Zastosowanie nowoczesnych technologii i modernizacja rozproszonych systemów sterowania to klucz do wejścia zakładów przemysłowych w XXI wiek.
Producenci przemysłowi w coraz większym stopniu uświadamiają sobie, że zmieniająca się sytuacja rynkowa i niezwykle szybki postęp technologiczny zmuszają ich do przeprowadzenia modernizacji lub nawet migracji posiadanych przestarzałych i niewspieranych już rozproszonych systemów sterowania (DCS).
Jak się to wszystko zaczęło?
W 1959 r. rewolucja technologii komputerowych spotkała się z rewolucją przemysłową, gdy w rafinerii należącej do firmy Texaco Port Arthur (stan Texas, USA) zainstalowano pierwszy przemysłowy komputerowy system sterowania. W ciągu następnych 30 lat przemysłowe systemy sterujące procesami technologicznymi i produkcji dokonały sukcesywnej migracji z automatyki opartej na siłownikach pneumatycznych i przekaźnikowych układach logicznych, ku rozproszonym systemom sterowania (DCS), oferowanym i dostarczanym przez różnych producentów.
W tym okresie najnowocześniejsze systemy wykorzystywały różne technologie oferujące znaczną wartość dodaną, takie jak graficzne wyświetlacze operatorskie oraz ulepszone oprogramowanie do analizy danych. Wdrożono i przetestowano nowe strategie automatyki, które znacznie skróciły czasochłonność prac inżynierskich oraz umożliwiły szybsze reagowanie na sytuacje alarmowe i skuteczniejszą diagnostykę – również predykcyjną. Producenci systemów DCS mogli z czasem zagwarantować coraz dłuższe czasy bezawaryjnej eksploatacji swoich solidnych systemów.
Jednak obecnie ci sami producenci systemów DCS skonsolidowali swoje przestarzałe produkty lub nawet zaprzestali ich wytwarzania. Z kolei firmy przemysłowe zależne od technologii DCS zdają sobie sprawę, że migracja na nowe systemy automatyki jest trudna, a sam proces bardzo złożony i delikatny. Jeśli bowiem system DCS jest „mózgiem” zakładu, to migracja ta niesie ze sobą pewne ryzyko, analogicznie do operacji przeprowadzanej na ludzkim mózgu. Skoro istnieje takie ryzyko, to dlaczego firma przemysłowa miałaby zdecydować się na migrację – wymianę systemu sterowania? Odpowiedź jest dwojaka:
→ W celu uniknięcia ponoszenia wysokich kosztów i ryzyka związanego z utratą kontroli nad procesem.
→ W celu wykorzystania innowacyjnych technologii, które niosą ze sobą wartość dodaną, czyli przede wszystkim zwiększają efektywność operacyjną i ulepszają funkcjonowanie zakładu.
Jednak nawet wiedząc, że migracja systemu sterowania jest konieczna, aby firma pozostała konkurencyjna, wśród jej kierownictwa może utrzymywać się niepewność i zwątpienie w trakcie realizacji tego procesu, szczególnie w przypadku, gdy liczba fachowców wśród personelu zakładu jest ograniczona. Migracja oznacza bowiem wiele dodatkowej pracy do wykonania. Bez posiadania odpowiedniego zespołu ekspertów, którzy potrafią zaplanować i zrealizować modernizację systemu sterowania, ryzyko dla firmy jest wysokie. Tak więc należy przeanalizować ryzyka nieodłącznie związane z migracją oraz uzyskać odpowiedź na pytanie, w jaki sposób modernizacja systemu sterowania może pomóc w pokonaniu przeszkód na drodze firmy.
Ryzyka związane z migracją systemu sterowania
Przestarzały sprzęt automatyki jest głównym czynnikiem napędowym do podjęcia działań aktualizacji lub migracji sprzętowej czy systemowej. Jeśli sprzęt ulega awarii, to związane z tym ryzyko może być ogromne – zarówno z perspektywy bezpieczeństwa, jak i finansowej. Nowoczesne przyrządowe systemy bezpieczeństwa (SIS) pomagają w uniknięciu sytuacji kryzysowych, szczególnie w razie awarii systemu DCS. Jednak systemy te są rzadko testowane pod kątem wyłączania całej jednostki procesowej, takiego jak podczas awarii sterownika redundantnego, gdy elementy wykonawcze (siłowniki) próbują powrócić do trybu pracy bezpiecznego w przypadku awarii (failsafe mode).
