Określenie strategia automatycznego sterowania nie ma jeszcze żadnej oficjalnej definicji. Ten temat został wybrany, aby pokazać, że znaczenie automatyzacji w procesie produkcyjnym ostatnio się zmieniło i jej granice coraz bardziej zanikają. Rodzaj zastosowanego układu sterowania zależy od tego, jakie procesy i operacje technologiczne są stosowane w danym przedsiębiorstwie. Na przykład oglądając jakikolwiek proces rafinacji, prawdopodobnie znajdziemy jakiś rodzaj rozproszonego systemu sterowania (DCS) (fot. 1). Z drugiej strony w zakładzie, w którym montowane są elektroniczne lub mechaniczne podzespoły, będą sterowniki programowalne (PLC).
Fot. 1. System automatyki o strukturze rozproszonej umożliwia kierowanie procesem produkcyjnym, zapewnia bezpieczeństwo, inteligentne oprzyrządowanie i uzasadnioną jego ilość (zdjęcie dzięki firmie ABB)
W zakładach stosujących technikę dozowania, na przykład w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym czy produkcji napojów, zetkniemy się z różnymi procesami technologicznymi, zarówno ciągłymi (z reguły przemysł przetwórczy), jak i nieciągłymi – dyskretne (wielotaktowe). Mówi się często, że różnica pomiędzy przemysłem przetwórczym i przemysłem z procesem nieciągłym polega na tym, że w pierwszym wytwarzane są materiały, a w drugim – wyroby. Mimo że tradycyjnie te całkowicie różne metody produkcji są swego rodzaju przeciwieństwami, to razem tworzą pewną całość (rys. 2).
Różnice, podobieństwa i liczba wyrobów wytwarzanych w danym zakładzie wpływają na projekt układu sterowania. Kompleksowa automatyzacja ma różne oblicza w zależności od metod wytwarzania, obowiązujących przepisów, wymagań dotyczących dokumentacji i sprawozdawczości, strategii obsługi oraz przeglądów i napraw.
Zakłady stosujące automatykę do sterowania swoimi procesami produkcyjnymi zyskują przewagę nad konkurencją. Automatyzacja umożliwia firmom produkowanie większej liczby wyrobów, szybciej, z mniejszą ilością braków i odpadów spowodowanych wadliwymi materiałami. Aby jednak uzyskać takie efekty, dla danego procesu musi być zastosowany właściwy sposób automatyzacji, co nie zawsze jest łatwe do sprecyzowania.
W tym artykule, przytaczając kilka strategii sterowania i automatyzacji, przedstawiono pewną ich klasyfikację. Te różne kategorie automatycznej regulacji i sterowania dotyczą układów sterowania dyskretnego (dwustanowego), rozproszonych i hybrydowych.
Sterowanie dyskretne
Kiedy ktoś mówi o sterowaniu dyskretnym, to na ogół jest to rozumiane jako sterowanie procesem z zastosowaniem sterownika programowalnego (PLC). Sterownik PLC jest znany od połowy lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku.
Byłoby nadmiernym uproszczeniem zakładać, że sterowanie dyskretne jest przeznaczone do taktowego (dyskretnego) procesu przemysłowego. Sterowniki PLC zajmowały miejsce przekaźników elektromechanicznych, które od dziesięcioleci były głównym elementem w układach sterowania pracą maszyn. Obecnie możemy powiedzieć to samo o sterownikach, ale nie zostały one dotąd zastąpione niczym innym.
Zespół doradców firmy ARC Advisory Group wymyślił określenie „sterownik programowalny” na potrzeby automatyzacji, aby podkreślić postęp, jaki nastąpił po wprowadzeniu sterowników PLC (fot. 3). Kiedy w zakładach zaczęto konfigurować i programować sterowniki PLC, tak aby działały jak komputery osobiste lub sterowniki w systemach rozproszonych albo w zintegrowanych systemach sterowania ruchem, nadszedł czas, aby zmienić paradygmat PLC i utworzyć słowo o nowym brzmieniu.
Jeszcze bardziej niż taki trzyliterowy akronim, zachodzące zmiany nasiliły postępowanie zmierzające w kierunku zacierania linii podziału pomiędzy sterowaniem procesami: dyskretnym i ciągłym, jak również pomiędzy możliwościami funkcjonalnymi sprzętu i oprogramowania PLC i DCS.
