Instalowanie systemu czujników bezprzewodowych może wydawać się skomplikowanym zadaniem, jednak wykonanie go w czterech podstawowych etapach może je uprościć.
Zakłady przemysłu przetwórczego działają pod presją związaną z oczekiwaniem wzrostu produkcji i wydajności realizowanych procesów, zmniejszenia zużycia energii i kosztów utrzymania ruchu, a także poprawy bezpieczeństwa. Aby spełnić te wymagania, zakłady przemysłowe muszą monitorować wszystkie aspekty swoich procesów, realizować akwizycję danych z nowych przyrządów, a także analizować zebrane dane, tak aby zamienić je na użyteczne informacje oraz podejmować na ich podstawie działania mające na celu rozwiązywanie konkretnych problemów.
Jak więc przeprowadzić proces wdrożenia strategii monitoringu w zakładzie? Zostanie on opisany w czterech krokach.
Etap 1: Zidentyfikowanie obszarów do wprowadzenia ulepszeń
Pierwszym etapem jest określenie wartości ekonomicznej wynikającej z poprawy obserwowalności prowadzonych operacji. Można np. określić, ile dla zakładu warta jest wiedza o tym, że jakaś maszyna czy urządzenie niedługo ulegnie awarii lub nie pracuje wydajnie. Po oszacowaniu wartości ekonomicznej mogą być określone niezbędne do wykonania pomiary i zmienne do wyznaczenia, które będą wymagane do podjęcia świadomej decyzji w trakcie prowadzenia procesów przemysłowych.
Jednym ze sposobów realizacji tego etapu jest dokonanie obchodu i/lub wykonanie schematu orurowania i analizy oprzyrządowania (Piping and Instrumentation Diagram – P&ID) w zakładzie z pomocą firmy będącej dostawcą systemu bezprzewodowego. Specjaliści od technologii bezprzewodowej oraz kluczowy personel firmy dokonują obchodu zakładu i/lub analizują rysunki P&ID, badają sprzęt i realizowane procesy technologiczne, notują dostępne przyrządy, oprzewodowanie oraz infrastrukturę We/Wy (I/O) sygnałowych, a także określają obszary do wprowadzania ulepszeń. Specjaliści identyfikują miejsca, w których ulepszenia przyniosą szybki zwrot z inwestycji, takie jak monitoring odwadniaczy instalacji parowych czy nadciśnieniowych zaworów bezpieczeństwa.
W niektórych przypadkach specjaliści pracujący w zakładzie wiedzą już, co należy ulepszyć. Na przykład kierownictwo pewnego zakładu energetycznego w Kalifornii chciało wdrożyć architekturę bezprzewodową w całej elektrociepłowni w celu uzyskania dostępu do danych, które poprzednio były nieosiągalne w tradycyjnych systemach przewodowych (fot. 1). – Musieliśmy monitorować pracę naszych chłodni kominowych. Temperatury pionu chłodni kominowej są kluczowe przy obliczaniu sprawności energetycznej wykorzystywanej do określenia jej wydajności – powiedział inżynier zakładowy elektrociepłowni.
Celem kierownictwa zakładu był także lepszy monitoring turbin. Proces ten obejmuje monitorowanie temperatury w celu zapobiegania przegrzewaniu oraz monitoring filtra powietrza w celu zmniejszenia wpływu zapchanych filtrów na sprawność turbiny. – Chcieliśmy monitorować temperatury w komorze turbiny, aby wykrywać nieszczelności w układzie wymuszonego chłodzenia powietrznego turbiny. Mieliśmy zainstalowane wyłączniki termiczne, które zwierały obwód po przekroczeniu pewnej temperatury, ale nie dawały nam informacji, jaka jest dokładnie temperatura w komorze turbiny. Gdy wyłączniki zamykały obwód, wiedzieliśmy, że coś się dzieje, ale poza tym nie mieliśmy żadnej informacji – powiedział wspomniany już inżynier zakładowy. Mechanicy musieli dokonywać inspekcji znacznie częściej, niż było to konieczne, ponieważ praktyka udowodniła, że nieszczelności w układzie chłodzenia turbiny stanowią problem i muszą być szybko odnalezione.
