logo
FA 3/2024 z laboratoriów

Paweł Domański

Po prostu automatyka!

Po prostu automatyka! 1

Źródło: opinieouczelniach.pl

I cóż ma począć inżynier automatyk, pływając w swej szalupie po nieznanych morzach przemysłu, omijając rafy ignorancji, mielizny niewiedzy, targany wiatrami sztucznej inteligencji i zmagając się z własnymi wątpliwościami? Przecież się nie podda.

Automatyka, szczególnie ta w przemysłowym wydaniu, niejedno ma imię. Mówimy i uczymy o niej w różnych miejscach. W ramach automatyki rozważamy zagadnienia robotyki i automatyki procesowej, mechaniki i elektroniki. Możemy specjalizować się zarówno w algorytmach, jak i komputerowych systemach sterowania. Istnieje ogromna dziedzina technologiczna, tzw. obiektówki, czyli sprzętu automatyki wspierającego jej działanie, tj. urządzeń pomiarowych (pomiary wszelakich wielkości elektrycznych i nieelektrycznych) oraz wykonawczych (zawory, pompy, silniki, serwomechanizmy, pozycjonery, chwytaki i inne). Automatykami są specjaliści od układania tras kablowych i ci, którzy zajmują się protokołami komunikacyjnymi czy też integracją systemów automatyki. Od automatyki już tylko jeden krok do automatyzacji procesów i budowy automatycznych systemów wytwarzania, linii produkcyjnych i zrobotyzowanych fabryk. Coraz większą popularność zdobywają i są wykorzystywane różne systemy i pojazdy autonomiczne, począwszy od zabawkowego drona, aż po łaziki marsjańskie. Do automatyki wdziera się obecnie drzwiami i oknami sztuczna inteligencja jak też wszelakiej maści uczenie maszynowe.

Automatyka niby jest, ale jej nie widać. Widzimy jedynie efekt jej działania w postaci instalacji, np. produkującej nawozy, robota lakierującego karoserię czy też rakiety trafiającej w cel. Aspekt ten ma ciekawą konotację historyczną. W czasach dawnych, w średniowieczu, najbardziej były szanowane zawody, które produkowały coś namacalnego. Krawiec szył ubrania, szewc robił buty, kowal kuł podkowy a zdun budował piece. Osoby wykonujące takie zawody zawsze cieszyły się poważaniem. Z drugiej strony byli handlarze i kupcy, którzy zarabiali nie wiadomo na czym. Kowal musiał się mocno namęczyć, aby wykuć lemiesz. Zaś kupiec, no cóż, pojechał do innego kraju, coś tam kupił, coś tam sprzedał, pogadał i zarobił mnóstwo pieniędzy z niczego. Jednak pomimo bogactwa, nie cieszył się szacunkiem. I łatwo go było wygnać, posądzić o zdradę lub spalić na stosie. Podobny los mógłby łatwo spotkać automatyka w tamtych czasach.

Kontynuując powyższą przypowiastkę, można podążyć narracją trzema ścieżkami: szacunku do zawodu, nietechnicznego wymiaru pracy oraz samej historii automatyki. Pokrótce zajrzymy w każdą stronę.