Sterowanie w systemach rozproszonych
W przeszłości operatorzy, korzystając z pulpitu z przyciskami, prowadzili ciągły proces technologiczny zakładu. W oparciu o wartości odczytane na wskaźnikach i miernikach określali przebieg procesu produkcyjnego. Jeżeli szczęście im sprzyjało, obliczenia były wykonane we właściwym czasie, umożliwiając dokonanie zmiany nastaw zaworów przed następną rundą odczytów.
Rys. 2. W całym obszarze przemysłu, od potężnej energetyki do wyrafinowanej mikroelektroniki, występują procesy ciągłe i nieciągłe. Każdy zakład produkcyjny umieszczony wewnątrz tego obszaru potrzebuje automatyki z obu najważniejszych struktur (DCS i PLC) (dane dzięki Siemens Energy & Automation)
Na rynku pojawiła się automatyka pneumatyczna. Technika ta w końcu zawędrowała do centralnej nastawni. Zcentralizowanie funkcji sterowania zbliżyło proces wytwarzania do operatora. Zwiększyło to również kompleksowość układów automatycznej regulacji. Niewątpliwą korzyścią było skrócenie czasu, jaki operatorzy musieli poświęcać na obchód obiektu, jednocześnie wydłużenie czasu na obliczenia.
Jeszcze krótko po zakończeniu drugiej wojny światowej aparatura elektroniczna nie była odporna na działanie środowiska przemysłowego. Lecz powoli zaczęły się pojawiać nowe czujniki, umożliwiające wykonywanie niektórych pomiarów bezpośrednio w czasie procesu technologicznego, eliminując badanie próbek w laboratorium. Pewna miniaturyzacja aparatury umożliwiła umieszczenie większej liczby bloków funkcjonalnych w centralnej sterowni, zwiększając jeszcze bardziej jej kompleksowość. Wymagało to jednak zastosowania większej ilości okablowania łączącego sterownię z czujnikami pomiarowymi na obiekcie. Ten problem stał się z kolei wyzwaniem dla inżynierów produkcji i automatyków. Gdy spadły ceny dużych systemów komputerowych, zaczęły się one pokazywać w centralnych sterowniach.
Ulepszenia w urządzeniach i językach programowania umożliwiły komputerom rozwiązywanie zadań sterowania procesem, chociaż należy wiedzieć, że komputery zostały opracowane przede wszystkim na potrzeby zarządzania. Koszty automatycznej regulacji rosły. Okablowanie stało się jeszcze bardziej złożone. Ekspertyza techniczna dla projektu układu, nakłady pracy na ułożenie linii i wykonanie zakończeń były głównymi utrudnieniami, ale i wyzwaniami. Z tego scenariusza wyłonił się poważny problem regulacji. Jeżeli komputer ulegnie uszkodzeniu, to może stanąć cały zakład. Aby zapobiec takim zdarzeniom, używane były regulatory rezerwowe. Oznaczało to, że zakład musiał do wszystkiego zakupić po dwa zestawy regulacyjne, aby zapewnić wymaganą niezawodność podwójnego układu regulacji. Z powodu takiego nadmiaru sprzętu często komputer regulował, a przyrządy analogowe utrzymywały funkcjonowanie zakładu. W tej sytuacji potrzebni byli operatorzy, którzy wiedzieliby, jak działają komputery, byli biegli w sterowaniu automatycznym ciągłych procesów technologicznych. Operatorów o takich kwalifikacjach było niewielu i musieli być wysoko opłacani.
Taki efekt zastosowania komputerów w sterowaniu procesami spowodował skokowy rozwój systemów sterowania z rozproszoną inteligencją (DCS). Zastosowanie techniki cyfrowej w systemach sterowania zmieniło diametralnie kierunek prowadzenia regulacji automatycznej ciągłych procesów technologicznych.
Powstanie sieci transmisji danych nie tylko zredukowało liczbę kabli, ale też zbliżyło inteligentne sterowanie ze sterowni do rzeczywistego procesu technologicznego. Właściwości sieci, z których wiele miało układ otwartej magistrali obiektowej (lub tak zbudowanej, że mogła stać się otwartą we właściwym momencie) umożliwiły umieszczenie regulatorów w pobliżu punktów pomiarowych i zaworów regulacyjnych zamiast w centralnej sterowni. Zostało to określone jako wprowadzenie systemów regulacji z rozproszoną inteligencją.
