Aplikacje związane z uzdatnianiem wody i oczyszczaniem ścieków obejmują różnorodne procesy, technologie oraz metody fizyczne i chemiczne. Spośród nich tzw. wąskimi gardłami procesu mogą być technologie filtracji wody oraz separacji zanieczyszczeń.
Firmy inżynierskie, dostawcy produktów z branży, wykonawcy prac budowlanych i montażowych oraz użytkownicy końcowi mają obecnie coraz wyższe wymagania dotyczące planowania i projektowania procesów przemysłowych, ich wydajności i niezawodności, również w odniesieniu do uzdatniania wody. Zwykle większość urządzeń filtracyjnych montowana jest na stalowej ramie i płozach. Sprawą kluczową jest, aby takie mobilne agregaty filtracyjne były prawidłowo zaprojektowane. Muszą zawierać właściwe komponenty do dokładnej diagnostyki i rozwiązywania problemów w systemie uzdatniania wody czy oczyszczania ścieków. Systemy te muszą przecież działać nieprzerwanie, 24 godz. na dobę przez 7 dni w tygodniu.
Postępy w technologii sterowania, szczególnie w konstrukcji i możliwościach terminali elektrycznych z modułami we/wy (I/O) oraz wyspach zaworowych z pneumatycznymi zaworami pilotowymi, umożliwiają dostęp do zintegrowanych informacji diagnostycznych – lokalnie lub za pomocą komputerowego systemu sterowania procesami technologicznymi (SCADA), zintegrowanego serwera WWW lub zdalnie poprzez łącza sieciowe typu Ethernet.
statusu i diagnostyki urządzeń. Źródło: Festo
Zobowiązania producentów sprzętu filtracyjnego
Producenci kategorii OEM zwykle konkurują ze sobą w dostarczaniu optymalnego pakietu usług i wsparcia technicznego dla swoich mobilnych agregatów filtracyjnych. Takie podejście obowiązuje szczególnie w odniesieniu do agregatów do filtracji membranowej, bowiem serwis na miejscu u klienta jest drogi ze względu na koszty i czas podróży techników do odległych lokalizacji. Ponadto niektórzy producenci OEM odmawiają wysyłania ofert i udziału w przetargach publicznych ze względu na wyzwania związane z dostarczeniem prawidłowego pakietu usług.
Jednakże obecnie klienci wybierają takich producentów OEM mobilnych agregatów filtracyjnych, wykorzystujących filtrację membranową, ultrafiltrację, odwróconą osmozę lub dozowanie chemikaliów, którzy oferują atrakcyjne warunki gwarancji i serwisu. Umowy o świadczenie usług serwisowych i realizację warunków gwarancji są zawierane na kilka sposobów i przybierają różną formę. Producenci oferują: infolinię z ciągłym wsparciem technicznym (24/7), pomoc i nadzór przy uruchamianiu sprzętu, regularne zaplanowane wizyty pracowników serwisu w celu czyszczenia i napraw sprzętu oraz zaplanowaną konserwację zapobiegawczą. Wybrana strategia zależy od wydajności, lokalizacji, personelu, budżetu i dyspozycyjności zakładu, jednak zwykle pierwszym kryterium są możliwości zdalnej diagnostyki, co oczywiście jest kluczowym elementem utrzymywania ciągłości produkcji przy zredukowanych przestojach oraz płynnej i optymalnej pracy zakładu.
