Czy jakość i efektywność twojego procesu technologicznego oraz jego techniczne oprzyrządowanie są w zupełności wystarczające? Co jest lepsze w automatyce: większa liczba przyrządów, czy ich możliwości techniczne? Wysyp nowych technik zachęca do wyposażania aplikacji w zaawansowany sprzęt do automatyzacji. Udzielenie odpowiedzi na pytanie: kiedy i jak tego dokonać, w coraz mniejszym stopniu jest sprawą wiedzy, a coraz bardziej sztuki…
Na jednym ze spotkań przedstawicieli przemysłu zapytałem inżynierów, czy są przekonani, że ich zakłady są wystarczająco wyposażone w sprzęt automatyzacji. Odpowiedzi, jak zwykle, były zróżnicowane. Przeważały jednak opinie, że przydałyby się nieco większe możliwości zbierania i przetwarzania danych.
Zwłaszcza dwie odpowiedzi były interesujące. Jeden z rozmówców przytoczył opinię znanego specjalisty z rafinerii, który oceniał oprzyrządowanie w zakładzie. Wiele z przyrządów ocenił wyjątkowo krytycznie. Z kolei drugi uczestnik rozmowy stwierdził, że stosuje zasadę: „nie wymieniaj tego, co wciąż działa”.
Istnieje coś takiego, jak nadmiar informacji. W takiej sytuacji istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że wiele danych marnuje się albo rozprasza operatora. Z drugiej strony niedostatek informacji zmniejsza skuteczność funkcjonowania, a nawet może doprowadzić do powstania zagrożenia. Nowa technika pozwala na pozyskiwanie danych z szerszego niż dotąd zakresu.
Jednak decyzje podejmowane na ich podstawie to nadal bardziej sztuka niż wiedza. Szczególnie przy wysoce skomplikowanych procesach.
– Wszystko wynika z projektu automatyzacji – mówi Praveen Muniyappa, dostawca rozwiązań biznesowych dla przemysłu chemicznego i biopaliw Siemens Energy & Automation. – Przez pewien czas obowiązywał trend w kierunku zwiększania liczby przyrządów pomiarowych, lecz najczęściej użytkownicy nie byli w stanie wykorzystać wszystkich uzyskanych informacji. Z drugiej strony bardzo często zakłady są zbyt skromnie wyposażone, wtedy powstaje pytanie: czy dla przebiegu procesu poziom bezpieczeństwa jest wystarczający. Użytkownicy na ogół chcieliby wzbogacić wyposażenie linii technologicznych w dodatkowe przyrządy, ale muszą liczyć się z istniejącymi ograniczeniami.
Kiedy inżynierowie zamierzają usprawnić urządzenie produkcyjne bądź rozważają unowocześnienie podstawowego wyposażenia, powstaje problem ze znalezieniem równowagi między szerszym wyposażeniem w przyrządy (z towarzyszącymi temu wydatkami) a oszczędnościowym podejściem w celu zminimalizowania całości kosztów związanych z rozważanymi zmianami.
– Przy projektowaniu linii lub węzła produkcyjnego, już na etapie konstrukcji, zakupów i instalowania, przewiduje się pewną konieczną liczbę pomiarów w przebiegu procesu wytwarzania, aby móc osiągnąć zamierzony rezultat końcowy – mówi Brian Dickson, specjalista do spraw urządzeń obiektowych w Invensys Process Systems. –
Podczas weryfikacji obiektu można zauważyć, że po liniach, ciągach czy gniazdach produkcyjnych jest rozsiana zbyt duża liczba przyrządów i można dowieść, że nie zapewniają one wartościowych informacji, które uzasadniałyby istnienie wielu tych urządzeń na obiekcie.
Brian Dickson zwraca uwagę, że choć w ciągu ostatnich 15 lat koszty pojedynczych przyrządów znacząco zmalały, to nadal są dość wysokie. W jego opinii należałoby zatem maksymalnie redukować liczbę urządzeń przewidzianych w projekcie.
– Bardzo często znajdujemy też przypadki, w których powinien być zastosowany zupełnie inny przyrząd, zdecydowanie bardziej korzystny ze względu na wagę informacji – dodaje przedstawiciel Invensys Process Systems.
