Zdalne monitorowanie parametrów maszyn i procesów z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej pomaga użytkownikom rozwiązywać problemy eksploatacyjne poprzez integrację nowych technologii oraz już istniejących rozwiązań w obrębie wspólnej infrastruktury, umożliwiając jednocześnie bezpieczne dostarczenie danych do tych, którzy ich potrzebują.
W ciągu ostatniej dekady gwałtownie wzrosła liczba zastosowań przemysłowych dla bezprzewodowych sieci czujników. Istnieje wiele przykładów udanych wdrożeń mających wpływ na procesy, ich niezawodność, zużycie energii, ale również zdrowie, bezpieczeństwo, ochronę samych danych oraz kontrolę stanu środowiska. Wielu użytkowników mających kontakt z tymi zagadnieniami odkryło, że monitoring bezprzewodowy to nowy sposób na poprawę możliwości i niezawodności prowadzonych działań operacyjnych.
Pomiar parametrów wcześniej niemierzalnych
Koszt sieci czujników bezprzewodowych jest znacznie mniejszy niż koszt klasycznej infrastruktury przewodowej ze względu na eliminację wydatków kabli, sprzęt i moduły We/Wy (I/O) oraz redukcję nakładów pracy związanych z projektem, instalacją oraz utrzymaniem systemu. Zredukowany koszt sprawia, że system może zostać zastosowany w obszarach, w których jego wykorzystanie było wcześniej ekonomicznie nieuzasadnione. Na przykład wdrażanie projektów z branży automatyki w magazynach zbiornikowych jest obecnie możliwe dzięki płynącym z tej technologii oszczędnościom na poziomie nawet 70%. Oszczędności te powstają dzięki redukcji infrastruktury, mniejszemu nakładowi pracy na projekt, realizację instalacji i uruchomienie systemu (fot. 1). Bezprzewodowy pomiar poziomu substancji, temperatury oraz ciśnienia może być zastosowany w celu monitorowania stanu materiałów przechowywanych w zbiornikach, co wpływa na zwiększenie możliwości operacyjnych.
Technologia bezprzewodowej komunikacji z czujnikami umożliwia pomiar procesów dotychczas niemożliwych do obsłużenia. Nowa generacja czujników w połączeniu z oprogramowaniem analizującym znajduje zastosowanie w takich obszarach, jak rozruch procesów, kontrola stanu odwadniaczy, diagnostyka stanu zaworów bezpieczeństwa oraz monitorowanie procesu korozji sprzętu. Uprzednio czynności te wymagały inspekcji manualnej za pomocą podręcznych narzędzi lub innych technik. Podczas inspekcji manualnej wykrycie źródła emisji gazów, które trafiają do pochodni spalającej gazy odpadowe, może być utrudnione. Obecnie bezprzewodowe systemy monitorujące z czujnikami akustycznymi pozwalają zidentyfikować źródło gazów i oszacować ilości materiału spalanego w pochodni (fot. 2).
Pewna firma z branży gazowej i elektrycznej zaimplementowała system czujników bezprzewodowych, by zyskać możliwość zdalnego monitorowania wartości ciśnienia gazów na wyjściu z regulatorów. Firma postawiła wymóg szybkiej instalacji, a szacowany koszt okablowania był bardzo wysoki. Dzięki zastosowaniu adapterów interfejsu WirlessHART do istniejących czujników i transmiterów ciśnienia możliwe było zastąpienie tradycyjnych rejestratorów informacją cyfrową wyświetlaną na ekranach w sterowni i zapisywaną w bazie danych. Cała instalacja została zamontowana, przetestowana i uruchomiona w trzy dni.
