מגמות וחידושים בעולם הבקרה: מערכות בקרה חדשות לתעשייה התהליכית מחליפות מערכות DCS מסורתיות

מאת: שי גרשון, קונטאל

במאמר זה נסקור מגמות ופיתוחים חדשים בתחומי הבקרה התעשייתית, עם דגש על מערכות בקרה תהליכיות המשמשות להפעלה ובקרה של תהליכי ייצור מנתיים ורציפים.

רקע

מזה כשלושה עשורים נפוץ בתעשייה הישראלית, ובתעשייה התהליכית ברחבי העולם בכלל, השימוש במערכות בקרה ייעודיות של יצרניות ה-DCS המובילות בעולם. מרבית מפעלי התהליך הגדולים בישראל בתעשיות הכימיות, הפטרוכימיות, וכן חלקן של יצרניות הפרמצבטיקה הגדולות, עושים שימוש במערכות DCS ייעודיות לבקרת התהליכים במתקני הייצור שלהם. מערכות ה-DCS הנפוצות בישראל ובעולם הן מערכת TDC של חברת Honeywell, מערכת Delta-V של חברת Emerson, ומערכת I/A של חברת Foxboro. מערכות ה-DCS מצטיינות ברכיבי חומרה ותוכנה שתוכננו ותוכנתו מראש לחוגי בקרה נפוצים עבור התעשייה התהליכית הכבדה. כך, באמצעות שימוש חוזר ברכיבי חומרהתוכנה שנבנו מראש לצרכי בקרת התהליך ישמו היצרנים מערכות בקרה לתהליכי היצור. מערכות אלה נחשבות למערכות מומחה, ודורשות ידע וניסיון ייחודיים על מנת לפתחן ולתחזקן. עלות הבעלות הכוללות של המערכות יקרה בהשוואה למערכות הבקרה האחרות במתקנים.

לצידן של מערכות ה-DCS נפוץ יותר השימוש במערכות בקרה תעשייתיות באמצעות בקרים מתוכנתים PLC ומערכות HMI מקומיות. בקרי ה-PLC ומערכות ה-HMI שמשו בעבר לבקרה שאינה שייכת לתהליך הייצור עצמו, אלא למתקני שירותים התומכים בתהליך (מערכות מים, חשמל, שפכים, שינוע, מכונות דיסקרטיות וכדומה).

באופן זה, מרביתם של המפעלים התהליכיים הגדולים במשק הישראלי, העושים שימוש במערכותDCS מתחזקים ומפתחים במקביל מגוון של מערכות בקרה מבוססות בקרים מתוכנתים (PLCs), ומערכות HMI מקומיות. עלויות החומרה הגבוהות של מערכות DCS ומחסור במהנדסים בעלי היכרות עם מערכות אלה – הובילו את היצרנים לחפש פתרונות “עוקפי DCS”, ואט-אט זלגו בתהליך הדרגתי מערכות ה-PLC גם לתהליכי ייצור משניים והפכו פופולאריים יותר ליישום גם בתעשיות התהליכיות.

 טבלת השוואה: מערכות PLC/DCS בתקופה 1980-2000 (זה מה שהיה פעם…)

נושא

DCS

PLC

שימושים עיקריים

בקרה תהליכית

בקרת תהליכי ייצור בדידים, מערכות נלוות

כמות נקודות בקרה מבוקרות

גבוה

נמוך

עלות חומרה ממוצעת לנקודת בקרה

גבוה

נמוך

זמן פיתוח, הקמה והרצת מערכת בקרה תהליכית

נמוך

גבוה

מחיר שעת עבודה ממוצעת של מהנדסי מערכת

גבוה

נמוך

כמות התקנות בתעשייה הישראלית

נמוך

גבוה

מורכבות היישום

גבוה

נמוך

שילוב מערכות צד שלישי

קשה

קל

יכולות בטיחות ותאימות לתקני בטיחות

גבוה

נמוך

פונקציות מיוחדות לאופטימיזציה של תהליכים

גבוה

נמוך

מגמות וחידושים בעשור החולף

עם התפתחותן של מערכות הבקרה וכניסתן גם לעולמות שהיו שמורים בעבר בעיקר למערכות ה-DCS , המשיכו יצרניות הבקרים המתוכנתים לשכלל ולפתח את רכיבי החומרה ומערכות ה-HMI שלהן. בזכות השקעות אדירות במו”פ, ובזכות שילוב טכנולוגיה מתקדמת ומעבדים חזקים, בקרי PLC מהירים הרבה יותר וכמות הזיכרון שלהם גדולה פי 1000 ויותר מבקרים שהותקנו רק לפני עשור או שניים. החידושים הטכנולוגיים הללו אפשרו ליצרניות הבקרה המסורתיות לצאת בסדרת מערכות בקרה חדשות, מבוססות PLC ו-HMI המשולבים ביניהם, ובאמצעותם לנגח את מערכות ה-DCS הישנות והמגושמות. המפתח להצלחה – שילוב וסינכון של מערכת ה-HMI עם מערכת הבקרה, ופיתוח של מערכת בקר HMI אחת אחודה.