Szacunek dla tytułu inżyniera

Dość często osoba wykonująca zawód automatyka ma ukończone studia i tytułuje się inżynierem. Jest to nawet bardziej dobitnie dostrzegalne w nomenklaturze anglosaskiej, w której automatyk to po prostu control engineer, czyli inżynier automatyk (słowo automatician praktycznie nie funkcjonuje). Kiedy przypomnę sobie swoją młodość i dzieciństwo, w społeczeństwie zawsze istniał niekwestionowany szacunek dla tytułu inżyniera. Wspomnijmy chociażby legendarne zawołanie Maliniaka do inż. Karwowskiego z filmu Czterdziestolatek: „Panie inżynierze, panie inżynierze”! Studiując któryś z kierunków automatyki i kończąc studia wyższe na poziomie licencjackim, otrzymujemy tytuł inżyniera. Pozostaje pytanie, co to praktycznie oznacza. Kim właściwie jest inżynier? W literaturze można znaleźć popularną definicję, którą przytoczę: „inżynier w oparciu o swoje gruntowne wykształcenie i praktykę zawodową jest zdolny do stosowania metod naukowych i naukowego punktu widzenia, do analizy i rozwiązywania problemów technicznych. Jest w stanie przyjąć odpowiedzialność za rozwijanie i stosowanie nauki i wiedzy inżynierskiej w szczególności w pracy badawczej, produkcji, nadzorowaniu, zarządzaniu oraz kształceniu inżynierów. Praca jego jest w przeważającej części umysłowa i nieszablonowa, nie jest to praca umysłowa, której umiejętności nabywa się w drodze rutyny ani pracy fizycznej. Wymaga ona kierowania się własnym myśleniem i własnym sądem oraz umiejętnościami nadzorowania technicznej i administracyjnej pracy innych.

Wykształcenie i praktyka zawodowa inżyniera powinny dać mu szeroki pogląd na całość wiedzy technicznej, a zarazem gruntowną znajomość specyficznych zagadnień w swojej specjalności. Po zdobyciu odpowiedniego doświadczenia inżynier powinien być zdolny do dawania autoryzowanych wskazań technicznych i przejęcia odpowiedzialności za kierowanie ważnymi pracami w swojej gałęzi” (Hoser J., Zawód i praca inżyniera, Ossolineum, Wrocław 1970).

Jak widać, inżynier musi nie tylko mieć owe trzy literki przed nazwiskiem, ale musi mieć praktykę zawodową podbudowaną podejściem naukowym. Czyli musi wiedzieć, o co chodzi i dlaczego coś się dzieje. Po drugie musi być kreatywny. Owo nieszablonowe myślenie, niepodążanie na ślepo za wskazaniami innych czy też sztywnymi procedurami wymaga samodzielnego myślenia, rozsądku i roztropności. Te cechy pozwalają mu wziąć na siebie odpowiedzialność. Według mnie jest to najważniejsza cecha dobrego inżyniera, inżyniera automatyka również.

Tak jak inżynier budownictwa staje pod mostem swojej konstrukcji podczas prób obciążeniowych, tak samo inżynier automatyk powinien umieć brać na siebie odpowiedzialność za swoje posunięcia. Błędne zestrojenie regulatora może doprowadzić do destabilizacji procesu i na przykład odstawienia instalacji czy wręcz jej uszkodzenia. Na tej instalacji pracują ludzie i jej uszkodzenie może stanowić zagrożenie dla przebywających tam pracowników. Bardzo łatwo o tym zapomnieć, siedząc przy klawiaturze stacji inżynierskiej w sterylnych, klimatyzowanych i wygłuszonych pomieszczeniach. Lecz z drugiej strony nie chodzi o strach przed decyzją. Strach paraliżuje. Lecz rzetelny inżynier wszystkie swoje decyzje potrafi uzasadnić wiedzą, praktyką i doświadczeniem. Zdaję sobie sprawę, że w obecnych czasach odpowiedzialność może być rzadkim dobrem, ale warto się z nią zmierzyć, gdyż satysfakcja z dobrze wykonanego skomplikowanego zadania jest tego warta. I właśnie za to powinniśmy szanować inżyniera, choć w obecnych czasach pojęcie szacunku mocno się wyświechtało.

