How we work
Vrstvy řízení výrobního provozu
Automatizovaná výroba se skládá z několika na sebe navazujících vrstev.
Automatizovaná výroba se skládá z několika na sebe navazujících vrstev. Každá pracuje v jiném časovém měřítku, plní jinou úlohu a je postavená na jiných technologiích. Většina potíží při rozšiřování nebo modernizaci provozu nevzniká uvnitř těchto vrstev, ale na jejich rozhraních.
Rozdělení do vrstev je standardizované. Popisuje ho model ISA-95, převzatý do normy IEC 62264, a v praxi se používá jako společný jazyk mezi provozem, automatizací a podnikovým IT.
Úroveň 0: fyzický proces
Samotná technologie. Dopravník, lakovací kabina, svařovací pracoviště, robot, pec, čerpadlo. To, co fyzicky mění stav výrobku.
Úroveň 1: snímače a akční členy
Prvky, kterými se proces měří a ovlivňuje. Čidla polohy, indukční snímače, čtečky kódů, tlakové a průtokové snímače, koncové spínače. Na druhé straně motory, ventily, pohony, frekvenční měniče.
Tato vrstva pracuje v milisekundách a je zdrojem veškerých dat, která se objeví o několik vrstev výš. Údaj, který zde nikdo nesnímá, nelze později nijak dopočítat. To je nejčastější příčina situace, kdy provoz potřebuje ukazatel, který z linky nejde získat, přestože linka jinak funguje bezvadně.
Úroveň 2: řízení a vizualizace
Zde sídlí PLC, programovatelný automat. Cyklicky čte stavy vstupů, vyhodnocuje logiku a nastavuje výstupy. Doba jednoho cyklu se pohybuje v jednotkách až desítkách milisekund. PLC rozhoduje o tom, kdy se dopravník rozjede, kdy robot začne pracovat a kdy se pracoviště zastaví.
Nad PLC stojí SCADA a HMI, tedy vizualizace. HMI je operátorský panel u stroje, SCADA je nadřazený systém pro celý provoz nebo jeho část. Zobrazuje stavy, sbírá poruchová hlášení, archivuje trendy a umožňuje zásah obsluhy. Pracuje v sekundách.
Rozdíl mezi PLC a SCADA je podstatný. PLC řídí, SCADA sleduje a umožňuje zasáhnout. Když vypadne SCADA, linka zpravidla jede dál, jen na ni obsluha nevidí. Když vypadne PLC, linka stojí. Z toho vyplývají i velmi odlišné požadavky na jejich zálohování a redundanci.
Programovací jazyky pro PLC definuje norma IEC 61131-3. Patří mezi ně kontaktní schéma, funkční bloky a strukturovaný text. Volba jazyka není věcí vkusu, ale vychází z povahy úlohy a zpravidla i z pravidel konkrétního závodu.
Úroveň 3: výrobní systémy
MES řídí výrobní operace. Ví, jaká zakázka se právě vyrábí, v jakém pořadí, s jakými parametry, které kusy prošly a které ne. Zajišťuje sledovatelnost, tedy schopnost k jednotlivému výrobku dohledat, kdy a na jakém pracovišti vznikl a s jakými hodnotami.
Do této vrstvy patří i sběr dat pro provozní ukazatele. Nejčastěji používaným je OEE, tedy celková efektivita zařízení. Počítá se jako součin tří složek: dostupnosti, tedy jak velkou část plánovaného času linka skutečně vyráběla, výkonu, tedy zda jela plnou rychlostí, a kvality, tedy jaký podíl kusů byl v pořádku. Výsledkem je jedno procentní číslo, které se dá srovnávat mezi linkami a v čase.
MES pracuje v minutách a hodinách. U některých technologií je jeho role širší a přebírá i logistická rozhodnutí. V lakovnách například nadřazený systém určuje na každé dopravní křižovatce, kam bude karoserie směrována, a tato informace se zapisuje do databáze jako součást historie kusu.
Úroveň 4: podnikové plánování
ERP pracuje s objednávkami, materiálem, náklady a kapacitami. Nezajímá ho jednotlivý kus, ale plán a jeho ekonomika. Pracuje ve dnech a týdnech.
Kde vzniká skutečná práce
Uvnitř každé vrstvy je situace obvykle přehledná, protože ji dodává jeden výrobce a má vlastní nástroje. Problémy vznikají na přechodech, a to ze tří důvodů.
Rozdílná časová měřítka. PLC pracuje v milisekundách, ERP ve dnech. Data mezi nimi nelze předávat přímo, ale je nutné je agregovat, ukládat a doručovat asynchronně, aby výpadek nadřazeného systému nezastavil výrobu.
Rozdílné technologie a vlastníci. Vrstvy 0 až 2 spravuje obvykle údržba a automatizace, vrstvy 3 a 4 podnikové IT. Jsou to jiná oddělení, jiná pravidla, jiné bezpečnostní politiky a často i jiné dodavatelské vztahy.
Uzavřené systémy výrobců technologie. Dodavatel linky nebo technologie často dodává vlastní řídicí i nadřazený systém jako celek. Typickým příkladem je systém DXQ pro lakovny od firmy Dürr, tedy proprietární prostředí, které v sobě spojuje funkce SCADA i MES. Takové systémy jsou dobře odladěné pro svůj účel, ale nemají standardní rozhraní pro to, co se od nich žádá dodatečně.
Jak se vrstvy propojují
OPC UA, standardizované normou IEC 62541, je dnes základní způsob, jak si mají vyměňovat data řídicí systémy s nadřazenými. Není to jen protokol, ale i informační model, tedy dohodnutý způsob, jak data popsat, aby jim rozuměly obě strany.
MQTT se používá tam, kde je vhodnější volnější vazba a odesílatel s příjemcem nemají být na sobě závislí. Typicky pro předávání zakázek z ERP do výrobního systému: zpráva se odešle, uloží do databáze a dál se zpracovává, i kdyby odesílatel v tu chvíli nebyl dostupný.
Přímé přístupy do databází jsou možné u systémů s otevřeným datovým modelem. Řada nadřazených systémů má dokumentované databázové schéma a nástroje pro tvorbu vlastních obrazovek.
Datové můstky na míru zbývají tam, kde standardní rozhraní neexistuje. Programují se v jazyce, který je v prostředí zákazníka schválený, protože výsledek musí být udržovatelný jeho vlastním IT.
Volba mezi těmito cestami není technická preference, ale důsledek toho, co daný systém umožňuje a co dovolují pravidla závodu. Tato dvě omezení určují návrh integrace častěji než jakékoli technické hledisko.
Proč tohle rozdělení znát
Ve chvíli, kdy provoz formuluje požadavek, rozdělení do vrstev určuje, co bude nutné udělat. Požadavek na nový ukazatel může znamenat úpravu vizualizace, nebo doplnění snímače na lince a zásah do programu PLC. To je rozdíl mezi několika dny a několika měsíci a poznat ho lze jen tak, že se dohledá, kde data vznikají a kde končí.
Stejně tak platí, že zásah do vrstvy 1 a 2 se dotýká bezpečnosti stroje a musí projít odpovídajícím posouzením, zatímco zásah do vrstev 3 a 4 nikoli. Tomu je věnovaná samostatná kapitola o bezpečnosti.