Poza problemami związanymi z bezpieczeństwem, gdy zakład przerywa pracę, nie przynosi dochodów. Przestoje niezwiązane z zaplanowanymi pracami konserwacyjnymi czy przestawieniem produkcji są zawsze bardzo kosztowne.
Starszy sprzęt DCS, chociaż solidny i trwały, ma jednak ograniczony czas eksploatacji i po wielu latach użytkowania wzrasta ryzyko jego uszkodzenia, a pewnego dnia ulegnie wreszcie awarii. Coraz więcej elementów i części zamiennych do takich systemów jest już niedostępnych. Jeśli zakład potrzebuje części zamiennych, to kończy się to ryzykownym zakupem droższych i mniej niezawodnych części przez Internet.
Innym finansowym czynnikiem napędowym modernizacji czy migracji systemu sterowania jest coraz większy brak fachowców oraz ograniczone możliwości serwisowania sprzętu i oprogramowania starszych systemów. W ciągu lat inżynierowie automatycy oraz technicy mający doświadczenie w starszym systemie DCS przeszli na nietechniczne stanowiska pracy lub doszli do wieku przedemerytalnego. W sytuacji gdy wsparcie i szkolenie ze strony producentów OEM systemów automatyki jest niewielkie, powstaje problem zarówno z eksploatacją istniejących systemów, jak i dodawaniem do nich nowych elementów w przyszłości. Wypełnienie tej luki może być trudne i kosztowne, ponieważ zapotrzebowanie na doświadczonych i posiadających odpowiednią wiedzę inżynierów jest duże, a ich zarobki są wysokie.
Muszą być także zbadane słabe punkty zainstalowanych systemów pod względem cyberbezpieczeństwa. Starsze systemy automatyki pochodzą z czasów, gdy zakładano, że istniejące wówczas fizyczne odizolowanie sieci przemysłowych od sieci teleinformatycznych i Internetu (air gap) zabezpiecza zakłady przed zagrożeniami z zewnątrz. Jednak wraz z nadejściem i wdrażaniem idei Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) świat systemów sterujących procesami technologicznymi i produkcji został dziś połączony ze światem sieciowych systemów dla biznesu oraz usług komercyjnych. Istnieją technologie i narzędzia do zabezpieczania, zarządzania, analizowania, śledzenia oraz raportowania informacji i danych procesowych związanych z automatyką. Jednak, ponieważ ich efektywne wykorzystanie wymaga połączenia sieci przemysłowych z Internetem (czyli zlikwidowania poprzedniej izolacji), starsze systemy sterowania są podatne na cyberwłamania i stwarzają ogromne zagrożenie dla każdego zakładu.
Faktem jest, że w pewnym punkcie – w którym teraz znajduje się wiele zakładów – koszty utrzymywania starszych systemów sterowania przekraczają koszty ich modernizacji czy migracji.
Wpływ modernizacji systemów sterowania na zakłady przemysłowe
Współczesne technologie stwarzają okazje do zwiększenia stopnia wykorzystania posiadanych zasobów i pełnej realizacji korzyści z analityki Big Data, coraz większej mocy obliczeniowej procesorów i coraz większego usieciowienia zakładów. Wiele starszych systemów sterowania jest uzależnionych od firmowych struktur danych, które nie pozwalają na interoperacyjność systemów. Coraz częściej producenci chcą wykorzystywać te dane na różne sposoby, w tym do analizy, obliczeń środowiskowych i monitoringu, integracji planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), zarządzania zasobami, konserwacji prognozowanej, technologii cyfrowych bliźniaków oraz różnych innych aplikacji IIoT. Przy starszej infrastrukturze systemowej nie zawsze jest to możliwe, zaś nowoczesne systemy sterowania dostarczają dokładne dane w czasie rzeczywistym, co umożliwia ich wykorzystywanie w opisany wcześniej sposób.
Dzięki coraz większej mocy obliczeniowej procesorów można stosować bardziej złożone techniki sterowania. Platformy systemów DCS sprzed 30 czy 40 lat miały ograniczenia, które są już dziś nieaktualne. Techniki sterowania procesami, takie jak wymuszona inicjalizacja, eliminacja interakcji działania członu całkującego regulatora PID (anti-windup) oraz regulacja selekcyjna (override control) nie są już dłużej problemem i mogą być łatwo wdrażane. Sterowanie predykcyjne (model predictive control – MPC) i logika rozmyta nie wymagają już posiadania dodatkowego oprogramowania oraz licencji. Pozwala to zakładom wykorzystywać symulację zarówno metodą prostej pętli zwrotnej (loopback), jak i za pomocą bardziej wyrafinowanych, dynamicznych metod, zamiast testowania opartego na sprzęcie. Testowanie offline konfiguracji sprzętu oraz szkolenia operatorów są przeprowadzane przy niskich kosztach, łatwiej, dokładniej i bezpieczniej niż kiedykolwiek przedtem.