Bezprzewodowe sieci WirlessHART pozwalają również na dostęp do danych z diagnostyki urządzeń pracujących w terenie. Tej możliwości pozbawione są starsze systemy. Większość z nich nie ma osprzętu z kanałami We/Wy (I/O) zdolnego do cyfrowej komunikacji typu HART z inteligentnymi urządzeniami w terenie. Szeroki zakres możliwości diagnostycznych i duża ilość danych z czujników pozostaje niedostępna w tych urządzeniach z powodu braku możliwości podłączenia ich do systemu sterującego. Dawniej użytkownicy wykorzystywali multipleksery sygnału, ale podejście to jest kosztowne i skomplikowane w użyciu. Zamiast tego sieci WirlessHART umożliwiają dostęp do informacji diagnostycznych przez wykorzystanie transmiterów bezprzewodowych zainstalowanych na urządzeniach w terenie (rys.). Na przykład parametry pracy zaworu sterującego dostępne są zdalnie, dzięki czemu technicy mogą przeprowadzić diagnostykę i znaleźć rozwiązanie problemu.
Gromadzenie danych w tzw. silosach informacyjnych
Dane bezprzewodowe nie powinny być pozostawiane same sobie. Gromadzenie danych z systemów przewodowych i bezprzewodowych w aplikacjach do analizy i graficznej prezentacji danych zwiększa możliwości ich wykorzystania przez użytkownika. Informacje pochodzące z systemów bezprzewodowych mogą być integrowane w ramach systemów sterowania, bazach danych i w oprogramowaniu, gdzie dostępne są także dane z pozostałych źródeł. Przed dodaniem sprzętu pomiarowego inżynierowie powinni dokonać spisu istniejących już czujników i dodać nowe punkty do istniejącego systemu pomiarowego.
Gdy dane są już zgromadzone, platformy służące do ich analizy i wizualizacji pozwolą ekspertom uzyskać wgląd w niezbędne informacje będące podstawą do dalszych działań. Fachowcy mają dzięki temu całościowy pogląd na parametry i mogą zaproponować rozwiązania w oparciu o swoje doświadczenie i wiedzę. Oprogramowanie dedykowane może zostać wykorzystane do odzwierciedlenia zjawisk fizycznych lub modeli empirycznych w celu opracowania dokładniejszej analizy. Na przykład oprogramowanie wykorzystujące model pierwszej zasady termodynamiki może zostać zintegrowane z danymi procesowymi w celu wykrycia zmian jakości pracy sprzętu jako wczesnego objawu problemów mechanicznych. Wymiennik ciepła może wykorzystywać pomiar temperatury i przepływu do kontroli temperatury, ale zastosowanie systemu monitorującego dla wymiennika wymagałoby zainstalowania dodatkowych czujników temperatury i ciśnienia. Informacje pochodzące z istniejących czujników mogą być sprzężone z danymi pozyskiwanymi z nowych urządzeń bezprzewodowych, gdzie wskaźniki mechaniczne są zastąpione przez nadajniki bezprzewodowe. Dzięki rozszerzeniu zakresu danych o wszystkie dostępne wartości pomiarowe modele termodynamiczne mogą zostać wykorzystane przez ekspertów do dokładniejszego diagnozowania problemów i podejmowania proaktywnych działań.
Stworzenie i rozwój systemu
Często się zdarza, że użytkownik chcący rozpocząć przygodę ze zdalnym monitorowaniem nie wie, od czego zacząć. Jednym z rozwiązań jest projekt rozbudowanej bezprzewodowej infrastruktury, która umożliwia monitorowanie parametrów związanych z niezawodnością, zużyciem energii, bezpieczeństwem, środowiskiem itd. Możliwe jest zaprojektowanie sieci wykorzystującej bramki bezprzewodowe, optymalnie rozmieszczone w różnych obszarach operacyjnych, oraz warstwę dla aplikacji, jeśli jest to wymagane. W przypadku dostępności odpowiedniego kapitału rozwiązanie to jest bardzo korzystne i opłacalne. Należy się jedynie upewnić, że zastosowana zostanie technologia ustandaryzowana, będąca w stanie obsłużyć wiele rodzajów pomiarów i rozwiązań, które następnie będzie można gromadzić w zakresie jednej infrastruktury.
Niestety, ten scenariusz nie jest dość popularny. Wiele zakładów ma ograniczony budżet, a lista inwestycji oczekujących na realizację jest długa. Trudno jest wówczas zainwestować jednorazowo duży kapitał w rozległą sieć infrastruktury bezprzewodowej. Rozwiązaniem bardziej praktycznym jest identyfikacja najbardziej palącego problemu w danym okresie i rozwiązanie go z wyraźnym zwrotem z inwestycji, który jest łatwy do obliczenia. Warto wówczas opracować przypadek biznesowy dla takiej inwestycji i zastosować ustandaryzowaną infrastrukturę bezprzewodową umożliwiającą rozwiązanie danego problemu.
