoszą zysku.
Obecnie świat zmienia się z bezprecedensową szybkością, zaś technologie sterowania procesami w przemyśle zareagowały na to przez zaadaptowanie zasad odchudzania (Lean) w realizacji projektów aplikacji przemysłowych oraz wykorzystanie oprogramowania i sieci teleinformatycznych w celu odłączenia aplikacji sterowania od sprzętu fizycznego oraz sterowników od fizycznych wejść/wyjść (I/O) sterowanych obiektów. Konstrukcje modułowe umożliwiają sformowanie przez wiele sterowników fizycznych jednego sterownika wirtualnego. Takie technologie, wykorzystane w usieciowionej gospodarce światowej, pomagają firmom w osiągnięciu koniecznej elastyczności, zachowaniu wysokiej niezawodności oraz podejmowaniu właściwych decyzji biznesowych.
Procesy przemysłowe muszą być realizowane szybko i efektywnie. Projekty muszą być wykonywane zgodnie z harmonogramem i wyznaczonym budżetem. Pracownicy muszą mieć możliwość reagowania na zmieniające się okoliczności, mając zaufanie do dostępnych i precyzyjnych danych. Technologia musi umożliwić osiągnięcie sukcesu, a nie przeszkadzać w tym.
Niewiele środowisk technologicznych jest bardziej złożonych od tych, które są wymagane dla przemysłowych systemów sterowania (ICS). Środowiska te muszą zawierać i realizować krytyczne funkcje, w tym cyberbezpieczeństwo, redundancję, sieci o dużej szybkości przesyłu danych oraz operacje deterministyczne. To pomaga klientom sterować pracą swoich zakładów produkcyjnych przy zachowaniu najwyższych poziomów niezawodności, realizujących procesy krytyczne pod względem bezpieczeństwa.
Systemy sterujące procesem (PCS) obsługują różne gałęzie przemysłu od ponad 30 lat. Jednak w praktyce pozostaje wiele niewykorzystanych możliwości i obszarów do znacznego zwiększania zysków firm przemysłowych ? umożliwionych dzięki potędze nowych technologii. Na przykład przemysł procesowy wciąż ma możliwość obniżenia wydatków kapitałowych poprzez przejście od dostosowywania systemów sterowania do danej fabryki na standaryzację i wyeliminowanie znacznej ilości prac, które nie przynoszą zysku. Po zainstalowaniu nowych systemów następuje znaczące ulepszenie operacji dzięki konwertowaniu danych na wiedzę, a następnie transformacji tej wiedzy na bardziej precyzyjne działania.
W ostatecznym rozrachunku przemysł procesowy zyskuje możliwość realizacji projektów w krótszym czasie, przy mniejszym ryzyku oraz jednoczesnym zwiększeniu wydajności produkcji, jakości wyrobów oraz niezawodności operacyjnej. Cale dziesięciolecia wdrożeń i współpracy z klientami dają producentom automatyki praktyczną znajomość słabych punktów, które utrudniały skuteczne wdrażanie projektów i ograniczały klientom możliwości uzyskiwania i utrzymywania najwyższego poziomu realizowanych operacji. Pomaganie klientom w przezwyciężaniu tych przeszkód spowodowało powstanie nowego podejścia do wdrażania i eksploatacji systemów ICS poprzez zintegrowanie z nimi środowiska wirtualnego.
System sterowania może być wdrożony efektywnie za pomocą metod realizacji Lean dla projektów automatyki. Taka strategia eliminuje tradycyjne zależności, które zwykle wymuszały sekwencyjne przepływy w realizacji projektów. Dokonuje się tego poprzez połączenie uniwersalnych urządzeń We/Wy, wirtualizację, wirtualne prace inżynierskie oraz zautomatyzowane uruchamianie. Takie postępowanie w praktyce oddziela projekt fizyczny od funkcjonalnego, rozdziela współzależności zadań, wykorzystuje standaryzowane projekty oraz umożliwia wykonywanie prac inżynierskich specjalistom znajdującym się w dowolnym miejscu na świecie. Daje to w efekcie znaczne zmniejszenie ryzyka i kosztów.