Wciąż istotne jest rozważenie całości kosztów i korzyści, jakie mogą być osiągnięte w przypadku rozbudowywania systemów automatyzacji przez dodanie nowych przyrządów pomiarowo-kontrolnych. Obniżeniu kosztów instalacji układów automatyki, a przynajmniej kosztu połączeń kablowych, służą magistrale obiektowe i inne rozwiązania sieci informatycznej oraz technika komunikacji bezprzewodowej.
Koszty i korzyści modernizacji
Istnieje wiele okoliczności, które skłaniają przedsiębiorstwo do instalowania nowych przyrządów usprawniających proces wytwórczy lub funkcjonowanie poszczególnych urządzeń. Ogólny scenariusz działań w tym kierunku mógłby na przykład zawierać:
- poprawienie układu regulacji przez wprowadzenie zaawansowanych metod regulacyjnych lub wykorzystanie systemów optymalizacji parametrów procesu,
- wprowadzenie nowych wymagań dotyczących bezpieczeństwa procesu, które jednak muszą się łączyć z wyższym poziomem przetwarzania lub presją na dodatkowe punkty monitorowania przebiegu procesu,
- dodanie funkcji monitorowania stanu technicznego urządzeń produkcyjnych w celu ich wymiany oraz ułatwienia prac służbom utrzymania ruchu.
Każdy taki projekt powinien zawierać zdefiniowane cele ekonomiczne lub wyraźny kierunek na zmniejszenie kosztów. W sytuacji, w której operator domaga się, aby uzupełnić układ o pojedyncze przyrządy lub ich niewielką liczbę, możemy mieć poważną trudność w oszacowaniu spodziewanych korzyści.
Kiedy rozważamy wzbogacenie zakładu w dodatkowe urządzenia, istotne jest skupienie uwagi na oszacowaniu całości rzeczywistych kosztów. Niestety, jakże często uwaga jest skierowana na pomniejszanie znaczenia pełnego zakresu związanych z tym wydatków. Elementami rzeczywistych kosztów są na przykład:
- prace inżynierskie przy planowaniu przedsięwzięcia oraz opracowanie dokumentacji,
- cena zakupu urządzeń,
- instalowanie urządzeń na obiekcie i realizacja połączeń,
- integrowanie nowych danych w systemie rozproszonego układu automatyzacji,
- permanentna obsługa produkcji oraz utrzymanie urządzeń w ciągłym ruchu.
Wielkość i udział poszczególnych elementów składowych w kosztach zależy od stopnia skomplikowania istniejącej instalacji przemysłowej. Na przykład wymiana złączy przewodów rurkowych i wkręcenie ich w manometr znacząco różni się od cięcia rurociągu celem wstawienia przepływomierza razem z długim, pomiarowym odcinkiem prostej rury, a potem włączenia sygnałów z tego przepływomierza w system automatyzacji (z możliwością wizualizacji na interfejsach użytkownika włącznie).
Identyfikacja korzyści
Specjalista automatyki, konsultant z wielkiego zakładu petrochemicznego wyznał w rozmowie ze mną, że nie jest przekonany, czy uzupełnienie układu o czujniki stanu technicznego urządzeń opłaca się. Odkąd najbardziej istotne węzły instalacji produkcyjnej są z reguły dublowane, z uruchomieniem pompy zapasowej można poczekać do chwili, aż główna się zatrzyma. Zaobserwował on, że gdy pompa zatrzyma się, automatyczny przełącznik włączy pompę rezerwową. Umożliwi to pracę przy usunięciu przyczyny zatrzymania, na przykład naprawienie silnika pompy.
Według mojego rozmówcy, jeśli linia technologiczna funkcjonuje poprawnie, dodatkowe monitorowanie niczego nie chroni. Nie jest bowiem w stanie przedłużyć trwałości silnika ani też zmniejszyć kosztów naprawy.