Tworzenie sieci bezprzewodowej należy planować z myślą o przyszłości. Warto stosować takie rozwiązania, które mogą być rozszerzone również na inne obszary. Sieci bezprzewodowe wykorzystujące topologie siatki mogą być łatwo rozbudowywane przez dodawanie nowych pomiarów online, jednocześnie zwiększając niezawodność i możliwości całej sieci. Dzięki zwrotowi z inwestycji na przykładzie jednego problemu i stworzeniu sieci z możliwością jej rozwoju można zaimplementować infrastrukturę, która będzie wspierać dodatkowe rozwiązania bezprzewodowe w zakresie monitoringu, które mogą być dodane w przyszłości.
Pozyskanie wiedzy eksperckiej
Niezależnie od rozmiarów zakładu nie jest możliwe dokonanie dogłębnej ekspertyzy w każdej z dziedzin. Eksperci nie zawsze są dostępni w miejscu, w którym akurat są potrzebni. Zamiast ponosić koszty i oczekiwać na przyjazd eksperta do zakładu, można wykorzystać monitorowanie bezprzewodowe – zebrać dane i wysłać je do ekspertów, niezależnie od ich lokalizacji. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie czasu ekspertów i może sprawić, że ich zatrudnienie będzie bardziej korzystne finansowo.
Ponieważ pracujący zdalnie specjaliści nie mogą znajdować się blisko sprzętu, nie mogą też widzieć, czuć, dotykać i słyszeć tego, co się dzieje. Z tego powodu wymagana jest większa liczba pomiarów. Bezprzewodowe pomiary sprawiają, że możliwe jest zebranie wystarczającej ilości danych, aby specjaliści mogli podejmować kompetentne decyzje bez fizycznej obecności przy sprzęcie. Na przykład mechaniczne wskaźniki ciśnienia i temperatury można zastąpić pomiarem bezprzewodowym, co umożliwi zdalny odczyt pomiarów.
Większe przedsiębiorstwa mogą pozyskiwać ekspertów spośród wielu placówek, czasem inwestując w scentralizowane ośrodki nazywane centrami doskonałości, w których eksperci mogą być oddelegowani do współpracy z zakładem. Ten rodzaj podejścia staje się coraz bardziej popularny w przemyśle naftowym, gazowym, energetycznym i wydobywczym.
Nawet w tych ośrodkach nie ma sensu zajmować się każdym zagadnieniem. Zamiast tego firmy wybierają ekspertów skupiających się na monitorowaniu procesu i stanu ważniejszego sprzętu i zlecają lub nawiązują współpracę z zewnętrznymi dostawcami usług na monitorowanie innych obszarów pracy. Na przykład zakład specjalizujący się w nadzorowaniu elektrowni może zatrudniać inżynierów chemików zajmujących się monitorowaniem osiągów i optymalizacją pracy turbin i bojlerów wchodzących w skład floty elektrowni oraz zlecać monitorowanie mniej znaczących urządzeń i zaworów innej firmie zewnętrznej. Eksperci z branży monitorowania pracy maszyn i zaworów mogą dokonywać analizy danych w celu wykrycia wczesnych oznak awarii mechanicznych, diagnozy problemów i wydawania zaleceń mających na celu spowolnienie propagacji uszkodzenia lub planowania działań utrzymania ruchu. Czy to na miejscu, czy z pomocą firmy zewnętrznej, eksperci polegają na danych dostarczanych z urządzeń pracujących w terenie. Użycie sieci bezprzewodowej do zapewnienia lepszego wglądu w działanie fabryki pozwala ekspertom na bardziej efektywny wkład w jej funkcjonowanie i poprawę niezawodności.