Wymagania klientów nabywających sprzęt do filtracji wody
Klienci mają duże wymagania dotyczące systemów technologicznych. Z tego względu kluczowe z punktu widzenia dostawcy jest zaoferowanie wydajnego, szybkiego i szczegółowego systemu zdalnej diagnostyki. Systemy te muszą obejmować jak najwięcej komponentów agregatu mobilnego, tak aby umożliwić identyfikowanie, testowanie i obserwację: wszystkich możliwych sygnałów ostrzegawczych i alarmowych, sekwencji działania oraz parametrów takich procesów, jak płukanie zwrotne, testy integralności lub funkcje czyszczenia na miejscu (clean-in-place – CIP),
Realizacja programu szczegółowej diagnostyki zdalnej może pomóc zidentyfikować i rozwiązać problemy nawet w ok. 80% przypadków. Jest szczególnie ważne, aby pamiętać, że większość agregatów mobilnych znajduje się w odległych lokalizacjach, gdzie dostępność personelu nadzorującego pracę tych urządzeń jest ograniczona. Posiadanie optymalnego systemu zdalnej diagnostyki, który jest w stanie rozwiązać większość problemów bez konieczności wysyłania na miejsce technika specjalisty, jest sprawą nadrzędną pod względem czasu i kosztów.
Producenci typu OEM muszą projektować takie zautomatyzowane mobilne agregaty filtracyjne, które wymagają minimum uwagi operatora oraz mają komponenty i systemy odpowiedzialne zarówno za zdalny monitoring, jak i zdalny serwis. Ponadto systemy te muszą charakteryzować się doskonałymi wartościami wskaźnika MTBF (Mean-Time-Between-Failure – średni czas pomiędzy awariami), ponieważ nieprzerwane działanie agregatu stanowi nadzwyczajne obciążenie dla jego komponentów.
W artykule zostaną opisane strategie wydłużania czasu bezawaryjnej pracy agregatów filtrujących za pomocą najnowocześniejszych systemów sterowania.
Dostęp do informacji z diagnostyki układów i instalacji elektrycznych
Doświadczeni inżynierowie automatycy są biegli w dostarczaniu zdecentralizowanych platform automatyki, które umożliwiają realizację dużej liczby różnych funkcji przez nowoczesne systemy sterowania procesami technologicznymi. Inżynierowie ci wiedzą, jak za pomocą tych systemów można szybko i ekonomicznie podłączać i uruchamiać bardzo wiele urządzeń obiektowych. Poza funkcjami pneumatycznych wysp zaworowych systemy te często wspierają integrację takich funkcji i urządzeń, jak:
→ regulacja ciśnienia proporcjonalnego,
→ pomiar ciśnienia proporcjonalnego,
→ analogowe i cyfrowe moduły we/wy (I/O), w tym czujniki temperatury,
→ bezpieczeństwo funkcjonalne z możliwością odizolowania obwodów pneumatycznych i elektrycznych.
Dla kilkuset różnych urządzeń cechą wspólną jest możliwość podłączenia do jednego odległego terminalu (fot. 1).
Systemy te były i są stosowane w różnorodnych aplikacjach. Korzyści z zastosowania tej technologii pod względem oszczędności materiałów i robocizny podczas instalacji są już dobrze udokumentowane. Ponieważ zaawansowanie funkcji realizowanych przez systemy sterowania nadal wzrasta, rośnie także złożoność instalacji, procedur rozruchu, usuwania usterek i dokonywania napraw tych systemów. Prace te mogą być kosztowne i czasochłonne. Wykorzystanie możliwości wbudowanych w te systemy funkcji i narzędzi diagnostycznych radykalnie zmniejsza liczbę prac związanych z usuwaniem usterek i naprawami, jednocześnie zwiększając czas bezawaryjnej pracy i produktywność urządzeń.
Nowoczesne platformy automatyki udostępniają użytkownikom wiele różnych danych dotyczących statusu urządzeń, procesów i ich diagnostyki (rys.). W wielu przypadkach użytkownik nie jest nawet świadomy, że platforma automatyki usunęła już „samodzielnie” usterkę, zaś dokuczliwe błędy mogą być zredukowane przez odpowiednie ustawienie parametrów dla normalnego działania. Na przykład ustawienie parametru rozciągnięcia sygnału w czasie dla wejścia cyfrowego może zapobiec problemom związanym z opóźnieniami w sieci spowodowanymi brakującym kluczowym zdarzeniem wejściowym, którego czas trwania może być krótszy od czasu skanowania sieci (tabela 1).