Kierownictwo elektrowni przeanalizowało swoje potrzeby oraz określiło, które procesy przyniosą największy zwrot z inwestycji. Następnie zleciło zainstalowanie czujników bezprzewodowych, które miały dostarczać niezbędnych informacji.
Etap 2: akwizycja danych
Kluczem do skutecznego wdrożenia czujników bezprzewodowych jest realizacja strategii, w której czujniki te są wykorzystywane do akwizycji danych ze wszystkich części zakładu przemysłowego po uzasadnionych kosztach. Wiele z istniejących starszych zakładów mogłoby uzyskać znaczące korzyści z tytułu dodania znacznie większej liczby punktów pomiarowych, biorąc pod uwagę udowodnione korzyści finansowe. Jednak zakłady te nie realizują takich inwestycji, a jedną z przyczyn jest fakt, że w przeszłości musiały być wykonane połączenia przewodowe pomiędzy punktami pomiarowymi, takimi jak czujniki ciśnienia zainstalowane na pompie, a systemem sterowania i monitoringu.
Zainstalowanie takiego oprzewodowania w istniejącym zakładzie jest zwykle bardzo drogim przedsięwzięciem, ponieważ czujniki przewodowe wymagają zasilania, połączenia przewodowego z systemami modułów We/Wy (I/O) oraz dodatkowych punktów We/Wy (I/O) w systemie sterowania i monitoringu. Takie modyfikacje często wiążą się ze znacznymi przestojami w zakładzie, co nie wchodzi w rachubę, ponieważ wiele zakładów pracuje z pełną lub niemal pełną mocą.
Z drugiej strony czujniki obsługujące technologię bezprzewodową WirelessHART mają wbudowane moduły zasilania, tak więc nie wymagają doprowadzenia przewodów zasilających. Ponadto jako bezprzewodowe nie wymagają dodatkowych układów i modułów We/Wy (I/O) ze strony systemów sterowania i monitoringu w zakładzie. Czujniki te są łączone za pomocą odpowiedniej bramy sieciowej z obejmującą cały zakład siecią typu mesh. Czujniki WirelessHART umożliwiają dodanie nowych punktów pomiarowych przy kosztach i czasie montażu stanowiących ułamek tych wymaganych w przypadku wersji przewodowych. Ponadto czujniki, jako niewymagające ingerencji w realizowane procesy technologiczne, mogą być zainstalowane bez żadnych przestojów w pracy zakładu.
Po zainstalowaniu infrastruktury WirelessHART dodawanie nowych czujników jest szybkie i tanie. W przypadku wspomnianej elektrociepłowni z Kalifornii jej personel odkrył, że można zainstalować bezprzewodowe czujniki temperatury na pompach pożarowych w celu zabezpieczenia ich przed uszkodzeniem. Zainstalowano więc je, a ponadto dodano czujniki bezprzewodowe przy odległym zbiorniku wody deszczowej, zasilającym chłodnie kominowe. Oba zestawy czujników podłączono do nowej infrastruktury WirelessHART.
– Mamy czujnik poziomu wody, który ostrzega nas, zanim woda ze zbiornika deszczowego zacznie przelewać się do rzeki. Daje to nam czas na udanie się do zbiornika, wykonanie pomiarów i weryfikację zgodności z wymaganiami. Inny bezprzewodowy punkt pomiarowy stale monitoruje poziom pH wody, aby zapewnić, że nie ma problemów z wodą zasilającą chłodnie kominowe – powiedział inżynier zakładowy elektrociepłowni.
Etap 3: analiza danych
Gdy w zakładzie wdrażana jest technologia wszechobecnych czujników (pervasive sensing), ekosystem bezprzewodowy generuje dużą ilość nieprzetworzonych danych. Dla kierownictwa zakładu i pracujących w nim inżynierów może być trudne podjęcie decyzji, które z tych danych są odpowiednie i przydatne w praktyce (rys. 1). Kosztowny komputerowy system zarządzania na poziomie przedsiębiorstwa często wymaga zainwestowania kwot sześciocyfrowych, kompleksowych szkoleń i wielu miesięcy na wdrożenie. Zwykle potrzebne jest też zatrudnienie konsultantów z firm zewnętrznych w celu uruchomienia systemu oraz posiadanie znacznych zasobów informatyków – specjalistów od serwerów, komputerów dedykowanych itd.
