W zakładach przemysłowych działa jeszcze wiele systemów sterowania z lat 70. ubiegłego stulecia. Warto zadać sobie pytanie ? jak długi może być okres żywotności takich systemów i jaki powinien być z punktu widzenia optymalnych potrzeb obsługiwanych aplikacji?
Omawiając zagadnienia technologiczne na jednym z ostatnich spotkań branżowych producentów i dostawców systemów automatyki i monitoringu, jeden z prelegentów stwierdził, że jego firma opracowuje systemy sterowania z wizją ich żywotności na okres ok. 30 lat. Czy to możliwe i czy taka idea jest słuszna? Czy tak można w ogóle stwierdzić? Pamiętać bowiem należy, że w praktyce wypowiedź na temat żywotności konkretnego rozwiązania systemowego możliwa jest dopiero po jego wdrożeniu i kilkuletnim okresie funkcjonowania, testowania w rzeczywistych aplikacjach.
Obserwując aplikacje przemysłowe, przyznać trzeba, że wiele już bardzo starych systemów sterowania, sprzed kilkudziesięciu nawet lat, w całości lub częściowo pracuje w licznych aplikacjach i to bez większych oznak zużycia czy awarii. Co to oznacza w praktyce, jakie powinny być zatem oczekiwania producentów i użytkowników co do kwestii żywotności tego typu systemów?
Zacząć trzeba od ustalenia, co należy rozumieć pod pojęciem systemu sterowania. Jeżeli weźmie się pod uwagę typowy proces przemysłowy, system automatyki składa się w nim z urządzeń rozproszonych, przyłączonych przewodami do modułów we/wy, które z kolei łączą się z jakimś sterownikiem centralnym. Ten sterownik może komunikować się z operatorami systemu przez interfejsy HMI, z serwerami akwizycji i analizy danych (analizy trendów, raporty) itp. Zwykle więc w urządzeniach peryferyjnych rozproszonych instalowane są prostsze funkcje obsługi danych, zaś bardziej zaawansowane w modułach sterowników i serwerów.
Znalezienie starych, oryginalnych modułów interfejsów HMI z lat 70. i 80. ubiegłego stulecia, funkcjonujących w działających aplikacjach, jest raczej trudne. Ze względu na bardzo szybki postęp technologiczny dokonujący się w tej branży i wprowadzanie w kolejnych generacjach interfejsów, nowych funkcji oraz standardów, są one dość często wymieniane. Ponadto w modułach takich interfejsów instalowane są zasilacze, dyski twarde czy klawiatury, które dość szybko ulegają uszkodzeniu, zabrudzeniu itp. Zmieniają się też wersje systemów operacyjnych, kolejne uaktualnienia sterowników, nowsze wersje narzędzi programowych, które zwykle nie są już kompatybilne ze starszymi systemami operacyjnymi. Z drugiej zaś strony moduły rozproszone, karty we/wy, okablowanie strukturalne, to elementy systemowe zwykle niewymagające wymiany i funkcjonujące prawidłowo przez bardzo długi czas. To właśnie te elementy znajdują się najczęściej na liście sprzętu systemów sterowania o najdłuższej żywotności.
Oczywiście trzeba również pamiętać, że same standardy rozproszonych systemów sterowania (z ang. DCS) również przechodzą zmiany i współczesna oferta rynkowa to zwykle druga lub nawet trzecia generacja niektórych z nich. W rzeczywistych aplikacjach moduły systemowe dla standardów pierwszej generacji są już bardzo dużą rzadkością, przede wszystkim dlatego, że jeszcze kilkanaście lat temu nie były dobrze opanowane technologie zabezpieczenia układów przed korozją oraz innymi tego typu uszkodzeniami obwodów drukowanych i kabli transmisyjnych. W okresie tym również odnotowano niezwykły wprost postęp technologiczny w branżach materiałowej, elektronicznej i teleinformatycznej, stąd niejako naturalna konsekwencja eliminacji starszych, mało wydajnych modułów sterowniczych. ? Okazało się, że nie ma sensu utrzymywania modułów przestarzałych, w momencie gdy na rynku pojawiały się tanie zamienniki, oferujące znacznie większe możliwości funkcjonalne i zwiększoną niezawodność.
Dlatego też nasi klienci zwykle po pojawieniu się kolejnej generacji systemów mieli możliwość uaktualnienia systemów już zainstalowanych lub ich wymiany na nowe na preferencyjnych warunkach ? twierdzi Ken Keiser, kierownik działu marketingu firmy Siemens.