Poznać sam proces i obiekt

Praca inżyniera automatyka, w ogóle automatyka, wiąże się nie tylko z wąsko pojmowanym solowym działaniem. Automatyk, tak jak i system sterowania, nie działają w próżni. Układ regulacji raz utrzymuje temperaturę w reaktorze chemicznym, drugim razem utrzymuje pułap lotu samolotu, a jeszcze w innym przypadku zarządza systemem utrzymywania atmosfery w oranżerii ogrodu botanicznego. Żeby prawidłowo i adekwatnie dobrać taki układ sterowania, należy poznać sam proces. Nie można nadzorować reakcji chemicznych, nie znając technologii chemicznej. Nie poradzimy sobie z lotem samolotu, nie znając zasad aerodynamiki. Oranżeria niby jest prosta, ale w przypadku roślin egzotycznych łatwo je po prostu zniszczyć. Oczywiście nie ma ludzi, którzy znają się na wszystkim. Kiedy pierwszy raz byłem na bloku energetycznym, o spalaniu wiedziałem tyle co z wieczorów przy ognisku. Przed pierwszą wizytą w zakładzie chemicznym moja wiedza o reaktorach była nieskalana znajomością tematu. Ale nie o to chodzi. Nie zawsze mamy wymagany know-how, ale możemy mieć know-who. Nie jesteśmy sami, pracujemy w zespole, którego członkowie dysponują wymaganą wiedzą. Technolog zna proces, elektryk połączenia, informatyk protokoły komunikacyjne, dział utrzymania produkcji ma wiedzę o pomiarach i urządzeniach wykonawczych, księgowy o kosztach produkcji, a operator (taki pilot w zakładzie przemysłowym) potrafi nadzorować poprawne działanie procesu i zna go „od podszewki”.

Automatyk jest członkiem zespołu i musi umieć współpracować z pozostałymi członkami. Musi umieć rozmawiać, uczyć się od innych oraz samemu przekazywać współpracownikom swoją wiedzę. W ten sposób zdobywa zaufanie, zbiera bagaż doświadczeń oraz buduje swój prestiż, który towarzyszy mu przez całe życie. Tym samym nie może (w każdym razie nie powinien) dawać „plamy”, gdyż świat jest mały i wszyscy wszystko o wszystkich wiedzą.

Zdolności miękkie, umiejętność prowadzenia rozmów o niczym, empatia, uśmiech i pomocna dłoń w połączeniu z zaangażowaniem i rzetelną pracą pozwolą na zrobienie projektu. Sama „gadka-szmatka” niepoparta wiedzą szybko ukaże, że „król jest nagi”. Zamknięty w sobie fachowiec będzie pracował, ale nie będzie lubiany i po prostu nie posiądzie wszystkich potrzebnych informacji. I jeden, i drugi będzie pracował, ale po prostu nie zrobi projektu. A nie o to chodzi, by coś robić (tryb niedokonany), ale żeby zrobić. O to chodzi w pracy inżyniera, automatyka również.

Musimy potrafić znaleźć złoty środek pomiędzy zdolnościami interpersonalnymi, wiedzą i pracą. W tym miejscu należy pamiętać, że praca to nie wszystko. Są jeszcze rodzina i pasje. A praca automatyka cechuje się jeszcze jednym aspektem. System automatyki związany jest z obiektem, bez niego nie istnieje. Raz jest to elektrownia w Turcji, innym razem zakład chemiczny w Brazylii, innym razem coś tam w Chinach, Indiach czy też w Stanach Zjednoczonych, na przemian z Puławami, Opolem lub Ostrołęką. Projekt związany z automatyką przemysłową jest nieodłącznie związany z obiektem. Zdalnie wiele nie zrobimy. Trzeba pojechać na miejsce, zobaczyć, dotknąć, powąchać, spotkać się, porozmawiać z ludźmi.

Po prostu automatyka! 2

Na początek wygląda to pociągająco, ale po pierwsze obiekty przemysłowe nie znajdują się w centrach turystycznych, lecz gdzieś pośrodku niczego. Po drugie ciągłe podróżowanie wiążę się z nieobecnością w domu. To nie jest proste i wymaga bardzo wiele od obu stron. Ja w każdym razie nie byłbym tu, gdzie jestem, bez mojej Żony i Dzieci. Mam tego pełną świadomość.

