W większości zakładów produkcyjnych przy produkcji oraz przechowywaniu gotowych produktów, półproduktów i materiałów istotne jest zachowanie odpowiednich zakresów parametrów temperatury i wilgotności, a także natychmiastowe informowanie, gdy są one przekraczane. Rozwój nowych technologii pozwolił nie tylko zminiaturyzować i poprawić dokładność i niezawodność czujników, ale także np. usprawnić odczyt wyników dzięki wykorzystaniu łączności radiowej.
Rozwój rynku czujników i sterowników stymulowany jest przede wszystkim zastosowaniem ich w systemach HVAC (klimatyzacji, ogrzewania i wentylacji). Wiele z tych rozwiązań, poza specjalistycznymi potrzebami, może być wykorzystanych również bezpośrednio w przemyśle.
Rynek
Jak duży jest to rynek na świecie? Według raportu opublikowanego w tym roku przez Transparency Market Research (TMR) jego wartość oszacowano w 2015 r. na 5,18 mld dolarów. W 2024 r., według analityków, ma on osiągnąć wartość nawet 9,34 mld dolarów przy rocznej stopie wzrostu na poziomie 6,9%.
W zależności od rodzaju mierzonych i identyfikowanych parametrów rynek globalny dzieli się na rynek czujników: temperatury, wilgotności, ciśnienia, gazów i lotnych związków organicznych oraz ruchu. W minionym roku to czujniki temperatury zdominowały rynek czujników i sterowników do systemów HVAC. Analitycy TMR zakładają, że wzrośnie zapotrzebowanie na czujniki temperatury o krótszym czasie reakcji, wyższej precyzji pomiaru i łatwości instalacji. To funkcje, na które głównie będą zwracali uwagę odbiorcy. Przewiduje się też wzrost zapotrzebowania na czujniki w segmencie aplikacji związanych z transportem i logistyką.
Obecnie w specjalistycznych aplikacjach wykorzystywanych w procesach produkcyjnych np. do oceny temperatury coraz częściej stosuje się systemy wizyjne – kamery termowizyjne. W połączeniu ze specjalistycznym oprogramowaniem pozwala to lepiej automatyzować proces produkcyjny, np. eliminować przechodzenie elementów o niewłaściwej temperaturze do dalszych etapów produkcji lub magazynowania. Tu czujniki temperatury nie zawsze dobrze się sprawdzają.
Jeśli wyłączyć z rozważań specjalistyczne zastosowania, to przez klientów z branży przemysłowej poszukiwane są głównie czujniki, mierniki temperatury i wilgotności, które są proste w obsłudze, wygodne i możliwe do nabycia za rozsądną cenę. Na pewno szczególnie istotne jest ich zastosowanie w branży spożywczej i farmaceutycznej. Jak mówi Piotr Lisowski, właściciel firmy Achem, obecnie stosowane rozwiązania pozwalają na ciągłą, automatyczną rejestrację temperatury i wilgotności, z wykorzystaniem bezprzewodowych metod transmisji danych. Przy czym niezmiernie pomocna i potrzebna jest funkcja powiadomień alarmowych generowanych przez rejestratory temperatury. Dzięki alarmom użytkownicy zwiększają bezpieczeństwo oraz jakość przechowywanych produktów, a co za tym idzie, zmniejszają ryzyko strat finansowych związanych z koniecznością utylizacji towarów. Zdaniem Piotra Lisowskiego sprawdzone i stabilne urządzenia pomiarowe to np. produkty takich firm, jak T&D Corporation (TANDD) czy JRI.
JRI to francuska firma założona w 1845 r. i producent mierników wielkości fizycznych, m.in. serii urządzeń pomiarowo-rejestrujących z radiową transmisją danych SKY RF. Jak radzi Piotr Lisowski, warto przed wyborem systemu określić niezbędną liczbę punktów pomiarowych, przeprowadzić pomiary zasięgów, porozmawiać z doświadczonym dostawcą o swoich potrzebach.