Mniejsza złożoność systemu sterowania oraz wykorzystanie modułów
Nowe generacje systemów sterowania stosują zasady Lean realizacji projektów oraz oprogramowanie i sieci teleinformatyczne do oddzielenia aplikacji automatyki od sprzętu fizycznego oraz sterowników od fizycznych wejść/wyjść. Takie podejście umożliwia opracowywanie i wdrażanie systemów sterowania w krótszym czasie, przy niższym ryzyku, po niższych kosztach oraz w prostszy sposób ? przy wykorzystaniu modułów.
Zmienia ono również sposób utrzymywania systemów sterowania w trakcie całego okresu ich eksploatacji, przesuwając codzienne zarządzanie serwerami do scentralizowanego centrum danych, gdzie eksperci i ustanowione protokoły ograniczają obszary zagrożenia cyberbezpieczeństwa, umożliwiając inżynierom z fabryk bardziej proaktywne działania optymalizacyjne obsługiwanych systemów sterowania.
Eliminowanie złożoności, oddzielenie automatyki od platformy fizycznej oraz redukcja kosztów technologii informatycznej (IT) może usunąć przeszkody na drodze do upraszczania struktury, wdrażania i zarządzania cyklem życia systemu sterowania dla celów operacji związanych z projektem.
Przesunięcie obsługi fizycznych wejść/wyjść na obiekty skutkuje przesunięciem całego systemu sterowania procesem bliżej jednostek produkcyjnych. Tradycyjne centra sterowania są ciasno zabudowane specyficznymi dla systemu szafami sterowniczymi oraz ogromnymi ilościami oprzewodowania, przy czym dokumentacja techniczna takiego systemu jest zwykle uboga. Rozproszenie systemu sterowania tak, aby jego elementy znalazły się bliżej sprzętu procesowego, pozwala na uzyskanie większych oszczędności na projekcie, redukcję ilości oprzewodowania i prac inżynierskich oraz zmniejszenie przestrzeni zajmowanej przez system.
Niektóre zakłady wdrożyły strategie zdalnych wejść/wyjść w celu redukcji kosztów projektów, jednak są z tym nierozerwalnie związane inne korzyści, takie jak modułowa budowa systemu oraz równoległa realizacja różnych zadań projektu.
Aby osiągnąć tę nową generację korzyści, należy wziąć pod uwagę zainstalowanie w zakładzie szybkiej sieci Ethernet z obiektowymi modułami wejść/wyjść. Taka sieć łączy sterowniki z uniwersalnymi układami We/Wy, zamontowanymi bezpośrednio w obszarach produkcyjnych. Komunikacja w tej sieci powinna być cyberbezpieczna ? sieć powinna mieć wbudowany firewall i wykorzystywać technologie szyfrowania danych tam, gdzie jest to potrzebne, jednocześnie dostarczając technologię dla akomodacji nieuchronnie coraz większej ilości danych z czujników.
Cztery zalety architektury systemu sterowania wysoce zintegrowanego ze środowiskiem wirtualnym
Korzyści z takiej architektury systemu sterowania obejmują następujące cztery aspekty:
Funkcja wykrywania uniwersalnych modułów wejść/wyjść pozwala sterownikowi na uzyskanie dostępu do każdego podłączonego do sieci modułu i kanału We/Wy. Tradycyjna komunikacja sterownika z układami We/Wy wymaga bezpośredniego połączenia fizycznego pomiędzy sterownikiem a szafką We/Wy. Podłączenie do sieci zdalnych, uniwersalnych układów We/Wy eliminuje znaczną ilość prac związanych z planowaniem oraz instalacyjnych. Projektant systemu opracowuje strategię sterowania i przypisuje ją sterownikowi, ten zaś sam sobie znajduje odpowiednie wejścia/wyjścia. Zmniejsza to ilość prac inżynierskich związanych z projektem.