Koszty, biznes, funkcjonalność
Podstawowym czynnikiem przemawiającym za utrzymaniem starszych systemów w sprawności są wciąż jednak przede wszystkim koszty. Dlatego też wymiana sprawnie działających urządzeń jest raczej rzadka. ? Jeżeli operatorzy automatycy chcą domagać się wymiany starszych modułów systemowych na nowe, powinni chęć tę dobrze umotywować, bazując na istotnych argumentach ? przekonuje Hesh Kagan, pracownik zespołu innowacyjnych technologii w firmie Invensys Operations Management. ? Istnieje bowiem wiele metod podtrzymania żywotności i aktualności starszych systemów sterowania, więc ich argumenty muszą być na tyle mocne i rzeczowe, by przekonać inwestora o większych korzyściach, jakie przyniesie zakup i instalacja nowych urządzeń systemowych, w stosunku do korzyści, jakie niosłaby ze sobą jedynie modernizacja, aktualizacja modułów już zainstalowanych. Argumentami wartymi rozpatrzenia są w takich sytuacjach: większa elastyczność i niezawodność funkcjonalna, dopasowanie do ogólnoświatowych standardów, redukcja kosztów eksploatacyjnych itp. Ponadto: modernizacja architektury systemowej zgodnie z nowymi standardami branżowymi, zastosowanie nowych technologii komunikacyjnych (Ethernet, transmisja bezprzewodowa).
Jak więc dokładniej przedstawia się sytuacja na rynku? Ile starego sprzętu systemów automatyki wciąż działa? ? Mamy bardzo szeroką grupę sprzętu zainstalowanego w aplikacjach sterowania jeszcze w latach 70. zeszłego wieku ? podkreśla Jason Urso, wiceprezes ds. technologii w firmie Honeywell Process Solutions. ? Na przykład wprowadzony przez naszą firmę w roku 1975 system rozproszony TDC2000 wciąż pozostaje jednym z najpopularniejszych rozwiązań tego typu w aplikacjach przemysłowych. Duży udział rynkowy mają również urządzenia do systemów TDS3000 instalowane w latach 80. i 90. Oczywiście moduły w tych systemach były i są aktualizowane, jednakże trzon strategii funkcjonowania całego systemu sterowania pozostaje niezmienny, obejmując z powodzeniem nawet najnowsze wymagania funkcjonalne i integracyjne.
Firma Honeywell to oczywiście niejedyny przedstawiciel branży, który musi uporać się ze wsparciem technicznym klientów wciąż używających starszych układów i modułów w systemach automatyki. U wielu z nich do tej pory funkcjonują systemy firm Fischer & Porter, Bailey, Moore Products, Siemens i innych. Co więcej, spora ich liczba jest w stanie nienaruszonym, oryginalnym od momentu zainstalowania. Utrzymanie takich systemów to dla dostawców i producentów spore wyzwanie, wymagające zaangażowania działów technicznych, szczególnie biorąc pod uwagę, że w niektórych przypadkach firmy zostały zlikwidowane lub zmieniały właścicieli. Tak na przykład wspomniana firma Moore jest aktualnie częścią koncernu Siemens, Bailey ? ABB itp. Wiele elementów elektrycznych i elektronicznych, zamontowanychw omawianych modułach lub na płytach elektronicznych, jest już dawno wycofana z produkcji, tak więc w niektórych przypadkach konieczne może być ich odtworzenie, wytworzenie elementów ekwiwalentnych, przy użyciu części produkowanych współcześnie. Dlatego często zdarza się, że moduły instalowane w systemie, zastępujące moduły stare, mogą się różnić od nich wyglądem, muszą jednak pasować do dostępnych na miejscu złączy i slotów oraz realizować te same funkcje.
Czy inwestować w przeszłość?
Wspomniane wcześniej kwestie stawiają producentów systemów automatyki przed wieloma dylematami. Przy zgłoszeniach od klientów i użytkowników, dostawcy powinni zawsze rozważyć i mądrze doradzić, czy sensowne jest inwestowanie niemałych niejednokrotnie funduszy w rewitalizację systemów już zainstalowanych, czy jednak rozsądniejsze byłoby przejście na rozwiązania bardziej nowoczesne. ? W większości przypadków o kierunku działań decyduje dostępność funduszy inwestora ? zaznacza Ken Keiser. Reprezentowana przez niego firma Siemens wciąż wspiera technicznie wiele instalacji z modułami firmy Moore Products, ale również jej pracownicy namawiają niektórych klientów do przejścia na nowsze platformy, np. PCS7.