Na pewno trzeba się zgodzić z tezą, że bardzo ważne jest dziś stosowanie łączności bezprzewodowej do zbierania odczytów z czujników. Jak twierdzi Andrzej Zaręba z firmy Efento, wyposażając obiekt w system nadzoru temperatury i wilgotności, warto brać pod uwagę rozwiązanie wykorzystujące bezprzewodową transmisję danych. Zalety nowoczesnych generacji takich urządzeń to niezawodność nadzoru i gromadzenia danych, niskie koszty instalacji, proste możliwości rozbudowy, bo oprócz sensorów temperatury i wilgotności w tym samym systemie mogą działać sensory dymu, otwarcia drzwi czy natężenia światła. Cenione przez użytkowników są możliwości prezentacji danych z wielu rozproszonych obiektów na dowolnym komputerze czy urządzeniu mobilnym, przy zastosowaniu przeglądarki internetowej oraz możliwości powiadomień alarmowych (poprzez SMS, e-mail lub aplikacje zainstalowane na smartfonach).
Kolejnym ważnym udogodnieniem w systemach monitoringu wielkości fizycznych w obiektach są platformy do gromadzenia i przetwarzania danych pomiarowych, korzystające z rozwiązań gromadzenia i przetwarzania danych w tzw. chmurze (cloud computing). Takie rozwiązanie znacznie upraszcza i przyspiesza instalację systemu, a inwestor nie musi martwić się zakupem, utrzymaniem i modernizacją serwera, na którym zainstalowane jest oprogramowanie. Dostawca oprogramowania serwisuje i aktualizuje oprogramowanie, a użytkownik po prostu z niego korzysta.
Ostatnie lata przyniosły szybki rozwój technologii związanych z Internetem Rzeczy (Internet of Things – IoT) oraz Przemysłowym Internetem Rzeczy (Industrial Internet of Things – IIoT). Dzięki rozwijającym się technikom komunikacji (m.in.: Bluetooth Low Energy, LoRa, Sigfox) sensory potrafią pracować na zasilaniu z baterii nawet kilkanaście lat, a ich zasięg może wynosić kilka kilometrów.
Dobór
Przemysław Siwek z firmy B&L International radzi, by przy doborze miernika wilgotności i temperatury zwrócić uwagę na jego parametry, takie jak dokładność oraz stabilność pomiaru w czasie i możliwość jego późniejszej kalibracji. Miernik powinien być dostarczany ze świadectwem wzorcowania. Tego typu urządzenia pomiarowe z czasem tracą dokładność pomiaru. Dotyczy to zwłaszcza pomiaru wilgotności. Dlatego bardzo ważne jest, aby zwrócić uwagę na wymienione parametry pomiarowe. Wysoka dokładność pomiaru daje pewność otrzymanego wyniku pomiarowego, natomiast stabilność pomiaru w czasie decyduje o tym, jak często trzeba poddać miernik procesowi kalibracji – w praktyce przekłada się to na oszczędności finansowe.
Ważna jest również, wg Przemysława Siwka, przystępność i łatwość późniejszej kalibracji/wzorcowania takiego miernika. Wielu producentów udostępnia narzędzia do samodzielnego wykonania procesu kalibracji. W przypadku, gdy użytkownik miernika nie ma możliwości wykonania kalibracji we własnym zakresie (np. nie ma wzorca), należy się upewnić, że kalibracja miernika jest możliwa np. w serwisie producenta/dystrybutora interesujących nas urządzeń pomiarowych.
Zdaniem Andrzeja Zaręby w przypadku sensorów bezprzewodowych trzeba koniecznie zwrócić uwagę na ich zasięg. Jest on zawsze podawany w przestrzeni otwartej (Line of sight), jednak w budynkach może znacząco spadać ze względu
na ściany i znajdujące się w nich konstrukcje metalowe. Jest to problem dośc powszechnie występujący w starym budownictwie, w którym ściany mogą mieć nawet metr grubości. Istotna jest również redundancja systemu, która wiąże się z bezpieczeństwem danych. W dobrze zaprojektowanym systemie dane powinny być gromadzone przynajmniej w dwóch punktach (np. w oprogramowaniu i w pamięci wewnętrznej sensora), aby w przypadku awarii któregoś z komponentów pomiary mogły zostać uzupełnione.