Możliwość sterowania sprzętem modułowym jest prostą opcją oprogramowania systemu, która umożliwia sterowanie redundantne i charakteryzuje się dużą szybkością działania. Jako podzbiór sterownika procesu to sterowanie jest idealne dla sprzętu modułowego, obejmując takie procesy, jak regulacja oraz sterowanie sekwencyjne i logiczne. To eliminuje potrzebę skomplikowanej integracji różnych podsystemów automatyki.
Uniwersalny bezprzewodowy punkt dostępu do sieci (hot spot) realizuje komunikację przewodową lub bezprzewodową z przyrządami obiektowymi. W razie potrzeby umożliwia on działanie każdego obiektowego urządzenia i modułu We/Wy jako bezprzewodowego punktu dostępowego. Pozwala to pracownikom na wykonywanie procedur cyfrowych z dostępem na żywo do danych z systemu sterowania, podczas wykonywania prac na obiektach związanych z uruchomieniem i obsługą.
Modułowe uruchamianie daje możliwość obsługi obiektowych układów We/Wy niezależnie od systemu sterowania. Dzięki tej możliwości sterowniki mogą być uruchamiane na laptopie podłączonym do odległej szafy sterowniczej z modułami. Można w taki sposób wykonać działania związane z uruchomieniem, tak jak przy podłączeniu do reszty systemu sterowania. Dzięki tej elastyczności rozbudowa systemu modułowego staje się prosta.
Opisane wyżej korzyści połączone razem dają znacznie większe możliwości inżynierom, pozwalając na realizację projektów w krótszym czasie i przy niższym ryzyku. Na przykład wyeliminowanie ryzyka oraz konieczności wykonania ponownych prac, co jest nierozerwalnie związane ze zmianami wprowadzanymi w późniejszych etapach projektu, zapewnia, że automatyka nie stanie się krytyczną ścieżką (wąskim gardłem na drodze do realizacji projektu). Dodanie nowego układu We/Wy w wyniku zmiany w projekcie powoduje tylko rozbudowę sieci systemu sterowania, bez wymogu wprowadzenia skomplikowanych zmian w systemie sterowania.
Tradycyjne opracowywanie systemu sterowania w projekcie wymaga skrupulatnego planowania, ponieważ jest ono kierowane sztywnym podejściem hierarchicznym, zdefiniowanym przez ściśle ograniczone relacje fizyczne pomiędzy sterownikami a układami We/Wy. Gdy na późniejszych etapach projektu pojawiają się zmiany dotyczące wejść/wyjść lub sterowników, wymagające fizycznej ponownej konfiguracji systemu, to powstaje konieczność ponownego wykonania niektórych prac oraz ryzyko opóźnień w realizacji i wyższych kosztów, zmniejsza się też efektywność wdrażania projektu.
Umożliwienie wielu sterownikom fizycznym występowania jako jeden sterownik wirtualny powoduje, że system sterowania pod względem architektury staje się swego rodzaju centrum danych tego sterownika, w którym programy sterujące poszczególnymi procesami w fabryce mogą być automatycznie zrównoważone pod względem obciążenia dla wszystkich dostępnych zasobów obliczeniowych sterownika.
Zmniejszanie kosztów informatycznych sterowania procesami
Opisana technologia wirtualizacji redukuje koszty IT przez wyeliminowanie ilości fizycznych węzłów IT nawet o 80%. Jednak nawet wówczas w zakładzie pozostaje infrastruktura IT dla celów utrzymania niezawodności i określenia zakresu szkód. Koszty cyklu życia zmniejszają się dzięki wykorzystaniu wirtualizacji ? pliki maszyny wirtualnej są replikowane z lokalizacji poza zakładem do lokalizacji w zakładzie.
Ten system o architekturze eliminującej awarię (fault-tolerant) może być obsługiwany z głównego centrum operacji lub regionalnego centrum danych. Przez przesunięcie infrastruktury IT obsługującej sterowanie możliwe jest centralne sterowanie procesami, co eliminuje koszty związane z utrzymaniem infrastruktury IT w poszczególnych zakładach. Taka architektura charakteryzuje się wysoką niezawodnością, wymaganą do sterowania krytycznymi procesami.
Jason Urso jest wiceprezesem i dyrektorem technicznym w firmie Honeywell Process Solutions.