Bywa jednak tak, że nie mamy żadnego wyboru i do istniejącego układu musimy dodać nowe przyrządy. Dzięki poprawie strategii automatyzacji lub wprowadzeniu nowych pomiarów otrzymamy więcej informacji, które umożliwią nam podejmowanie trafniejszych decyzji. Przykładowo, Brian Dickson z Invensysa mówi, że kiedy rozszerzył zakres analiz w procesie rafineryjnym, musiał dodać jeden pomiar temperatury.
– Zrobiliśmy to pośrednio za pomocą czujnika przewodności, ponieważ przewodność przetwarzanego medium jest ściśle zależna od temperatury – mówi Dickson. – Tak zrealizowany pomiar dał nam podwójną korzyść. Z jednej strony włączyliśmy ten pośredni pomiar temperatury do naszych analiz, co usprawniło prowadzenie procesu rafineryjnego. Z drugiej strony okazało się, że sam pomiar przewodności stał się źródłem bardzo istotnej informacji o stanie wymiennika ciepła. Jeśli bowiem w wymienniku pękała rurka, natychmiast zmieniała się przewodność medium, a zatem otrzymywaliśmy sygnał alarmowy o awarii. Jako rezultat jednego pomiaru otrzymaliśmy dwie istotne informacje. Z tej drugiej skorzystała służba utrzymania ruchu. Przedtem każda awaria rurki w wymienniku ciepła powodowała stratę kilkuset tysięcy USD.
Według Tima Wortleya, kierownika produkcji w GE Sensing, są gałęzie przemysłu, w których bardzo trudno zmienić przebieg procesu. Najczęściej konieczność uzyskania dodatkowych danych wynika z wymagań narzucanych przepisami.
– Musisz wykonywać pomiary pewnego parametru, chociaż takie działanie nie wynika z chęci uzyskania potrzebnej wartości bądź oszczędności – mówi Wortley. – I chociaż każdy sam z siebie zmierza do wyższej efektywności procesu produkcyjnego, to jednak najwięcej nowych czynności jest wynikiem zmian w obowiązujących przepisach.
Ilość, czy jakość?
Większość przyrządów wyprodukowanych w ostatniej dekadzie wyposażono w możliwość komunikacji HART. Służy to usprawnieniu funkcji diagnostycznych i często pomaga mierzyć więcej niż jeden parametr. Na przykład przy pomiarze ciśnienia często zachodzi konieczność kompensowania wpływu temperatury otoczenia na wynik pomiaru.
Zatem wiele typów przyrządów wyposażono także w możliwość pomiaru temperatury, a nie tylko ciśnienia. Tego rodzaju dane, potrzebne do kompensacji ubocznych wpływów, są też łatwo dostępne w sieci HART.
W opinii Garry Cusicka z Invensys Process Systems, specjalisty w dziedzinie magistrali obiektowych, wszystko, czego pragniemy, to uzyskanie większej ilości informacji przy użyciu już zainstalowanych przyrządów.
– Właśnie to życzenie sprawia, że obserwujemy poważny wzrost zastosowań takich rozwiązań, jak FOUNDATION Fieldbus czy Profibus PA oraz bezprzewodowej komunikacji HART – mówi Cusick. – To one sprawiają, że wzrasta jakość urządzeń na obiekcie. Wieloparametrowe czujniki zapewniają otrzymanie większej ilości danych przy zastosowaniu jednego urządzenia. Nie potrzebujemy więc aż tak wiele sprzętu, w czym pomaga technika cyfrowa.
Jednym z najważniejszych celów w zastosowaniu techniki cyfrowej w komunikacji magistralnej jest bardziej efektywne wykorzystanie „inteligencji” umieszczonej w poszczególnych przyrządach. Tak więc stara strategia przedłużania żywotności wyposażenia obiektu znacząco różni się od dzisiejszych. Nie trzeba już na bieżąco sprawdzać, co się dzieje. Teraz możemy czekać na sygnał od urządzenia: „potrzebuję twojej pomocy, obsłuż mnie”.
W ten sposób wydłuża się czas między czynnościami obsługi, oszczędza na częściach zamiennych i pracach laboratoryjnych, jak również unika awarii i wymuszonych nimi przestojów.
Do wykorzystania tych informacji nie potrzebujemy protokołów komunikacyjnych wyższego rzędu.