Oczywiście można być również inżynierem automatykiem po tzw. drugiej stronie, czyli na obiekcie. Wtedy pracujemy w jednym miejscu, chyba że to korporacja i od czasu do czasu zechce nas przerzucić na inny, równie ważny front pracy. W każdym zakładzie przemysłowym jest wydział AKPiA (Aparatura Kontrolno-Pomiarowa i Automatyka). Kiedyś pracowało w nim wiele osób, które doskonale znały obiekt, opiekowały się nim na bieżąco i potrafiły samodzielnie rozwiązać wiele problemów. Ale te czasy dawno odeszły w niepamięć i nastała doba outsourcingu. Większość tych fachowców została zwolniona lub wydzielona w zewnętrzne firmy, pozostawiliśmy tylko jedną bądź dwie osoby, a usługi są kupowane na tzw. rynku. W teorii wszystko wygląda świetnie, szczególnie z perspektywy Excela. Koszty obniżyliśmy, instalacja działa. W teorii wszystko powinno samo działać, ale teoria zgadza się z praktyką jedynie w teorii. Zawsze coś się zmieni, zepsuje lub wymieni, co wymaga interwencji automatyka.

Ta jedna osoba musi zarządzać całą instalacją. Po obrobieniu papierkowej roboty zostaje jej niewiele czasu na zajęcie się właściwym systemem automatyki. Może co najwyżej reagować na nadzwyczajne, awaryjne sytuacje. A w większości przypadków wzywa firmę zewnętrzną, czego oczywiście nie może nadużywać, gdyż to kosztuje. A owa firma zewnętrzna też tnie koszty. Kiedyś, gdy automatyk był na miejscu, znał doskonale obiekt i bardzo szybko był w stanie zdiagnozować problem. Teraz nie wiadomo, kto przyjedzie. Raz pan X, raz pani Y, a kolejnym razem jeszcze inna osoba. I każda z nich za każdym razem musi się zapoznać z obiektem. I co ważniejsze, musi zakończyć swoją pracę jak najszybciej, bo to koszt w sumie dla obu stron.

Stąd też otrzymujemy jak najprostsze, uniwersalne rozwiązania (popularne szablony, ang. templates) strojone konserwatywnie i na najgorszy przypadek. Tak zestrojona instalacja pracuje daleko od optymalnych punktów pracy, ale tego raczej nie widać, a na pewno z perspektywy Excela. Rzadko kiedy są one specjalnie dopasowane do obiektu, bo przecież następnym razem przyjedzie inna osoba i musi zrozumieć strukturę. A po drugie dedykowane rozwiązania wymagają czasu. Tym samym wygrywa kilkanaście tysięcy wydane dziś, zamiast milionowych zysków za rok.

Inżynier na samym końcu łańcuszka

Z tą automatyką na obiekcie w ogóle jest „pod górkę”. Powyżej troszkę napisałem o codziennej pracy. Ale weźmy pod uwagę nowy obiekt. Załóżmy, że stawiamy nową instalację. Musimy zrobić projekt, zdobyć wszelkie pozwolenia, potem musimy wejść na plac budowy, przerzucić tony ziemi, wylać setki a może tysiące metrów sześciennych betonu, zabudować instalację, wszelkie rurociągi, okablowania, urządzenia pomiarowe, pompy i zawory. To wszystko kosztuje miliony, dziesiątki a może i setki. Potem pojawi się system sterowania, komputery i szafy systemowe, kilometry miedzianych kabli i światłowodów wszystko połączą. Wydamy kolejne miliony. Ale to wciąż nie będzie działać. Trzeba zaprojektować, zaprogramować i uruchomić (zestroić) algorytmy sterowania. Wydawszy wcześniej ogromne pieniądze na te wszystkie tony stali i sprzętu, chcemy jak najszybciej przeciąć wstęgę i ogłosić sukces uruchomienia instalacji. A na samym końcu łańcuszka inwestycyjnego jest nasz inżynier automatyk, który pod presją opóźniających się harmonogramów musi wykonać swoje działania. One nie kosztują tych milionów. Wyników tej pracy również nie widać.

