Тенденции в развитието на процесната автоматизация

Важността на автоматизацията продължава да нараства в процесните индустрии с отпадането на бариерите между средствата за автоматизация, комуникационните и информационните технологии. Днес ефективността на процесните системи се основава на развитието на технологиите в областта на безжичните мрежи, полевите шини и платформите за мениджмънт на активите и управление на процесите.

Съвременната процесна автоматизация е насочена към цялостно оптимизиране качеството на продукцията, повишаване безопасността на процесите, съкращаване на непланираните прекъсвания, подобряване на ресурсната ефективност и намаляване на въглеродния отпечатък в индустрията. Важен фокус на технологичните подобрения в областта е масовото производство, където е налице огромен потенциал за реализиране на икономии на енергия, ресурси и труд. Нараства търсенето на системи за автоматизация на процесите в химическата промишленост и петрохимията, енергетиката, фармацевтичната индустрия и много други сектори, в които съществуват възможности за цялостна процесна оптимизация и подобряване на процесния контрол.

Основно предизвикателство днес се оказва проектирането на комплексни и мащабни разпределени системи за процесна автоматизация. Те изискват нови методи и техники за моделиране, усъвършенствани дизайн и функционалност на контролните технологии, възможности за управление на сложни мрежи с голям брой взаимодействащи помежду си управляващи вериги, координиране на множество автономни мрежови елементи и др.

Развитие на комуникационните технологии и протоколи
Еволюцията на комуникационните технологии изигра огромна роля за трансформацията в структурата на индустриалните системи за автоматизация. До неотдавна комуникационната поддръжка на заводските технологии за автоматизация се дефинираше спрямо концепцията за компютърно-интегрирано производство (Computer integrated manufacturing, CIM). В тази йерархична структура отделните устройства бяха проектирани за конкретни задачи, използваха се специфични мрежи за свързване на устройства, изпълняващи една и съща задача на едно и също мрежово ниво. С развитието на технологиите в областта обаче полевите устройства стават все по-мултифункционални, повишава се интелигентността на оборудването, налага се модулният дизайн. Устройства като сензорите например, които традиционно се използват за различни измервателни дейности, в съвременната процесна автоматизация, все по-често се интегрират в системи за мониторинг и прогнозна поддръжка. Така традиционната йерархична структура в стратегиите за процесен контрол постепенно се оказва недостатъчно функционална и бива изместена от разпределена комуникационна архитектура.

Съвременни комуникационни средства в процесната автоматизация
Най-широко използваните индустриални комуникационни технологии днес могат да бъдат подразделени в три основни категории: традиционни полеви шини, Ethernet-базирани мрежи и безжични мрежи.

В областта на полевата комуникация при технологиите за автоматизация се налагат стандарти и протоколи като Profibus, Fieldbus, Interbus, HART и др. Постепенно нараства интелигентността на полевите инструменти, които, освен за управление и мониторинг на процесни променливи, днес разполагат и с функции за самодиагностика, както и за диагностика на процесите, в които са интегрирани. С разрастването на тази тенденция се очаква бум в полевите технологии, базирани на прогнозно моделиране и поддръжка. Възможно е все по-ранно регистриране на потенциални проблеми и по-лесно идентифициране на потенциални зони за повишаване на ефективността. От инструмент за управление на системите в кризисни условия полевата автоматизация прераства в средство за превенция на кризисни ситуации.

Потребността от все по-високи скорости на обмен на данни опосредства масовото навлизане на Ethernet-базираните технологии от офисните в индустриалните мрежи. Същото се случва и с безжичните архитектури, които обещават множество ползи за процесната индустрия. Тя намалява нуждата от скъпо и сложно окабеляване и от персонал за поддръжка на кабелните линии. В безжичните мрежи за автоматизация в процесните индустрии могат да бъдат интегрирани дори и отдалечени, пространствено изолирани измервателни уреди и полеви устройства. Основни предимства на безжичната технология са подобрената гъвкавост, лесната инсталация и експлоатация, възможностите за визуализиране, отдалечено конфигуриране, диагностика и управление.