 טכנולוגיה קוטעת Disruptive Technology

גורלן של מערכות ה-DCS מזכיר את תאוריית החדשנות הקוטעת של פרופסור כריסטנסן, איש הרווארד: בפינות קטנות, כמעט בהיחבא, מתפתחת טכנולוגיה חדשה. בשלב מסוים היא נגלית לעין. או אז החברות השולטות בטכנולוגיה הנוכחית בוחנות אותה. אין להן סיבה להחליף טכנולוגיה בשל עלות שינוי גבוהה ומשום שהטכנולוגיה החדשה נחותה יותר או מתאימה לפלח שוק קטן למדי. פה קבור הכלב: הטכנולוגיה מתאימה למישהו – קטן מכדי להיות אטרקטיבי לענקי הטכנולוגיה הנוכחית, אך גדול דיו כדי להחזיק בחיים את החברות המחדשות. ואז נופל דבר, שינוי או שיפור, לעתים לא צפויים, הופכים את הטכנולוגיה החדשה למתאימה לחלק גדול בשוק, ולרוב גם לעדיפה יותר. בתוך זמן קצר המלך הישן מוחלף בחדש, ובמקרה שלנו, בבקרת תהליך באמצעות מערכת בקרה משולבת PLC-HMI.

 בסיס נתונים אחד

בעוד שבשלהי שנות ה-2000 נאלצו אנשי הבקרה התעשייתית לתחזק מספר בסיסי נתונים – הן עבור הבקרים המתוכנתים PLC והן עבור מערכות ה-HMI – בזכות חידושים טכנולוגים ומאמצי המו”פ, הצליחו יצרניות הבקרה לשווק מערכת בקרה שלמה, המכילה הן את הבקרים המתוכנתים והן את מערכות ה-HMI כשלשניהם בסיס נתונים אחד. זוהי פריצת הדרך שסללה הפחתה משמעותית בעלויות הפיתוח והתחזוקה של מערכת בקרה תעשייתית באמצעות PLC. בעוד שבעבר נאלצו היצרנים להגדיר כל נקודה ונקודה, הן בבקר המתוכנת, הן במערכת ה-HMI והן במערכות נוספות נלוות (פאנלים תעשייתיים, תוכנות איסוף נתונים) – באמצעות בסיס נתונים מרכזי משותף ניתן לבצע את ההגדרות במקום יחיד.

 ספריות אובייקטים מובנות

בעוד יצרניות DCS הצטיינו בבקרת תהליכים וחוגי בקרה ייעודיים שסופקו עם המערכות, כך גם יצרניות ה-PLC שִכללו תכונות אלה ומספקות היום שלל רב של אובייקטי תוכנה וחומרה מוכנים Out-Of-The-Box לשימושם של המפתחים. באופן זה, התאמתן של מערכות הבקרה מונחות ה-PLC לעולמות הייצור התהליכיים הפכה סלולה. היתרון הגדול של ה-DCS מוטמע עתה גם באח הקטן, ה–PLC.

 המפתח להצלחה: הטמעה של מערכת בקרה תהליכית אחידה PLC ו- HMI של אותו היצרן

על מנת להשיג את היתרונות הגדולים של מערכת בקרה מונחת PLC בתעשייה התהליכית, ישכילו מהנדסי הבקרה להטמיע מערכת בקרה אחת של יצרן יחיד, הכוללת הן את הבקר המתוכנת והן את מערכת ה-HMI. זוהי מערכת בקרה תהליכית שלמה שבאמצעותה ניתן ליהנות ולהשיג את היתרונות הטכנולוגיים הגדולים. בעוד שבעבר מהנדסי הבקרה נהגו להפריד בין מערכת ה-HMI לבקרים המתוכנתים, ולבחור יצרנים שונים של המערכות, היתרונות היום בשילוב הטכנולוגי בין השתיים הכרחיים על מנת להשיג את העוצמות החדשות הטמונות בטכנולוגיות המוצעות על-ידי היצרנים השונים.