Zatem może po prostu trochę skrócimy czas, coś tam ograniczymy – byle uruchomić. Inżynier automatyk dobrze wie, że rzetelne wykonanie pracy wymaga czasu. Ale wiecie-rozumiecie i tak nigdy nie ma tego najrzadszego dobra, czyli spokojnego czasu na porządne dopracowanie automatyki. Oczywiście wszyscy niby wiedzą, że dobrze pracujący system sterowania przynosi zyski, a na pewno minimalizuje straty. Ale przecież tego nie widać. Instalacja pracuje i nic innego się nie liczy. Automatyka jako ostatnie ogniwo inwestycji bardzo często zmaga się z ograniczaniem budżetów i cięciem harmonogramów.

Skończmy jednak to narzekanie, wróćmy do automatyki jako takiej. Może jej nie widać, ale bez niej nie byłoby tego, co jest. Gdy spojrzymy wstecz, automatyka do XVIII wieku tak naprawdę nie istniała. Były maszyny proste, młyn, wiatraki i systemy nawadniania. One działały i przynosiły efekty. I dopiero w 1763 roku, gdy jak czytamy w podręcznikach historii, James Watt zbudował pierwszą maszynę parową, rozpoczęła się rewolucja przemysłowa. Tyle że sama maszyna parowa jako taka była znana już wcześniej. Już starożytni zdawali sobie sprawę z potencjału energii znajdującego się w parze wodnej. Największym osiągnieciem Watta nie była ta wielka maszyna, ale niewielki regulator odśrodkowy, który potrafił zapanować nad energią. Połączenie pomiaru prędkości obrotowej (przepływ) z zaworem wykonawczym umożliwiło automatyczne regulowanie obciążenia maszyny bez konieczności ingerencji człowieka. Po raz pierwszy pojawiło się explicite ujemne sprzężenie zwrotne. Zbyt duże obciążenie przymykało zawór, co je zmniejszało i vice versa.

Bez tego regulatora odśrodkowego maszyna parowa byłaby tylko kolejnym źródłem pary, takim ogromnym czajnikiem. Mówiąc dzisiejszym językiem, James Watt zbudował jednopętlowy układ regulacji przepływu z regulatorem proporcjonalnym (regulator P). To było jego osiągnięcie. I to zapoczątkowało rewolucję przemysłową. Nie chodzi o to, by generować energię, ale o to, by produkować jej tyle co trzeba, wtedy kiedy trzeba.

Algorytm PID

Na kanwie proporcjonalnego regulatora odśrodkowego zaczęła się rozwijać teoria automatyki, począwszy od pierwszego artykułu naukowego napisanego przez Maxwella w 1868. W ciągu kolejnych kilkudziesięciu lat (w roku 1922) automatyka przyniosła rozwinięcie regulatora proporcjonalnego Watta do postaci algorytmu sterowania typu PID, czyli proporcjonalno-całkująco-różniczkującego.

I pomimo faktu, że od tego czasu ludzie napisali tysiące książek i bodajże milion artykułów naukowych o automatyce, opracowano ogromną ilość algorytmów sterowania oraz uruchomiono miliony układów sterowania, to algorytm PID wciąż ma się dobrze i jest niekwestionowanym liderem pośród struktur sterowania w przemyśle procesowym. Jego udział wynosi blisko 100%. Minęło już ponad sto lat rozwoju nauki, a na obiektach działa ten sam algorytm. Ciekawe dlaczego? Ja na swój własny użytek widzę trzy odpowiedzi: siła tradycji, edukacja automatyki oraz cechy samego algorytmu.