To bogactwo danych diagnostycznych jest pomocne użytkownikom tylko wtedy, gdy mają do nich dostęp, widzą je i potrafią działać na ich podstawie. Zależnie od używanego protokołu (EtherNet/IP, DeviceNet itd.) dane diagnostyczne mogą być przedstawiane użytkownikom posiadającym różne poziomy umiejętności na niezliczoną wręcz ilość sposobów (tabela 2).
Uwzględniając dużą liczbę typów danych i metod ich dostarczania, producenci typu OEM mogą dostosować swoje agregaty mobilne do takiego typu danych, który jest najodpowiedniejszy dla danej aplikacji i środowiska klienta. W przypadku prostych maszyn, które stanowią małe zagrożenie dla zdolności operacyjnej, korzyści może przynieść prosty monitoring dwustanowych wskaźników działania, uzupełniany przez okazjonalny przegląd pamięci diagnostycznej w czasie wykonywania konserwacji zapobiegawczej. W przypadku bardziej skomplikowanych maszyn, które wykonują kluczowe zadania, korzyści często przynosi wielopostaciowe podejście do diagnostyki. Na przykład:
→ personel stacji uzdatniania wody i oczyszczalni ścieków może być informowany o problemach za pomocą komunikatów z interfejsów operatorskich (Human-Machine Interface – HMI), wyzwalanych przez bity stanu generowane z poziomu platformy automatyki;
→ specjaliści utrzymania ruchu mogą pobrać z serwera WWW dane dla konkretnego urządzenia stwarzającego problemy i znaleźć szczegółowy opis błędów, podany w postaci zwykłego tekstu;
→ głębsza integracja z programem użytkownika może alarmować pracownika działu utrzymania ruchu lub inżyniera automatyka o wystąpieniu problemu za pomocą informacji wyświetlanych na ekranach interfejsów HMI lub wysyłania komunikatów zdalnych do pracowników wyższego szczebla w zakładzie. Ponadto flagi liczników cykli w platformie automatyki mogą inicjować konserwację zapobiegawczą, aby uniknąć przestojów spowodowanych zużyciem się kluczowych komponentów.
Wykorzystanie przepływomierzy jako narzędzi diagnostycznych
Sprężone powietrze zasila zawory sterujące procesami technologicznymi w sprzęcie do uzdatniania wody. Może być ono także wykorzystane do czyszczenia membrany filtracyjnej. Sprężone powietrze jest zasobem mierzalnym, który generuje koszty związane z każdym zużywającym je urządzeniem, umożliwiając jednocześnie wskazanie kondycji komponentów układów automatyki. Jeśli w agregacie filtracyjnym występują nieszczelności w dowolnym miejscu systemu pneumatycznego, może to spowodować zmniejszenie wydajności działania, zwiększone zużycie sprężonego powietrza oraz w dłuższym okresie większe koszty zużytej energii. Ponadto system zasilania w sprężone powietrze może wskazać ulegający awarii komponent układu automatyki.
Sposobem redukcji przestojów, który może być wykorzystany przez operatorów i producentów OEM, jest monitorowanie zużycia sprężonego powietrza przez system automatyki. Monitoring ten jest jednym z najważniejszych narzędzi diagnostycznych dla konstruktorów i użytkowników końcowych agregatów filtracyjnych.
Ważne jest, aby ustanowić wartość odniesienia dla objętości lub natężenia przepływu zużywanego powietrza, gdy sprzęt filtracyjny przechodzi przez testy fabryczne przed wysyłką do klienta. Zainstalowanie przepływomierza na głównym przyłączu sprężonego powietrza umożliwi dostarczanie informacji na temat objętości albo natężenia przepływu zużywanego powietrza (fot. 2). Na podstawie tych informacji można porównać zużycie sprężonego powietrza dla różnych cykli lub przedziałów czasowych w trakcie eksploatacji sprzętu. Dostęp do informacji może nastąpić za pomocą interfejsów HMI lub zdalnie za pomocą sieci typu Ethernet. Ponadto mogą one wyzwalać alarmy.