Firma Gartner Inc. definiuje regulację z rozproszoną inteligencją jako „formę bezpośredniego sterowania cyfrowego do automatyzacji procesu technologicznego przy rozproszeniu regulatorów o specjalnym przeznaczeniu na terenie całego zakładu produkcyjnego i powiązanego wspólną siecią komunikacyjną. W systemach DCS pomiar, sterowanie i komunikacja są rozproszone zarówno funkcjonalnie, jak i przestrzennie. Przez podział i rozproszenie funkcji regulacyjnych, w razie awarii i utraty możliwości sterowania procesem z pulpitów operatorskich umieszczonych w centralnej sterowni, lokalne regulatory rozmieszczone na terenie całego zakładu będą nadal pełnić funkcje regulacji. Podobnie, gdy zawiedzie jedna lokalna stacja sterująca, inne regulatory mogą przejąć i kontynuować jej działanie. Systemy DCS są zwykle rozwijane tam, gdzie wymagana jest odporność na usterki i uszkodzenia, bo stosując rozwiązania nadmiarowe, osiąga się duży dostęp do informacji i danych w układzie.”
Fot. 3. Układ automatyki oparty na sterownikach (PLC) stał się otwartym standardem przemysłowym, płaszczyzną ogólnego rozwoju, realizując szeroki zakres funkcji z zaawansowanymi możliwościami. Te nowe możliwości to sterowanie ruchem, sterowanie napędami, algorytmy regulacji PID, wspomaganie użytkownika, wizualizacja procesu oraz obróbka i przesyłanie danych. Jak donosi publikacja ARC Advisory Group, jest to efekt rozwoju i zastosowania programowalnych sterujących regulatorów (PAC – Programmable Automation Controller) (zdjęcie dzięki firmie AutomationDirect)
Typowy układ automatyki z rozproszoną inteligencją składa się z szeregu elementów sprzętowych, które funkcjonalnie zintegrowane w jedno rozwiązanie, są jednak fizycznie oddzielone, a nawet znacznie od siebie oddalone. Taki element spełnia przynajmniej jedną funkcję w całym układzie: może to być na przykład regulator, sieć transmisyjna lub urządzenie wizualizujące.
I chociaż każda regulacja jest dostosowana do indywidualnego procesu produkcyjnego, nie znaczy to, że dane z nią związane mają tkwić w tym samym miejscu obok obiektu regulacji. Komputer, magistrala obiektowa, przemysłowy Ethernet i inne rozwiązania techniczne do sterowania i komunikacji, tak samo jak regulator z algorytmami działania, pozostają przy obiekcie, podczas gdy dane mogą być i są przekazywane do całego przedsiębiorstwa, czy to będzie jeden zakład, czy wiele, nawet rozmieszczonych na całym świecie.
Dokąd zmierza DCS?
Kierunki rozwoju układów automatycznej regulacji i sterowania wskazują na fakt pojawiania się coraz większej „inteligencji” na poziomie produkcji, podczas gdy coraz więcej informacji wędruje po całym przedsiębiorstwie. Tradycyjny interfejs operatora wędruje do lokalnej sterowni, gdzie znajduje się już więcej mocy obliczeniowej i więcej bogatszego oprogramowania użytkowego, natomiast ze sfery produkcji do całego przedsiębiorstwa kieruje się coraz więcej informacji o charakterze ekonomicznym.
Funkcje regulacji są przenoszone do małych urządzeń czy elementów obiektowych; małe zwarte czujniki są wyposażane w algorytmy diagnostyczne, zaś centralnie usytuowane oprogramowanie SCADA diagnozuje pracę całego systemu automatyki. Istniejące sieci nie będą już dłużej konieczne do zapewnienia odpowiedniej szybkości działania i efektywności transmisji. Standardy ukazują możliwość realizacji takich transformacji. Niemniej ten postęp nie jest w stanie rozwikłać wszystkich trudności.
Trzy czynniki, mające dziś wpływ na rynek układów DCS, to wymiana starego wyposażenia, wzrastające wymagania możliwości wartościowania i potrzeba bardziej wszechstronnych systemów. Zakłady produkcyjne mają już bardzo rozbudowaną bazę urządzeń z rozproszoną inteligencją, chociaż niektóre z nich liczą już ponad 20 lat. Przedsiębiorstwa poszukują efektywniejszych ekonomicznie sposobów usprawniania swoich systemów, ponieważ nie mogą uzasadnić kosztownego usunięcia starego wyposażenia i wprowadzenia nowego.