 טבלת השוואה: מערכות PLC/DCS – המצב כיום

נושא

DCS

PLC

שימושים עיקריים

בקרה תהליכית

כל סוגי הבקרה

כמות נקודות בקרה מבוקרות

גבוה

גבוה

עלות חומרה ממוצעת לנקודת בקרה

גבוה

נמוך

זמן פיתוח, הקמה והרצת מערכת בקרה תהליכית

נמוך

נמוך

מחיר שעת עבודה ממוצעת של מהנדסי מערכת

גבוה

נמוך

כמות התקנות בתעשייה הישראלית וזמינות חלפים

נמוך

גבוה

מורכבות היישום

גבוה

נמוך

יכולות בטיחות ותאימות לתקני בטיחות

גבוה

גבוה

שילוב מערכות צד שלישי

קשה

קל

וכך, בשנים האחרונות אנו עדים להתעצמותה של המגמה – יותר ויותר מפעלים תהליכיים בעולם ובישראל נשענים על מערכות אחודות PLC-HMI של יצרן יחיד. באמצעות השילוב המנצח, וספריות האובייקטים המובנות, משיגים היצרנים ביצועים משופרים ביחס למערכות ה-DCS הוותיקות, ועלויות בעלות כוללות נמוכות באופן משמעותי ממערכת ה-DCS המסורתית.

על מערכת PlantPax של חברת Rockwell-Automation

חברת Allen-Bradley, שנרכשה לפני כשני עשורים על-ידי Rockwell Automation, הינה אחת מהיצרניות המובילות בהשקעות מו”פ בתחום הבקרה התהליכית. בעשור האחרון שחררה החברה גרסאות חומרה ותוכנה המאפשרות ליצרנים ליהנות מפירות המחקר והפיתוח, ולקצר את עלות הבעלות הכוללת. סדרת מוצרי Factory Talk מאפשרת למפתחים פיתוח באמצעות בסיס נתונים יחיד, הן למערכות הבקרה והן למערכות התוכנה הנלוות. את הבקר המתוכנת ואת מערכת ה-HMI המשולבת מיתגה החברה תחת השם PlantPax. זוהי מערכת בקרת התהליך השלמה של Rockwell. ספריות האובייקטים המשותפות מכילות היום את תוכנות הבקרים ואת מסכי התפעול ב-HMI לסדרות שלמות של אביזרי בקרה.

הנה, לדוגמא, מסך מנוע:

מסך מנוע במערכת בקרה

באמצעות מסך מוכן זה מבוצע תפעול של מנוע (משאבה, מסוע, מערבל וכו’). במסך ניתן לבצע הפעלה וכיבוי, איפוס תקלות, נעילה ושינוי סטאטוס למנוע, שינוי השם ותיאור המוצג, שינוי ההתראות ומאפיינים נוספים של המנוע. המסך מגיע בנוסף למסך אינטרלוק, מסך מונה התנעות, מסך הגנת התנעה ומסך עזרה.

הנה מסך העזרה המובנה שמגיע יחד עם מסך המנוע:

תצוגת מנוע במערכת בקרה

כל הסמלים המופיעים במסך המנוע מוסברים בקצרה במסך העזרה. מסך זה, כמו שאר המסכים והאובייקטים של PlantPAX, מגיעים פתוחים לעריכה, כך שניתן להחליף בהם בקלות את השפה לעברית, רוסית, ערבית או לכל השפות גם יחד.

בסיס נתונים אחד

בפרויקט במפעל לייצור דטרגנטים, שבוצע בישראל לפני מספר שנים, נעשה שימוש בבקר מתוכנת ובתוכנת HMI בשיטה המיושנת יותר שבה מוגדרים שני בסיסי נתונים – אחד עבור הבקר והשני עבור ה-HMI. בפרויקט זה, בכל אחד מבסיסי הנתונים היה צורך להגדיר למעלה מ-10,000 תגים המסונכרנים בין שני בסיסי הנתונים. הכנת התגים הללו, בכל אחד מבסיסי הנתונים, ושמירה על הסינכרון ביניהם, גזלה זמן רב במהלך הפרויקט ובאחזקתו. בפרויקט חדש יותר, שהפעלתו הסתיימה בשנה שעברה, נעשה שימוש בטכנולוגיה החדשה שאפשרה את השימוש בבסיס נתונים אחד בלבד, בבקר. מערכת ה-HMI נכתבה כולה מבלי שהיה צורך ליצור אף לא תג אחד. איחוד בסיסי הנתונים חסך זמן רב בהכנת הפרויקט ובעיקר בהפעלות בשטח. הוספת ציוד או שינוי פרטים מתבצע על גבי מסך ה-HMI ומתעדכן מיידית בבקר המתוכנת בו נשמרים הנתונים.

כללי