Zwiększenie zużycia sprężonego powietrza może wskazywać na problemy, np:
→ uszkodzoną uszczelkę tłoka lub łopatki siłownika pneumatycznego,
→ nieszczelność w pneumatycznym zaworze pilotowym lub jego bloku,
→ uszkodzone złącze pneumatyczne,
→ pękniętą rurę,
→ zgięty wąż lub rurę,
→ zapchaną membranę.
Wczesne wykrycie problemu pozwala na proste rozwiązanie – wezwanie serwisu lub przeprowadzenie konserwacji. Jeśli uszkodzony komponent jest pozostawiony w takim stanie, to z czasem sprzęt ulegnie awarii i będzie to wymagało poważniejszej naprawy, a przestój będzie dłuższy.
Proaktywny serwis a całkowity koszt posiadania (TCO)
Proaktywny serwis sprzętu według harmonogramu jest podejściem bardziej ekonomicznym i wydajnym dla użytkownika oraz producenta OEM sprzętu filtracyjnego. Przestój sprzętu, konieczność wykonania nagłej naprawy w terenie oraz wezwania serwisu gwarancyjnego nie są dla nikogo pożądanym scenariuszem.
Dzięki wykorzystaniu danych diagnostycznych z terminali elektrycznych lub przepływomierzy można proaktywnie dostarczać producentowi sprzętu następujące informacje:
→ liczbę cykli roboczych zaworu pneumatycznego,
→ liczbę cykli roboczych we/wy (I/O),
→ tendencje do ciągłego spadku ciśnienia w systemie,
→ wartości zużycia sprężonego powietrza.
Dane te mogą być udostępniane ze sterownika za pomocą połączenia sieciowego typu Ethernet lub wyświetlane na lokalnym interfejsie HMI. Na podstawie tych informacji można wezwać proaktywny serwis lub szybko wysłać operatorowi części zamienne.
Planować z wyprzedzeniem
Producent sprzętu filtracyjnego może uzyskać znaczne korzyści, które pomogą mu w pozostaniu konkurencyjnym, jeśli od początku stosuje i wykorzystuje w układach sterowania swoich wyrobów następujące techniki:
→ zaawansowaną diagnostykę układów automatyki w celu zredukowania przestojów i szybkiego rozwiązywania problemów,
→ zdalny monitoring dla celów konserwacji zapobiegawczej,
→ monitoring efektywności energetycznej w celu zmniejszenia kosztów jej zużycia.
Podsumowanie
Wiele z funkcji diagnostycznych opisanych w artykule zawartych jest w produkowanych obecnie przez czołowe firmy terminalach elektrycznych i przyłączach pneumatycznych. Największym wyzwaniem jest zintegrowanie tych funkcji z koncepcją układu sterowania na wczesnym etapie projektowania urządzeń w celu maksymalizacji możliwości ich użytkowania.
Bliska komunikacja pomiędzy producentem typu OEM a inżynierami pracującymi w stacjach uzdatniania wody czy oczyszczalniach ścieków może się okazać niezwykle istotna przy wyznaczaniu zarówno środowiska operacyjnego, jak i typów zdalnego monitoringu oraz zdalnych usług, które pomogą w wydłużeniu czasu bezawaryjnej pracy sprzętu i obniżeniu liczby wezwań serwisu.
Craig Correla jest szefem działu automatyki procesów technologicznych w firmie Festo. Nate Ventress pracuje w firmie Festo jako szef działu produktów z branży uzdatniania wody oraz specjalista ds. automatyki procesów technologicznych i segmentu przemysłowego. Luis Escobar-Ferrand pracuje w firmie Festo na stanowisku dyrektora działu produktów związanych z uzdatnianiem wody. Sean O’Grady jest menedżerem produktów z branży sieci i sterowania w firmie Festo.