Друга водеща тенденция при комуникационните средства в автоматизацията на процеси е интегрирането на интерфейси, поддържащи трансфера и обмена на различни типове данни от различни източници в едно устройство – данни от процесни измервания, контролни команди, диагностична информация, данни от мониторинг, йерархична информация и др.

Интеграция на производствените и бизнес операции
Съоръженията в различните области на процесните индустрии се разглеждат като производствени системи с множество елементи: процес (трансформация на изходен ресурс), входяща и вътрешнозаводска логистика (транспорт на материални ресурси), оборудване (физическа архитектура), автоматизация (технологии за автоматизиране на процесите) и организационна структура (операции, надзор, управление). Оперативните дейности са колаборативни процеси на производствената система, а оптимизацията им е насочена към правилно разпределение на задачите между отделните елементи на системата. Този интегриран подход все по-често се наблюдава при индустриалните производствени мрежи, обхващайки цялата верига на стойността, включително доставчиците и крайните потребители.

За да се отговори на потребностите на съвременните комплексни приложения в процесните индустрии, е необходима безпроблемна хоризонтална и вертикална интеграция на информационните, комуникационните технологии и средствата за автоматизация в цялата структура на индустриалното предприятие. Ключово решение за постигане на тази цел е ефективната интеграция на различните типове процеси в единна производствена платформа и осъществяването на комуникация между отделните системи.

За оптимизация на бизнес процесите, подобряване качеството на продукцията, усъвършенстване надеждността на процесите и намаляване на усилията за валидиране и стандартизация в съвременните високотехнологични процесни индустрии все по-масово се използват комплексни системи за изпълнение на производството (Manufacturing Execution Systems, MES). Чрез тях се обединяват ресурсното планиране, процесният контрол и автоматизация, управлението на персонала и активите, доставките, разпространението и всички други разнотипни направления на мениджмънта в производствените системи. Тези платформи разполагат с модули за графици на производството, управление на материалните ресурси, планиране, логистика, обслужване и др. Оптимизацията на работата на процесните съоръжения, съчетана с още по-активна интеграция на системите за автоматизация с информационните и комуникационните технологии, е водеща технологична тенденция с нарастващо значение за бъдещото развитие на процесните индустрии.

Управление чрез прогнозни модели
Управлението чрез прогнозни модели (Model predictive control, MPC) се превърна в стандартно решение при мениджмънта на непрекъснати процеси в индустрията и понастоящем фигурира при над 90% от внедряванията на системи за мултивариационно симулиране и анализ. Прилагат се основно два вида прогнозно моделиране – линейно и нелинейно. Основна причина за все по-масовото прилагане на този подход е възможността му за управление на системи с множество променливи, подлежащи на редица входни и изходни ограничения.

Днес на пазара на решения за процесен контрол и автоматизация се предлага четвърто поколение MPC технологии, които включват възможности за паралелна оптимизация на много нива, приоритетно реализиране на контролни задачи, подобряване на качеството и ресурсната ефективност, както и усъвършенствани инструменти за идентификация, базирани на методи за прогнозиране на грешки и неизправности. Такива технологии се използват за изключително широк кръг от процесни приложения, включително в химическата индустрия, добива и преработката на нефт и газ, целулозно-хартиената, хранително-вкусовата, фармацевтичната, каучуковата и полимерната промишленост, както и редица други сектори.

Развитието на технологиите в областта обхваща подобрени инструменти за нелинейно оптимално управление, комбинирана оценка на статус и параметри, както и анализ на устойчивостта и синтез при нелинейните системи. Съвременните решения за управление чрез прогнозно моделиране позволяват и усъвършенствано пространствено разпределение, децентрализация и хоризонтална интеграция на мащабни нелинейни мрежови процеси, изграждане на хибридни дискретно-непрекъснати контролни приложения и др.