– Większość sygnałów komunikacji w układach automatyki to sygnały prądowe 4–20 mA – mówi przedstawiciel Siemensa. – Jednak wśród użytkowników widzimy trend do stosowania, w elementach We/Wy, standardu HART z jego obecną wydajnością. Stosują oni też tradycyjne przyrządy, lecz do transmisji sygnałów używają techniki komunikacyjnej HART, której poprzednio nie było. Do tego celu używają multiplekserów lub innych interfejsów, przekształcających analogowe sygnały prądowe na sygnały sieci HART. Weźmy przykład zbiornika, w którym znajdują się dwie niemieszające się ciecze: lżejsza w górnej warstwie, cięższa w dolnej. Za pomocą czujnika poziomu można mierzyć zarówno poziom lustra cieczy lekkiej, jak też poziom lustra tworzącego się w miejscu stykania obu cieczy. Zwykły przetwornik byłby w stanie generować tylko jeden sygnał wyjściowy z takiego czujnika.
Wspomaganie techniką HART pozwala na wychwycenie obu sygnałów dostarczanych przez czujnik i wykorzystanie ich w sieci transmisyjnej.
Kiedy już dane dotyczące obu poziomów, są ulokowane w sieci komunikacyjnej, można każdą z nich wykorzystać w dowolnym miejscu. Wracając do poprzedniego przykładu: temperatura medium, w którym za pomocą przetwornika mierzone było ciśnienie, może być również ujawniona w postaci oddzielnego sygnału. Zależeć to będzie tylko od sposobu skonfigurowania samego przetwornika. W poprzednim przykładzie wspomniano, że sygnał temperatury został użyty do korekty wartości ciśnienia, zaś sygnał wyjściowy przetwornika dotyczył tylko wartości samego ciśnienia. Teraz producenci oferują różne opcje sprzętu. Jeśli wrócimy do przykładu czujnika ciśnienia, nie zawsze będzie on w stanie pomierzyć temperaturę otoczenia. Niemniej, jeśli potrafi to robić, wtedy najważniejszą rzeczą staje się rozpoznanie tego, jaką postać mają nowe dane i jak często są aktualizowane.
Kiedy wyjaśnimy te wątpliwości, korzystanie z nowych danych będzie proste.
– Uzyskanie pomiaru drugiego parametru z przyrządu pracującego w technice HART jest sednem sprawy – podkreśla John Yingst, przedstawiciel Honeywell Process Solutions. – Można tego dokonać, ale tylko wtedy, gdy zrozumie się, jaką postać ma ten sygnał oraz skąd pochodzi. Jak wiadomo, pewne symptomy wyczuwania temperatury przez przetwornik ciśnienia mogą dotyczyć samego medium, mogą reprezentować temperaturę otoczenia przetwornika albo jeszcze jakąś pośrednią wartość. Czy w przypadku napędu zaworu wiemy dokładnie, co jest miarą aktualnego położenia zaworu? Nie wszystkie napędy są podobne, zatem należy to sprawdzić.
Jednak w przypadku We/Wy w technice HART, która jest stosowana w rozproszonych systemach automatyki, większość sygnałów przechodzi przez multipleksery. Nie mamy zatem gwarancji co do szerokości pasma częstotliwości w transmisji danych, które dotyczą dodatkowego pomiaru. Zwłaszcza jeśli do urządzenia podłączony jest kalibrator.
Dlatego należy bardzo starannie przetestować pasmo przenoszenia sygnałów przed wykorzystaniem uzyskanej informacji z dodatkowego pomiaru do celów automatycznej regulacji ważnego parametru procesu.
Jawność oraz identyfikacja użytkowników komunikacji w układach automatyki to sygnały prądowe 4-20 mA
Instalowanie na obiekcie nowych przyrządów wiąże się z koniecznością mechanicznej ingerencji w istniejący system urządzeń i naruszeniem jego komunikacyjnej struktury. W odniesieniu do sieci transmisji danych istnienie komunikacji bezprzewodowej bądź układu z magistralą znacznie upraszcza zwiększanie ilości informacji skierowanych do tej sieci. Z kolei dostawcy sprzętu pomiarowo-kontrolnego zmierzają w kierunku możliwie największego uproszczenia i zmniejszenia kosztów operacji związanych z wbudowaniem nowego sprzętu w już pracujący system.