Dostawcy układów automatyki typu DCS wprowadzają małe układy, wycofując te, których gospodarka domagała się jeszcze 10 lat temu, zarówno komputery przemysłowe, jak i sterowniki. Przyrzekano, że te nowe, mniej kosztowne, „startowe” systemy DCS doprowadzą do dużych systemów (ang. grow as you go), co uczyniło je względnie konkurencyjnymi. DCS, spadkobierca standardowej (klasycznej) regulacji, prześcignął ją, lecz funkcjonalność zaawansowanych metod regulacji musiała być skierowana w stronę minikomputerów. Nowoczesne zastosowania układów DCS mają zaawansowane funkcje wbudowane w cały system rozciągający się na takie obszary, jak nadzorowanie i prowadzenie produkcji, kierowanie wydziałami produkcyjnymi i zarządzanie wyposażeniem, łącznie z utrzymaniem go w ruchu.
DCS czy PLC?
Nieustająca debata na temat, jaki układ automatyki byłby lepszy dla określonego procesu przemysłowego, najczęściej sprowadza się do porównywania możliwości układu opartego na sterownikach (PLC) z układem o rozproszonej inteligencji (DCS). Argumentacja jest na ogół oparta na doświadczeniach z obiektów, które nie są w całości ani procesami ciągłymi, ani też produkcją taktową. I tak jak układ ze sterownikami jest bogatszy w komputery, co pozwala na znaczną decentralizację działań, również układ zaprojektowany jako zdecentralizowany, czyli z rozproszoną inteligencją, jest zasobniejszy w logikę cyfrową i wynikające stąd korzyści. Oba te rodzaje układów będą nadal współzawodniczyć o pozyskanie większego udziału w rynku automatyki.
Fot. 4. Bułgarska firma Biovet, producent farmaceutyków, dokładnie reguluje swoje szarżowe procesy za pomocą hybrydowego systemu automatyki, wykorzystującego funkcjonalne możliwości zarówno DCS, jak i PLC (zdjęcie dzięki firmie Emerson Process Management)
W praktyce spotykamy wiele obiektów o strukturze mieszanej. W układzie typu DCS stosuje się sterowniki programowalne do sterowania silnikami lub do obsługi sygnałów dwustanowych, ale też komunikowania się z interfejsami użytkownika, jednak na ogół przy wyższych kosztach. Z kolei w innym układzie, opartym na PLC, sterowniki są już w stanie emulować algorytmy funkcji regulacji ciągłej. Jednakże są pewne cechy, które odróżniają oba układy i czynią je, w określonych warunkach, bardziej lub mniej ekonomicznie efektywnymi. Są to:
-
zdolność modyfikowania konfiguracji i wzajemnych połączeń oraz dokonywania zmian w programach regulatorów czy interfejsów użytkownika, bez potrzeby odłączania elementów automatyki od regulowanego obiektu,
-
możliwość dodawania lub wymiany kart We/Wy w regulatorach podczas działania układu,
-
możliwość wprowadzania nadmiarowości (redundancji) w całym układzie automatyki (łącznie z elementami We/Wy) w sposób zrozumiały dla operatora,
-
zdolność do przemieszczania lub wymiany każdego pojedynczego elementu sprzętowego bez pozostawiania obiektu poza kontrolą.
Pozostaje wciąż problem, jak wiele funkcji regulacyjnych powinno się znaleźć na obszarze obiektu?
Skąd wiadomo, czy ładowanie większej pamięci lub powiększonej inteligencji do czujnika na obiekcie jest ekonomicznie korzystne, czy też nie?
Na przykład każda liczba wyłączników krańcowych zastosowanych na obiekcie wymusza konieczność przeprowadzenia pewnych prac w systemie utrzymania ruchu celem smarowania dźwigienek tych wyłączników. Ale za to sam wyłącznik krańcowy jest tani. I przeciwnie, inne czujniki, zbliżeniowe czy wizyjne, nie wymagają smarowania, ale za to są drogie.
Wydaje się, że systemy automatycznej regulacji i sterowania osiągnęły poziom, w którym 80% ich działania to zbieranie informacji, ich obróbka i przesyłanie oraz działania zdeterminowane czasem, natomiast pozostałe 20% to wykonywanie czysto logicznych algorytmów. Jednak ten stosunek stale rośnie i wkrótce dojdzie do 90/10, ponieważ najwięcej uwagi skupia się na danych. Użytkownicy wciąż zadają pytanie „ile jeszcze korzyści można wycisnąć z danych?”.
