Migrace algoritmů při modernizaci řídicích systémů, postupy a nástroje

Dosud využívané digitální řídicí systémy z hlediska funkcí potřebných pro řízení zajisté vyhovují, problémem do budoucna jsou náhradní díly a případně jejich SW kompatibilita či požadavky na kybernetickou bezpečnost. Naše společnost pracuje v této oblasti desítky let, účastnili jsme se řady výměn amodernizací řídicích systémů a považujeme za zajímavé - a z hlediska přístupu k migraci i za ilustrující - popsat, jak se postupovalo v historii a jaké byly hlavní problémy a úkoly podle toho, jak se systémy vyvíjely.

Rozdělení systémů

Pro účely tohoto článku jsme rozdělili systémy do dvou skupin podle toho, na jaké technologii byly postaveny. V první skupině jsou systémy mechanické, pneumatické, hydraulické a elektronické analogové, případně jejich kombinace. Pro tuto skupinu je charakteristická větší provázanost regulátorů a akčních členů, zřetelně viditelná zejména u mechanických, pneumatických a hydraulických systémů. Školním příkladem by byl Wattův parní regulátor, ale také stále se používající plovákové systémy. Dalším charakteristickým momentem je, že realizace algoritmů resp. členů v regulačních schématech je těsně svázána s vlastní technickou realizací a tudíž se často místo řešení "čistého algoritmu řízení technologie" provozovatelé potýkali s nepřesnostmi a stabilitou regulátorů, ať už z důvodů mechanického opotřebení, nečistot v pneumatických a hydraulických systémech či nestabilitou pracovních bodů operačních zesilovačů.

Naproti tomu číslicové systémy zásadně a výrazně oddělují čidla a akční členy a tak je možné dělat návrh regulace a řízení více od stolu téměř bez ohledu na to, jak budou algoritmy složité a rozsáhlé a bez starosti, jak algoritmy v praxi technicky provést. Uvolněná kreativita není vždy přínosem, hrozí odtržení od reality, nadbytečná složitost a nepřehlednost. Ta pak bývá pravým oříškem při migraci algoritmů v rámci modernizací systémů.

I dnes lze narazit na systémy první kategorie, ať už jsou jediným systémem nebo částí, kterou pro své vyhovující vlastnosti nebylo nutné modernizovat a přetrvaly i desetiletí v původním provedení. Typicky se jedná o vodní elektrárny nebo malé parní turbíny. V další části popíšeme hlavní rozdíly migrace mezigenerační, tj. při náhradě systémů první skupiny číslicovými systémy a ve druhé části migraci mezi moderními systémy DCS. 

Mezigenerační migrace

Při náhradách řídicích systémů první skupiny se typicky mění nejen vlastní řídicí systém a uživatelské rozhraní, ale obvykle také čidla a akční členy, neboť nevyhovují kvalitou a často nejsou kompatibilní s digitálními řídicími systémy. U starých systémů jsou obvykle algoritmy zadokumentované ve formě tištěné, ručně doplňované, mnohdy dokumentace částečně nebo zcela chybí. Proto v těchto případech nelze uplatnit automatizovaný převod a výkresy jsou překreslovány ručně do nového systému. Při překreslování se přizpůsobuje jak regulační struktura, tak formální zápis plně možnostem nového systému. Při akcích, kterých jsme se účastnili, jsme současně s překreslováním kontrolovali správnost schémat z pohledu regulace. S výhodou jsme využili dovednosti získané při optimalizacích regulací, hlavne schopnost orientovat se ve schématech historických analogových systémů a reléové logiky.

Poloautomatická migrace algoritmů mezi moderními systémy DCS

Při upgrade moderních systémů DCS se nejčastěji setkáváme s případy, kdy zůstává zachována polní instrumentace a hranicí dodávky jsou sdružovací rozváděče, čili je snaha omezit upgrade pouze na výměnu rozváděčů samotného řídicího systému. Protože již jednou byly algoritmy zakresleny do strojově zpracovatelné podoby, nabízí se možnost poloautomatické migrace, čímž myslíme automatické (softwarovým nástrojem provedené) překreslení s následnou ruční funkční kontrolou a doplněním nestandardních úprav a řešení využitých v původním DCS.

Nezbytnou podmínkou možnosti využít SW konverzi je schopnost přečíst výchozí datový formát výkresu a to do všech detailů. To pak rozhoduje o zvládnutí následujících kroků. Z načtených výkresů jsou vytvořeny XML soubory se standardizovaným popisem regulačních obvodů. Následuje kontrola databáze vstupních a výstupních signálů na úplnost (počty signálů) a namátková kontrola vybraných koncových členů, které jsou v systémech řešeny specificky a proto zde bývá nejvíce odlišností. Z těchto XML souborů jsou dávkově generovány soubory čitelné v prostředí cílového DCS.

Pro konverzní SW používáme jazyk JAVA pro jeho flexibilitu a jednoduchost úprav. Konkrétní konfigurace výchozího a cílového DCS vždy vyžadují úpravy konverzního SW. Základní prvky (součet, rozdíl, součin, zesílení / OR, AND, NOT) jsou ve všech systémech prakticky stejné. Problém představují speciální bloky, kde každý výrobce využívá různá implementační specifika. Logiky i spojité regulace je nutno migrovat současně. Během konverze pak vzniká potřeba dalších úprav na základě zjištění skutečného stavu dokumentace výchozího DCS a konzultací s dodavatelem cílového DCS. Při ladění konverzních nástrojů jsme se setkali s problémy, jako jsou přichytávání vstupů a výstupů do rastru, daného výkresem, chybějící nebo nesprávné návazné čáry, chybějící parametry funkčních bloků nebo chybějící popisné texty.

Pro představu o rozsahu konverze se jedná o stovky výkresů. V posledním případě, kdy byl migrován SW pro uhelný kotel o výkonu 150 tun páry za hodinu, se jednalo o 490 výkresů. Konverzní program tyto výkresy zkonvertoval do XML souboru během 2 minut, úspěšnost konverze je typicky 85%. 

Úplný vývoj konverzního nástroje v OSC, a.s., nám umožňuje doplnit jako výchozí a cílový systém prakticky jakýkoliv DCS, který má dokumentaci algoritmů ve výkresové struktuře a ke kterému je k dispozici popis formátu.

Závěr

Využití softwarového nástroje pro automatizaci přechodu mezi dvěma digitálními řídicími systémy je účinným prostředkem pro zrychlení prací na takovém projektu, nelze si ji ale představit jako prosté nasazení „krabicového“ software, který udělá veškerou práci a výsledkem je 100% funkční kód pro nový DCS. Převod musí vždy probíhat za účasti kvalifikovaných specialistů, kteří zkontrolují její výsledek a hlavně vyřeší situace, kdy automatickou konverzi nelze využít. Proto takovou konverzi nabízíme jako službu s maximálně efektivním využitím automatizovaných SW nástrojů v kombinaci se zapojením našich specialistů v oblasti měření a regulace.

Autoři

• Kysela Jindřich
• Konečný Miroslav