? Jednym z obszarów naszej działalności są aktualizacje starszych sterowników i modułów w systemach automatyki i monitoringu, jednak równocześnie prowadzimy badania i analizy w zakresie wypracowania ścieżek łagodnego, stopniowego przejścia z rozwiązań starszych ku nowym platformom systemowym ? wyjaśnia Keiser. ? Często bowiem okazuje się, że dla konkretnej aplikacji koszty modernizacji starego systemu są porównywalne lub nawet wyższe od kosztów związanych z tworzeniem, instalacją i integracją całkiem nowej platformy systemowej. Jeszcze jednym alternatywnym rozwiązaniem jest opracowywana przez naszych pracowników strategia zoptymalizowana pod kątem usprawnienia funkcjonowania systemu automatyki, zwiększenia jego funkcjonalności i niezawodności, przy jednoczesnej minimalizacji kosztów, instalacji nowego sprzętu, kabli, oprogramowania ? dodaje Ken Keiser.
Dostawcy i integratorzy sprzętu dążą w takich przypadkach do wykorzystania w jak największym możliwym stopniu istniejącej już infrastruktury systemowej, sugerując wymianę na nowsze tylko najbardziej awaryjnych modułów, o ograniczonych funkcjach lub żywotności.
Czy długa żywotność systemu jest pożądana?
Czy nie wprowadzono wielu technologicznych udoskonaleń od czasu, gdy dany system był instalowany? Czy stary system nie opóźnia lub wręcz uniemożliwia uzyskanie większej wydajności obsługiwanych procesów, nie powoduje zacofania technologicznego zakładu? To pytania, przed którymi staje każdy użytkownik systemów automatyki i najczęściej musi na nie odpowiadać twierdząco, jednak producenci i dostawcy urządzeń automatyki znaleźli już drogę umożliwiającą złagodzenie radykalizmu tych kwestii. Wiele ze wspomnianych osiągnięć rozwoju funkcjonalnego systemów automatyki i monitoringu dotyczy poziomu interfejsów HMI ? człowiek-maszyna ? i dlatego też aktualizacja czy modernizacja tej sfery sprzętowo-programowej może w wielu przypadkach poprawić znacząco wydajność i skuteczność działania całego systemu. Powinna ona jednak obejmować:
- integrację z systemami teleinformatycznymi sfery biznesowej przedsiębiorstwa,
- strategie bezpieczeństwa samych danych cyfrowych w systemie i kanałów ich transmisji,
- zarządzanie alarmami,
- akwizycję danych i narzędzia analiz oraz raportowania,
- stacje operatorskie,
- modyfikacje skomplikowanych wyświetlaczy graficznych.
Jednocześnie wymiana ewentualnych modułów sprzętowych, które wymagałyby zmiany, jest dość utrudniona. Aby operację taką przeprowadzić efektywnie, niezbędne jest wcześniejsze przeanalizowanie wymogów, potrzeb systemowych i ustalenie w ten sposób kategorii sprzętu bezzwłocznie podlegającego wymianie, modułów przeznaczonych do wymiany w dalszej kolejności i wreszcie wymagających jedynie niewielkich modyfikacji. Przykładem może być decyzja o wdrożeniu systemu zarządzania funkcjonowaniem urządzeń bazującego na protokole HART, wraz z czujnikami i innymi modułami we/wy. Jeżeli dotychczasowy system sterowania zbudowany był na modułach analogowych, to co należy zrobić, jak podejść do procesu modernizacji? ? Realizujemy obecnie wiele projektów modernizacji starych systemów zarządzania i sterowania ? przyznaje Jason Urso. ? Jednym ze sposobów modernizacji jest zastosowanie sprzętowych multiplekserów standardu HART, które bardzo prosto montuje się w szafach sterowniczych i które później przechwytują sygnały z systemów analogowych 4?20 mA, dopasowując je do standardu HART. Użycie multiplekserów znacznie upraszcza całą procedurę modernizacji i aktualizacji systemu ? wyjaśnia dalej Jason Urso.