Warto również zwrócić uwagę na dokładność pomiarów. Jest to szczególnie istotne w przypadku sensorów temperatury, których dokładność zmienia się w różnych zakresach. Przykładowo sensor mierzący temperaturę z dokładnością 0,3°C w zakresie od 0 do 50°C może mieć dokładność ±3°C w temperaturze 20°C. Andrzej Zaręba informuje, że zamawiając sensor, warto sprawdzić jego dokładność lub poprosić producenta o dobranie odpowiedniego sensora do zakresu temperatur, w jakich ma pracować. Natomiast Piotr Lisowski uzupełnia, że rozwiązania zawsze należy dostosować do wymagań. W hurtowni farmaceutycznej, w której urządzeń pomiarowych będzie kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt, stosuje się pełną automatyzację oraz zaawansowane oprogramowanie, natomiast przy prostszych rozwiązaniach wykorzystuje się tańsze rejestratory, np. z portem USB.
Dostępne rozwiązania
Na jakie produkty i rozwiązania warto dziś zwrócić uwagę? Jak mówi Piotr Lisowski, bezawaryjnie działające urządzenia pomiarowe to połowa sukcesu, drugim ważnym elementem w systemach pomiarowych jest oprogramowanie i jego walidacja.
Jednym z rozwiązań, oferowanym przez firmę Achem, jest oprogramowanie Sirius przeznaczone do współpracy z rejestratorami SPY. Oprogramowanie jest dostępne w języku polskim, obsługuje urządzenia stacjonarne i mobilne. Ma też funkcje raportowania wspomagające automatyzację pracy i jest zgodne z amerykańską regulacją 21 CFR Part 11 (Food and Drug Administration).
Firma B&L International radzi zwrócić uwagę na sondę wilgotności i temperatury HC2A-S, która zapewnia dokładność pomiaru: ±0,8% RH/±0,1 K, w zakre-sie od 10 do 30°C, oraz stabilność pomiaru w czasie: <1% rh/rok. Sonda może pracować samodzielnie lub w zestawie z rejestratorami, miernikami ręcznymi, przetwornikami firmy Rotronic. Z kolei firma Efento zwraca uwagę na kompleksowe rozwiązania do monitorowania temperatury i wilgotności w obiektach i w trakcie transportu. Dołożenie kolejnych punktów do monitorowania w tym samym obiekcie czy w oddalonym o setki kilometrów wymaga tylko kilku kliknięć myszką. Z rozwiązań firmy korzysta m.in. Polska Grupa Farmaceutyczna do monitorowania temperatury w ponad 400 samochodach i duże sieci przychodni medycznych, które monitorują temperaturę w lodówkach medycznych. Jak mówi Andrzej Zaręba, pod koniec roku w ofercie firmy pojawią się sensory LoRa, których zasięg w otwartej przestrzeni wynosi ok. trzech kilometrów. Mogą one zrewolucjonizować odczyt wszelkich liczników przekazujących dane do jednego urządzenia retransmisyjnego.
Na naszym rynku działa dziś wielu wyspecjalizowanych krajowych dostawców czujników i mierników różnego typu. Często mogą się one pochwalić długoletnią tradycją. Przykładem jest firma Meraserw Szczecin, której początki sięgają 1959 r. (założona przez ówczesną Centralę Techniczno-Handlową Sprzętu Komputerowego i Kontrolno-Pomiarowego MERAZET w Poznaniu). Obecnie wśród nowości firma wymienia termohigrometr model 83 – miernik temperatury i wilgotności względnej powietrza, którego wskazania są wyświetlane równocześnie na dwupolowym panelu LCD w zakresie od 0 do 100% RH dla wilgotności i od 20 do 60°C dla temperatury, z rozdzielczością 0,1. Miernik może pracować w trybie pomiaru wartości bieżących oraz w trybie pomiaru wartości maksymalnej lub minimalnej.