Zależność starszych systemów od przestarzałych interfejsów użytkownika i nieintuicyjnych stylów programowania stwarza sytuację, w której czas i koszty wdrożenia się zwiększają. Tworzy to barierę dla nowych inżynierów i techników. Utrzymywanie i obsługa dużych baz danych w formacie Microsoft Excel czy XML, zamiast starszych tekstowych, poprawia kontrolę jakości i zwiększa możliwości hurtowego tworzenia oraz edycji dużej liczby programów sterujących.
Konfiguracja graficznych bloków funkcyjnych jest wspólną cechą nowoczesnych systemów sterowania. Jest ona łatwiejsza do nauki, utrzymywania i dokumentowania niż starsze formaty oparte na tekście. Programowanie sekwencyjnych układów logicznych oraz rozwiązywanie problemów także jest łatwiejsze. Zlokalizowanie zakleszczonego zaworu jest znacznie szybsze od przeglądania listy zaworów przy próbach wykorzystania słabo skomentowanego 20-letniego programu w języku ST (tekst strukturalny). Możliwe jest także ulepszenie interfejsów operatorskich (HMI) poprzez wzbogacenie ich o duże możliwości graficzne, które dostarczają optymalne informacje operatorom i umożliwiają szybkie reagowanie na alarmy.
Migracja prowadzi między innymi do posiadania dobrze udokumentowanego systemu. Starsze systemy były opatrywane komentarzami całych generacji pracowników wykorzystujących różne standardy. Niestosowana już obecnie logika zaciemnia system. Migracja staje się zatem jedyną w swoim rodzaju okazją do przebudowy organizacyjnej struktur systemowych, swoistego rozpoczęcia od nowa i porzucenia złych nawyków oraz niekonsekwencji z przeszłości.
Sposób realizacji modernizacji systemu sterowania
Kompleksowa migracja systemu DCS wymaga zaplanowanego i przemyślanego podejścia. Ponieważ nieudany projekt prowadzi do wzrostu kosztów, to zmniejszanie ryzyka jest sprawą nadrzędną. Dobrze zrealizowana migracja nie wymaga częstego powtarzania, tak więc powinno się ją potraktować poważnie. Dlatego też przed rozpoczęciem działań należy przeanalizować następujące kwestie.
Wiedza merytoryczna. Wiedza techniczna oraz znajomość biznesu mają duże znaczenie. Nie wynajmuje się elektryka do prac hydraulicznych, tak więc nie należy zatrudniać kogoś bez odpowiedniego doświadczenia do realizacji migracji systemu DCS. Każda jednostka procesowa w zakładzie przemysłowym ma inne wejścia, wyjścia, sprzęt, warunki pracy, zagrożenia dla bezpieczeństwa i cechy szczególne, które nie są oczywiste dla osoby bez doświadczenia. Jeśli w zakładzie brakuje fachowców, należy rozważyć skonsultowanie się z firmą zewnętrzną, niezależną od platformy i zakładowej aplikacji, posiadającą zarówno doświadczenie w starszych systemach sterowania, jak i narzędzia oraz techniki modernizacji systemów.
Faza planowania i wyznaczania budżetu. Należy tu podkreślić znaczenie solidnego planowania i bezpiecznego finansowo wyznaczania budżetu za pomocą procesu planowania we wczesnej fazie (front-end loading – FEL). Proces FEL zmniejsza operacyjne koszty projektu, minimalizuje problemy związane z harmonogramami, zmniejsza konieczność zmian zakresu po zatwierdzeniu oraz zwiększa prawdopodobieństwo realizacji lub nawet przekroczenia celów finansowych przez projekt. Zdefiniowanie optymalnego stanu przyszłego oraz przeanalizowanie przyszłych cech systemu i jego funkcjonalności w kontekście technologii IIoT jest kolejną kluczową częścią tych prac. W ten sposób unika się wypadków i przestojów, szczególnie gdy przeanalizuje się, jak powiązane są ze sobą jednostki procesowe oraz w jaki sposób produkty główne i uboczne z różnych jednostek są dostarczane i ponownie przetwarzane w całym zakładzie.