– Wielu dostawców sprzętu automatyki czyni wysiłki, aby dane w formacie HART mogły być łatwo wizualizowane i dostępne dla użytkownika na jego sieciowym interfejsie – przyznaje Muniyappa z firmy Siemens. – Dostawcy posiadają wcześniej przygotowane szablony postępowania. Teraz użytkownik nie musi pamiętać, które dane typu HART dotyczą określonego parametru. Na ekranie swojego interfejsu mają bowiem wyświetlane etykietki, które informują o: numerze obwodu, typie przyrządu, jego oznaczeniu, zakresach pomiarowych czy dacie uaktywnienia w sieci HART. Nie trzeba zatem z trudem przeszukiwać posiadanych zasobów, aby uzyskać potrzebne informacje.
Nadal jednak fizyczne umieszczenie nowego urządzenia, wraz z towarzyszącym mu osprzętem, jest kosztowne.
– Jeżeli chcesz znać wartość takiego parametru, jak poziom lub ciśnienie w oddalonych zbiornikach magazynowych, koszt połączeń kablowych może sięgnąć kilku tysięcy złotych, zaś koszt prac laboratoryjnych drugie tyle – mówi przedstawiciel Siemensa. – Zatem fakt, że sam przetwornik pomiarowy kosztuje 2000 złotych, oznacza, że całość kosztów włączenia jednego pomiaru do systemu, po dodaniu robót inżynierskich, projektowania i dokumentacji, może być pięć do sześciu razy wyższy.
Rozmówca Control Engineering podaje przykład specjalnego rozwiązania, gdzie zaleca się zastosowanie radarowego czujnika poziomu.
– Znajdujemy odpowiedni egzemplarz, lecz ma on zespół nadawczo-odbiorczy o średnicy 50 mm, natomiast dostępny nam wziernik lub króciec w zbiorniku ma otwór 40 mm – kontynuuje Muniyappa. – Musimy dalej poszukiwać rozwiązania, aby dostosować się do istniejących warunków oraz zapewnić potrzebną nam zdolność przetwarzania danych. Dla dostawcy przyrządu wydaje się, że zmiana średnicy wziernika na większą jest łatwa, lecz dla użytkownika może to być koszt wielu tysięcy złotych. Może to wynikać z konieczności wyłączenia zbiornika z ciągu produkcyjnego, opróżnienia go i wspawania nowego elementu mocującego czujnik, a być może nawet wstrzymania na ten czas produkcji. A to już jest o wiele poważniejsza sprawa.
W wielu przypadkach spotykamy zakłady działające ze starszymi układami automatyki. Wówczas dodawanie nowego sprzętu może być zdecydowanie trudniejsze. Jednak według Scotta Saundersa, wiceprezesa Moore Industries, wcale tak być nie musi. – Jeżeli logika funkcjonowania nowych elementów automatyki jest rozwinięciem stosowanej w dotychczasowym układzie, dodanie nowych urządzeń We/Wy może zostać zaakceptowane z automatu – mówi Saunders. –
Wtedy nie spowoduje to obniżenia efektywności działania poprzedniego układu, natomiast umożliwi dostęp do szerszego zakresu danych i wykorzystania ich przy niskich kosztach.
Ostatecznie potrzeba dodawania nowych urządzeń lub raczej chęć uzyskania większej ilości danych zależy od specyfiki samego procesu. Stabilne urządzenie produkcyjne działa pewnie przy minimalnej ilości informacji.
Jednak gdy zaczyna szwankować lub zawodzić, większa ilość informacji może pomóc w wykryciu i szybkim usunięciu niesprawności. Mamy wówczas do czynienia z sytuacją, w której operator domaga się większej ilości danych, gdyż chce lepiej poznać i zrozumieć obsługiwany przez siebie proces wytwórczy. W efekcie operator będzie mógł poprowadzić proces lepiej niż dotychczas.
Peter Welander
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula
Autor: Peter Welander