Zwiększenie poziomu bezpieczeństwa
Istnieje kilka podstawowych sposobów na implementację bezprzewodowej sieci czujników w zakładzie przemysłowym. Jednym z nich jest integracja sieci bezprzewodowej z istniejącym systemem sterowania. Można tego dokonać za pomocą sieci bezprzewodowej wbudowanej w podsystem układów i modułów We/Wy (I/O) przez dostawcę systemu lub poprzez integrację sieci bezprzewodowych z systemem sterowania z wykorzystaniem takich protokołów, jak Modbus, OPC oraz EtherNet/IP. Taki sposób jest korzystny, gdy pomiary są niezbędne operatorom do lepszej kontroli procesu. Ponieważ takie sieci są zintegrowane z systemem sterowania, korzyścią dodatkową są te same zabezpieczenia, co używane do ochrony całego systemu sterowania. W celu zabezpieczenia sieci bezprzewodowej należy dobrać taką technologię, którą cechują niezawodne zabezpieczenia, włącznie z FHSS dla wirtualnych sieci lokalnych, zaszyfrowaną komunikacją, autoryzacją wiadomości, metodą białej listy i innymi metodami zabezpieczeń.
Kolejnym sposobem jest instalacja sieci bezprzewodowej niezależnie od systemu sterowania. Takie rozwiązanie może uprościć wymagania dotyczące bezpieczeństwa sieci monitorującej, ponieważ implementacja przebiega w taki sposób, że nie wprowadza połączeń z systemem sterowania. Wiele z aplikacji nie wymaga integracji z systemem sterowania, ponieważ dane nie są wykorzystywane przez operatorów do sterowania procesem. Zamiast tego dane z czujników sieci bezprzewodowej mogą być gromadzone w sieci IT za pomocą oprogramowania, a inżynierowie i specjaliści mogą uzyskać do nich łatwy dostęp. Następnie informacja może zostać przekazana do bazy danych lub osobnej aplikacji służącej do zarządzania energią, monitorowania środowiska czy raportowania na temat zgodności z przepisami.
W przypadku bardziej wyspecjalizowanych zastosowań popularne staje się oferowanie przez dostawców usług połączonych, bazujących na sieciach bezprzewodowych z czujnikami. W takim przypadku bezprzewodowa sieć monitorująca należy do dostawcy usługi i jest przez niego obsługiwana, a użytkownik płaci jedynie abonament za miesięczną obsługę. Dostawca zapewnia usługi w oparciu o sieci monitorujące, które są jego własnością oraz są przez niego zainstalowane i obsługiwane. Sieci te są połączone w bezpieczny sposób poprzez istniejącą sieć IT użytkownika lub instalowane z wykorzystaniem Internetu poprzez router. Dostawca usługi stosuje właściwe środki bezpieczeństwa, takie jak firewall, szyfrowanie danych, a nawet fizyczne zabezpieczenia przeciwdziałające manipulacji przy urządzeniu.
Samodzielne, niezależne sieci bezprzewodowe stosowane jedynie do pomiaru takich wartości, jak poziom wibracji, akustyka czy temperatura, muszą zostać zabezpieczone pod kątem dostępu, integralności i poufności danych. Jednakże, jeżeli sieć monitorująca jest połączona z ważnym sprzętem, takim jak zawory sterujące, analizatory gazów czy przepływomierze, poziom bezpieczeństwa powinien być znacznie wyższy. W takiej sytuacji technologie bezpieczeństwa takie jak „data diode” mogą zostać użyte w celu zapewnienia bezpieczeństwa sieci monitorującej przed zagrożeniami zewnętrznymi.
Podsumowanie
W dobie transformacji cyfrowej firmy wykorzystujące nowe technologie zyskują przewagę nad konkurencją. Samo dodawanie punktów pomiarowych do sieci bezprzewodowej nie sprawi, że użytkownik dostrzeże nowe możliwości. Gdy użytkownicy zaczną strategicznie wykorzystywać technologię jako dopełnienie tradycyjnej infrastruktury przewodowej, będą mogli wówczas zwiększyć wydajność zakładu oraz poziom niezawodności wykonywanych operacji.
Mike Boudreaux jest dyrektorem ds. usług połączonych w firmie Emerson Process Management.