Kiedyś w jednej z fabryk usłyszałem porzekadło: „Jak coś się przewróciło, to niech leży, bo jak spróbujemy podnieść, coś innego się może przewrócić”. Krótko mówiąc, jeśli coś działa, to tego nie zmieniamy, ponieważ działa. Nie dokonujemy zmiany dla samej zmiany. Skoro PID działał sto lat temu, działał i pięćdziesiąt lat temu, i dziesięć, i wczoraj, to niech działa dalej. Każda zmiana wiążę się z ryzykiem awarii bądź pociąga za sobą cały łańcuszek kolejnych zmian. I tak nasz stulatek trwa.

Po drugie edukacja, tzn. jej poziom. I nie chodzi o to, że ona jest taka wspaniała, a wręcz przeciwnie. Problem jest uniwersalny na całym świecie. Edukacja albo skupia się (ale pobieżnie, bo po co mówić o stuletnim rozwiązaniu) na prostym PID, albo przeskakuje do różnych wymuskanych struktur regulacji zaawansowanej, obecnie oczywiście sztuczno-inteligentnych. Tymi zajmują się przecież naukowcy, gdyż oni muszą publikować, bo inaczej znikną. Zatem z jednej strony uczymy o jak najbardziej klasycznym PID, a potem przeskakujemy do zaawansowanych struktur sterowania predykcyjno-adaptacyjnego, które to możemy spotkać na obiekcie nad wyraz sporadycznie.

Powyższe dwa wyjaśnienia mają odcień pejoratywny. Ale na tym tle błyszczy argument nr 3. Algorytm PID jest świetny, jest prosty w zrozumieniu, jest odporny i po prostu działa. Wybacza pomyłki. Pracuje pomimo zmian na obiekcie, wszelkich zakłóceń, błędów ludzkich i awarii innego osprzętu. Czyż to nie jest wspaniałe? Współczesne wyżyłowane struktury sterowania zaawansowanego potrafią wycisnąć z obiektu wszystko, co się da. To fakt. Ale gdy na obiekcie coś się zmieni, np. punkt pracy lub choćby jej obciążenie, układ zaawansowany traci wszelkie przewagi i jego efektywność spada dramatycznie. Natomiast PID wciąż działa, z pewnością trochę gorzej, ale na pewno już lepiej od tej automatyki zaawansowanej. A dostrojenie automatyki zaawansowanej z jej optymalizacją modelami neuronowymi i czymkolwiek wymaga czasu eksperta. Jednak ekspertów jest mało i ich czas kosztuje wiele. Takie są fakty.

I cóż ma począć inżynier automatyk, pływając w swej szalupie po nieznanych morzach przemysłu, omijając rafy ignorancji, mielizny niewiedzy, targany wiatrami sztucznej inteligencji i zmagając się z własnymi wątpliwościami? Przecież się nie podda.

Być może z powyższego tekstu można by wysnuć wniosek, że sytuacja jest beznadziejna. Szczególnie że „legenda ludowa niesie”, iż automatyka jest trudna i „nie idzie” jej pojąć. Przez 30 lat walczyłem z tym przesądem i w końcu się poddałem. Nec Hercules contra plures. Ale skoro automatyka jest trudna, to właśnie dlatego należy się nią zajmować. Żadna sztuka i żadna satysfakcja przeskoczyć przez krawężnik, wystarczy mieć dwa lata. Ale pokonać poprzeczkę na wysokości dwóch metrów potrafi już bardzo niewielu. I przynosi to ogromną satysfakcję.

12 września 1962 w Houston, podczas przemówienia na Rice University, John F. Kennedy powiedział: „Dokonujemy rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale właśnie dlatego, że są trudne, a przez to zmuszą nas do lepszej organizacji i wykorzystania wszystkich naszych umiejętności”.

I dlatego zajmujmy się automatyką.

Artykuł oparty na badaniach opublikowanych w monografii Dwanaście esejów o automatyce, Warszawa 2023.

Dr hab. inż. Paweł D. Domański, prof. PW, Instytut Automatyki i Informatyki stosowanej, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej

Wróć