Na rynku są też obecni uznani producenci zagraniczni, np. założona w 1969 r. niemiecka firma ifm electronic GmbH, specjalizująca się w optymalizacji procesów w przemyśle (jeden ze światowych liderów w branży automatyki przemysłowej). Jak wiadomo, przy pomiarze temperatury wykorzystuje się w przemyśle czujniki o różnej budowie. Chodzi nie tylko o różne zakresy temperatur, ale też głębokości zanurzeń, warunki otoczenia, rodzaje mediów itp., dlatego firma oferuje wiele zróżnicowanych czujników temperatury typów Pt 100/Pt 1000. Mogą to być sondy (TT, TM), czujnik kablowy (TS), dla ciał stałych, płynnych lub gazowych, w rurach lub zbiornikach, w aplikacjach przemysłowych lub aseptycznych. W wielu aplikacjach potrzebne są czujniki z lokalnym wyświetlaczem, a generowane w urządzeniu sygnały analogowe lub przełączające są przetwarzane przez system sterowania wyższego poziomu. Jak informuje producent, urządzenia kompaktowe serii TN wyróżniają się krótkim czasem odpowiedzi, dużą odpornością na ciśnienie i różnorodnymi przyłączami procesowymi. Do kontrolowania w zakresach bardzo wysokich temperatur, tam, gdzie nie można stosować dotykowych metod pomiaru, w ofercie firmy znajdują się bezdotykowe czujniki na podczerwień (IR) serii TW.
Korzyści z zastosowania
Zdaniem Andrzeja Zaręby w przypadku sensorów bezprzewodowych, w stosunku do tradycyjnych systemów pomiarowych opartych na sensorach przewodowych i oprogramowaniu instalowanym na lokalnym serwerze, eliminowane są koszty związane z układaniem kabli, instalacją, konfiguracją i utrzymaniem oprogramowania. Ponadto oszczędności wynikają z automatyzacji pewnych procesów i czynności. Na przykład zastąpienie tradycyjnych termografów w samochodach sensorami bezprzewodowymi współpracującymi z aplikacją mobilną umożliwia rezygnację z listów przewozowych i protokołów dostaw. Dane dotyczące dostaw są przesyłane kierowcom na urządzenia przenośne, np. smartfony, a pomiary temperatury w trakcie transportu wysyłane i zapisywane są w aplikacji serwerowej. Z kolei powiadomienie SMS o przekroczonej temperaturze w lodówce medycznej pozwoli uniknąć np. zniszczenia szczepionek o wartości kilkunastu tysięcy złotych, a tam, gdzie konieczna jest dokumentacja temperatury kilka razy na dobę, zastosowanie automatycznego systemu rejestracji temperatury pozwala na uniknięcie błędów w raportach, a przede wszystkim uwalnia pracowników od ręcznego sporządzania raportów.
Podsumowanie
Coraz większe znaczenie ma obecnie nie tylko sam pomiar parametrów temperatury i wilgotności, ale sprawność zbierania danych z czujników i ich opracowania w czasie rzeczywistym. Czujniki mają coraz bardziej kompaktową budowę, lepsze parametry, są energooszczędne i relatywnie coraz tańsze. Dopiero gromadzenie danych w chmurze obliczeniowej, dołączone aplikacje (również na urządzenia przenośne) pozwalają w nowy sposób wykorzystywać informacje o temperaturze i wilgotności. Również wbudowana elektronika pozwala nie tylko wyświetlić wartość pomiaru na wyświetlaczu LED, ale np. wygenerować sygnał do przełączenia urządzeń. To z kolei umożliwia aktywne reagowanie na zmiany parametrów środowiskowych z poziomu samego czujnika, nawet dla różnych zakresów zmierzonych wartości. W ten sposób można również autonomicznie regulować m.in. wilgotność i temperaturę. W wielu procesach produkcyjnych i przy magazynowaniu gotowych produktów ma to wpływ na zachowanie ich jakości i przydatności do użycia.
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do służb utrzymania ruchu w przemyśle.
Tekst pochodzi z nr 6/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