Приложение на изкуствен интелект в контрола на процесните индустрии
Повечето от приложенията на технологиите, базирани на изкуствен интелект, в процесната автоматизация се проектират за единични процеси в началото на производствената верига. Типична особеност на тези процеси са затрудненията при изграждането на детайлни механистични модели. Същевременно, процесните индустрии в глобален мащаб са изправени пред предизвикателството значително да повишат ефективността и качеството на продукцията, за да отговорят на пазарните и регулаторните изисквания.

Най-успешните внедрявания на изкуствен интелект в тази област са в сферата на контрола на качеството на крайните продукти, където малки подобрения в управлението на процесите могат да доведат до реализирането на значителни конкурентни предимства за предприятието. Важността на технологиите, базирани на изкуствен интелект, в процесната автоматизация е най-значима при процесния контрол в реално време и ресурсното планиране и управление, където тепърва предстои тяхното по-масово приложение и развитие.

Развитие при монито-ринга и диагностиката на процеси
Мониторингът на качеството на продукцията в процесните индустрии и възможностите за прогнозна диагностика на аварии, неизправности и непланирани прекъсвания са ключови инструменти за подобряване на качеството, оптимизиране на производствената верига и повишаване на ефективността. От първостепенно значение при управлението на процеси е и тяхната сигурност и безопасност за персонала и оборудването. Последствията от възникването на непланирани и нежелани събития от различен характер варират от драстично увеличаване на оперативните разходи до цялостни прекъсвания на производствените процеси за дадени периоди от време със значителен негативен ефект върху икономиката, имиджа и надеждността на предприятието.

На практика, колкото по сложен е един процес, толкова по-комплексна технология за мониторинг и диагностика е необходима за ефективно предотвратяване на непланирани прекъсвания и аварии. В съвременната процесна автоматизация се прилагат основно две групи методи спрямо използваната форма на познания за процесите. Едната е базирана на предварително процесно моделиране и включва различни качествени и количествени методи за симулация и прогнозно изчисление на стойностите и развитието на дадени променливи във времето. Другата категория се основава на извеждане на тенденции, базирани на исторически данни за процесите, и обхваща прилагане на различни качествени, количествени и многовариантни статистически методи.

Еволюция на човеко-машинните технологии
Развитието на средствата за автоматизация и информационните технологии в процесните индустрии и повишаването на тяхната комплексност и интелигентност доведе до генерирането на огромни обеми данни, които изискват обработка и анализ. Паралелно с това значително намаля броят на хората, ангажирани с управление на процесите, за сметка на автоматизираните системи. Операторите днес са натоварени с най-високоотговорните задачи като кризисен контрол и бързо вземане на решения в критични ситуации. За целта те се нуждаят от обработена и лесно достъпна релевантна информация. Ето защо водеща тенденция при технологиите за контрол на процеси е интегрирането на инструменти за мениджмънт на знания и информация. Това развитие е базирано на задълбочени изследвания на взаимодействията между хора и машини в производството, които обхващат всички възможни технически и социални аспекти на тази комуникация, както и всички дейности, в които хората използват, управляват или наблюдават различни машини, оборудване или технологични системи.

През последното десетилетие при човеко-машинните технологии се наблюдава преход от хардуерно- към софтуерно- и системно-ориентирани архитектури. Те се основават на инструменти за анализ, проектиране, моделиране и оценка на взаимодействието човек-машина, включително методи за вземане на решение и когнитивни процеси, моделиране на човешкото поведение, реални и виртуални среди за симулация, комплексни методологии за дизайн, споделяне и разпределяне на задачи, проектиране на колаборативни приложения и др. Достиженията при съвременните човеко-машинни системи в процесната автоматизация включват интелигентни HMI (Human-Machine Interfaces) интерфейси, инструменти за навигация на оператора, автоматизирано генериране на програми за управление на машините, работни графици и обучителни програми на базата на готови функционални модули и блокове и др.