Sterowanie hybrydowe
Rodzaj wytwarzanego wyrobu decyduje o wyborze strategii automatyzacji obiektu. Producenci żywności i napojów mogą mieć inne wymagania odnośnie automatyki niż producenci maszyn, ci zaś mają zupełnie inne wymagania niż producenci związani z elektroniką. Jest jednak prawdopodobne, że przy projektowaniu układów automatyki może się pojawić więcej podobieństw niż różnic. Z pewnością nie było tego jeszcze 10 lat temu.
Większość procesów przemysłowych potrzebuje regulacji ciągłej (temperatury, przepływów) i sterowań dwustanowych. Tradycyjnie, odpowiedzią na te potrzeby są układy z rozproszoną inteligencją, regulacja ciągła była w nich łatwa do zrealizowania, choć sterowania dwustanowe były utrudnione.
Innym rozwiązaniem może być zainstalowanie systemu rozproszonego do zadań regulacji ciągłej, natomiast do sterowania zastosowanie programowalnych sterowników, ale doprowadziłoby to do zdublowania struktury, instalacji, a także serwisu i napraw.
Taki mieszany, hybrydowy system pozwala na wykorzystanie najlepszych właściwości obu systemów automatyzacji, umożliwia też osiągnięcie wyższego stopnia zintegrowania otwartego dotychczas środowiska. W zakładach produkcyjnych, w których występują zarówno procesy wsadowe, rozrzucona obszarowo automatyzacja zakładu, jak i regulacje w strategicznych węzłach oraz w szerokim zakresie, taki system może być zastosowany jako całościowy lub jako luźno połączone elementy rozległego i wszechstronnego systemu dla wielozakładowej struktury produkcyjnej (fot. 4).
Do regulacji ciągłej są używane bloki funkcyjne, do sterowania używa się drabinek logicznych. Tablice funkcji sekwencyjnych ułatwiają sekwencjonowanie, wyrażenia tekstowe (np. sekwencje programu pisane w języku Basic) mogą być alternatywnym rozwiązaniem wspomagającym skomplikowane obliczenia.
Takich hybrydowych rozwiązań potrzebuje rosnąca liczba branż przemysłowych. Wynika stąd wniosek, że hybrydowe połączenia układów regulacji i sterowania tworzą nowy konkurencyjny rynek.
Podsumowanie
Postęp w sferze magistral obiektowych, małe, zwarte czujniki i siłowniki oraz inteligencja z algorytmami diagnostycznymi stwarzają coraz większe możliwości komunikacji w obrębie całego światowego rynku. Co prawda układy z rozproszoną inteligencją czy układy dyskretnego sterowania mocno się już zakorzeniły w tradycyjnych gałęziach przemysłu, jednakże ogromny rozwój układów hybrydowych na średnim poziomie wyraźnie wskazuje na rosnące możliwości hybrydowych systemów automatyki na całym rynku, przy wciąż rosnącej konkurencyjności.
Czynniki wspomagające automatyczną regulację i sterowanie to:
-
magistrale obiektowe,
-
standardy,
-
media z pamięcią,
-
szybkość działania mikroprocesorów i ich koszt,
-
regulacje prawne,
-
wymagania zespolonej funkcjonalności z zaawansowanymi metodami regulacji, takimi jak: rozmyta logika, sztuczna sieć neuronowa, regulacja z przewidującym modelem i inne.
Niedawne badania przeprowadzone przez firmę ARC Advisory Group wykazały kilka czynników, które wpływają na rosnący asortyment i sferę działania na rynku automatyzacji:
-
znaczenie optymalizacji zasobów w oferowanych systemach DCS,
-
ukierunkowanie na zwrot nakładów,
-
strategia migracji elementów systemu automatyzacji,
-
optymalizacja kosztów początkowych (nabycia i instalowania) w odniesieniu do kosztu całkowitego,
-
znaczenie bezpośredniego przetwarzania i wizualizacji dla toczącego się procesu.
Według firmy ARC przemysł o hybrydowej strukturze produkcji będzie wciąż utrzymywał najwyższą stopę wzrostu.
Najbardziej korzystne jest przyjęcie takiej strategii w automatyzowaniu, która będzie technicznie najbardziej uzasadniona, ale też zapewni największe korzyści materialne. Do tego jest konieczna dobra znajomość charakteru tych procesów, to znaczy, czy są to procesy ciągłe, wsadowe, taktowe albo też ich kombinacje. Jedynie taka wiedza może być podstawą trafnego wyboru rodzaju systemu automatycznej regulacji i sterowania.
Artykuł pod redakcją
Józefa Czarnula i Janusza Pieńkowskiego