Podkreśla on jednak, że systemy zarządzania urządzeniami nie są tym, czego klienci najczęściej oczekują przy modernizacji swoich systemów sterowania i automatyki. Często zdarza się bowiem, że wyższy priorytet otrzymują inne elementy systemu. ? Klienci skupiają swe wymagania zwykle na dwóch sferach ? kontynuuje. ? Najważniejszą kwestią w takich sytuacjach jest chęć zachowania w jak największym stopniu infrastruktury systemowej już istniejącej, przy jednoczesnej redukcji kosztów funkcjonowania i zmniejszeniu zużycia energii. Tu z pomocą przychodzi zastosowanie modułów przejściowych, pomiędzy częściami systemu starszymi a nowszymi, oferującymi dodatkowe możliwości i zdolnymi do obsłużenia sygnałów dostarczanych przez moduły starsze. Druga sfera zainteresowania klientów/użytkowników to interfejsy HMI. Praktyka wskazuje bowiem, że zwykle ok. 30% awaryjnych sytuacji w sterowaniu aplikacji jest efektem błędu człowieka ? operatora. Wynikać on może po pierwsze z otrzymania niewłaściwych danych na pulpity sterownicze lub być wynikiem niewłaściwych albo zbyt późnych decyzji.
Istnieje zatem uzasadnione przekonanie, że wprowadzenie nawet niewielkich modyfikacji i usprawnień w obsłudze interfejsów użytkownika może się przyczynić do znacznych oszczędności eksploatacyjnych i zwiększenia wydajności automatyzowanych procesów. Obie z wymienionych kwestii są uwzględniane w działaniach producentów systemów sterowania i zarządzania procesami przemysłowymi ? twierdzi Jason Urso.
Kupić stare ? kupić nowe
Choć wiele starszych platform systemowych zostało już dawno wycofanych z rynku przez ich producentów, to jednak istnieje kilka, które wciąż są przez nich utrzymywane i wspierane technicznie. Może jednak się okazać, że już wkrótce i one będą stopniowo wycofywane z oferty. Keiser przyznaje, że na co dzień zmaga się z jednym pytaniem: Czy jeżeli klient, dysponujący już systemem sterowania i zarządzania starszej generacji, decyduje się na przykład na rozbudowę linii produkcyjnej lub całego zakładu, to doradzać mu jego modernizację i rozszerzenie funkcjonalności w oparciu o infrastrukturę już wykorzystywaną, czy też wprowadzić u niego całkiem nowe rozwiązania systemowe? To wszystko zależy oczywiście od konkretnego przypadku. Jeżeli klient mówi: ?Teraz mamy zamiar dołączyć do aplikacji jeden bojler, jednak w ciągu najbliższych 20 lat planujemy dołączyć ich w sumie ok. 10?, to oczywiście doradzamy mu zainwestowanie w nowy system sterowania i monitoringu dla tych urządzeń, zdolny do połączenia i integracji ze współczesnymi systemami teleinformatycznymi i sieciowymi. W takich sytuacjach, gdzie planowana jest długofalowa strategia rozwoju aplikacji i niezbędnych dla nich systemów sterowania, nie warto bawić się w modernizacje i aktualizacje starych systemów ? konieczne jest spojrzenie w przyszłość i dostosowanie platformy systemowej, tak by mogła ona być podstawą do rozwoju nowychfunkcjonalności w perspektywie co najmniej kilkuletniej.
Spojrzenie w przyszłość
Czy systemy instalowane współcześnie będą w stanie funkcjonować tak długo, jak klasyczne rozwiązania z lat poprzednich? Można się spodziewać że tak, a może nawet dłużej. Jak przyznają eksperci, w ciągu tych dziesięcioleci zmieniała się również koncepcja projektowania i organizacji systemów sterowania i monitoringu. Jednym z podstawowych jej założeń obecnie, w związku z bardzo szybkim postępem technologicznym, jest możliwość sprawnego aktualizowania modułów systemowych szczególnie w sferze oprogramowania, sterowników, aplikacji, funkcjonalności, wraz z pojawiającymi się nowymi rozwiązaniami technologicznymi. Tak więc zarówno część sprzętowa i programowa nowych systemów musi być bardziej otwarta, elastyczna i oparta na ogólnoświatowych standardach.
Oczywiście pamiętaćnależy przy tym, że niektóre elementy systemowe mogą ulegać awariom i konieczna będzie ich fizyczna wymiana, która jednak nie powinna się wiązać z ich niekompatybilnością z elementami już zainstalowanymi. Nabiera to szczególnego znaczenia w świetle ogólnej tendencji do wydłużania się żywotności oferowanych aktualnie rozwiązań. Wydaje się zatem, że obsługa wsparcia technicznego dla systemów automatyki w kolejnych latach nic nie straci na swym znaczeniu i randze, a być może stawiać będzie jeszcze większe wyzwania przed grupami inżynierów i specjalistów branżowych.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza, AGH Kraków