Na przykład idealną sytuacją jest, gdy przejście na nowy system sterowania odbywa się w czasie, gdy dana jednostka jest wyłączona w celu przeprowadzenia prac konserwacyjnych. Niektóre jednostki pomocnicze mogą być przełączane podczas częściowych przestawień parametrów czy asortymentu produkcji lub inspekcji sprzętu. Inne jedynie podczas zatrzymania pracy całej fabryki, co może występować tylko co kilka lat. Zrozumienie harmonogramu konserwacji każdej jednostki procesowej oraz jej interakcji z innymi jednostkami procesowymi jest kluczem do efektywnego planu FEL migracji.
Biznes. Celem produkowania określonego wyrobu jest generowanie przychodu i zysku. Migracje systemów DCS powinny chronić i zwiększać te możliwości. Uzasadnianie wysokości kosztów inwestycji w nowy system oraz czasu realizacji projektu migracji jest niezwykle istotną kwestią, zwłaszcza w kontekście uzyskania akceptacji w całym przedsiębiorstwie. Planowanie metodą FEL powinno dokładnie wyznaczyć ilość pracy oraz czasu, wymaganych podczas realizacji migracji.
Na przykład plan powinien zawierać szacunkowy czas oraz koszty demontażu i udokumentowania starego systemu, a także opracowania i przetestowania nowego. Plan powinien też zawierać koszty zainstalowania systemu DCS i sprzętu elektrycznego oraz oprogramowania. W miarę postępów w realizacji projektu muszą być notowane zauważone odkrycia oraz modyfikowane i dopracowywane dokumenty. W wyniku tego można zredukować koszty ogólne projektów oraz zmniejszyć ryzyko. Doświadczony zespół pracowników wynajętej firmy zewnętrznej może pomóc zakładowi w prawidłowym wykonaniu planu FEL.
Wybór systemu sterowania i jego producenta. Wybór odpowiedniego systemu sterowania, który zastąpi istniejący, jest bardzo ważną sprawą. Zła decyzja będzie oznaczała stratę milionów dolarów i lata frustracji. Zbyt często będzie słychać slogan „nigdy nie zapłacisz więcej za mniej”. Wybór sprowadza się do dwóch opcji:
- Jeśli to możliwe, pozostajemy przy tym samym producencie.
- Wybieramy innego producenta.
Pozostanie przy tym samym producencie systemu sterowania może być pozytywnym doświadczeniem pod tym względem, że firmy takie zwykle mają dobrze opracowaną ścieżkę planowania i realizacji migracji. Inną korzyścią jest to, że wiele strategii sterowania może być przenoszonych łatwiej z cechami sterowania o podobnej funkcjonalności jak istniejący starszy system, co może nie być możliwe w przypadku zmiany producenta.
Ryzykiem wspólnym dla obydwu ścieżek jest to, że wielu producentów ma konflikt interesów. Chcą sprzedawać dodatkowy sprzęt i oprogramowanie, dlatego czasami zniżają się do oferowania nieoptymalnych rozwiązań. Ponadto już podczas wdrażania producenci systemów DCS często wykorzystują tylko zautomatyzowane narzędzia, które niedokładnie przechwytują oryginalny kod, a jego ręczne poprawianie może być pracochłonne.
Podczas typowego pokazu dla potencjalnych klientów każdy producent ma skłonność do popisywania się swoim „najlepszym w swojej klasie” produktem i rozwiązaniem dla każdej aplikacji. Sprawia to, że klientowi trudno jest zidentyfikować to, co najlepsze. Aby podjąć przemyślaną i obiektywną decyzję, kierownictwo zakładu – wraz z kluczowym personelem, takim jak np. operatorzy, technolodzy, pracownicy UR – powinno określić parametry krytyczne dla jakości (critical-to-quality – CTQ). Parametry do rozważenia są związane ze wsparciem zaawansowanego sterowania procesem (APC), skalowalnością, referencjami producenta pod względem wsparcia technicznego dla klientów, grafiką o wysokich parametrach, ścieżką migracji, daną branżą przemysłu, regionem, technologią IIoT oraz uniwersalnością strategii sterowania.
Jake Henn jest menedżerem rozwoju biznesu w firmie MAVERICK Technologies.