Ponieważ każde z tych rozwiązań jest specjalnie opracowane dla specyficznego urządzenia, jest tanie we wdrożeniu oraz szybkie w działaniu i łatwe w obsłudze. Ponadto, posiadając infrastrukturę bezprzewodową, łatwo dodawać nowe aplikacje.
Niedawne postępy w dziedzinie oprogramowania do analizy danych, które jest obecnie dostępne w postaci aplikacji uruchamianych za pomocą przeglądarek internetowych na zwykłych komputerach PC, laptopach, tabletach czy smartfonach, spowodowały, że analiza ta jest prostsza i tańsza (rys. 2). Każda aplikacja pobiera dane z bezprzewodowej bramy sieciowej lub innych systemów akwizycji danych i monitoringu. Obsługuje ona specyficzny sprzęt, taki jak odwadniacze instalacji parowych, pompy, wymienniki ciepła lub zawory ciśnieniowe za pomocą prostych, tanich rozwiązań typu wtyczka (plug-in), które mogą być uruchamiane niezależnie od zakładowego systemu sterowania. Te aplikacje wykorzystują wbudowane modele analityczne oraz interpretację strategiczną do zamiany danych z czujników na informacje, które personel zakładu może wykorzystać do podejmowania właściwych decyzji.
Etap 4: podjęcie działań korygujących
Czwartym i końcowym etapem jest podjęcie działań korygujących.
Ze względu na swoją lokalizację odwadniacze instalacji parowych często nie są monitorowane. Zamiast tego technicy z działów utrzymania ruchu raz lub dwa razy w roku dokonują obchodów i testują odwadniacze pod kątem ewentualnych nieszczelności. Obchody te są często nieskuteczne i wiele problemów pozostaje niewykrytych. Szacunkowe dane wskazują, że 18% odwadniaczy w zakładach petrochemicznych ulega awarii co roku, a każda taka awaria oznacza koszty straconego paliwa i pary w wysokości 16 tys. dolarów.
Dzięki zainstalowaniu czujników akustycznych WirelessHART można szybko zidentyfikować sytuacje, gdy odwadniacze nie otwierają się lub nie zamykają albo nie działają poprawnie (fot. 2). Roczne oszczędności kosztów wynikające z monitorowania 112 odwadniaczy w fabryce etylenu wyniosły ok. 342 tys. dolarów.
Zainstalowanie czujników akustycznych WirelessHART za nadciśnieniowymi zaworami bezpieczeństwa (PRD) pozwala personelowi działu utrzymania ruchu na identyfikację nieszczelnych lub zakleszczonych zaworów. W pewnym zakładzie petrochemicznym, w którym zainstalowanych było 200 zaworów bezpieczeństwa, roczne oszczędności energii uzyskane dzięki identyfikacji i naprawie nieszczelnych zaworów wyniosły prawie 1,5 mln dolarów.
Podsumowanie
Zainstalowanie czujników bezprzewodowych i oprogramowania analitycznego w zakładzie przemysłowym zwiększa jego wydajność i sprawność, pozwala na odnajdywanie problemów, zmniejszanie kosztów utrzymania ruchu i wydłużenie czasu eksploatacji sprzętu. Dzięki pomocy wyspecjalizowanej firmy będącej dostawcą systemów bezprzewodowych oraz przy zastosowaniu opisanej w artykule procedury można wdrożyć rozwiązanie bezprzewodowe po uzasadnionych kosztach oraz zapewnić szybki zwrot z inwestycji.
Brian Joe jest menedżerem działu produktów bezprzewodowych w firmie Emerson Automation Solutions.
*IIoT (Industrial Internet of Things) – Przemysłowy Internet Rzeczy
**AMS (Asset Management Software) – oprogramowanie do zarządzania zasobami
