Inteligentne przyrządy pomiarowe mogą dostarczyć wręcz nieograniczoną ilość danych. Ich przetworzenie i analiza bywają jednak wyzwaniem.
Bez pomiaru nie ma sterowania. W praktyce oznacza to, że czujniki i przyrządy zbierające dane o procesie przemysłowym muszą zbierać dokładne i pewne dane. Dysponując odpowiednimi danymi, można rozpocząć ich analizę, która pomaga w szacowaniu terminów przeglądów konserwacyjnych.
Użytkownicy końcowi, którzy wdrażają nowe systemy lub modyfikują stare, coraz częściej rezygnują z wykorzystania tradycyjnych rozwiązań pneumatycznych, mechanicznych i analogowych. Te tradycyjne technologie są gwałtownie zastępowane przez nowe rozwiązania, które bazują na innowacyjnych technikach pomiarowych i technologii cyfrowej. Rezultat: większa ilość danych i ich lepsza jakość. W wyniku poprawnego wykorzystania tych danych można zwiększyć jakość, niezawodność i bezpieczeństwo.
Różnorodność dostępnych na rynku nowoczesnych produktów, będąca efektem zróżnicowanych wymagań użytkowników końcowych, mówi sama za siebie. Ich sprzedaż gwałtownie rośnie. Przykładem są przepływomierze masowe (Coriolisa), które notują wzrost sprzedaży w przeciwieństwie do mechanicznych przepływomierzy ? użytkownicy końcowi dostrzegli potencjał tkwiący w zwiększonej dokładności i pewności pomiaru czujników o mniejszej liczbie ruchomych części.
Innym przykładem są przetworniki ciśnienia. Te przyrządy ewoluowały z prostych czujników analogowych mierzących jeden sygnał do cyfrowych produktów mierzących jednocześnie wiele wartości, wyposażonych w działające w czasie rzeczywistym mechanizmy diagnostyczne automatycznie powiadamiające np. o zablokowaniu przepływu.
To, co do niedawna uznawane było za nową technologię ? produkty, takie jak przepływomierze Coriolisa, cyfrowe inteligentne przetworniki ciśnienia z zaawansowaną diagnostyką i cyfrowymi protokołami komunikacyjnymi ? stało się trendem. Wraz z dziesiątkami tysięcy zainstalowanych i pracujących instrumentów pomiarowych nowej generacji bezpowrotnie zmieniły się wymagania użytkowników końcowych.
W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania nowoczesnych przyrządów, mierzących najtrudniejsze procesy oraz potencjalnych zysków z odpowiedniej obróbki i analizy danych pomiarowych.
Znalezienie dobrych danych może nie być łatwe
Czujniki wykorzystywane są od dekad do mierzenia różnych wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, przepływ, poziom i temperatura. Wiele aplikacji pozostaje jednak wyzwaniem również dla nowych technologii. W niektórych z nich użytkownicy muszą polegać na testach i analizach laboratoryjnych. Tego typu analizy wymagają zebrania próbek i dostarczenia ich do laboratorium. Są zwykle kosztowne, wrażliwe na błędy przy zbieraniu próbek, a także długotrwałe.
W innych trudnych aplikacjach dane są mierzone bezpośrednio, ale wymaga to pójścia na kompromis w zakresie dokładności, pewności i częstotliwości pomiarów. Na szczęście chociaż w niektórych z tych aplikacji można ? dzięki nowym technologiom ? dokonywać pewnych i dokładnych pomiarów. Dwa konkretne przykłady znajdują się na rysunkach.
W pierwszym z nich (rysunek 3) przepływomierz magnetyczny o dwóch częstotliwościach wzbudzenia jest wykorzystywany do dokładnego pomiaru przepływu zaraz za miejscem wtryskiwania soli. Starsze technologicznie przepływomierze miały w przebiegach wyjściowych szpilki, które były efektem wstrzykiwania soli. Dzięki nowym technologiom wpływ zakłóceń jest znacznie mniejszy.
Na drugim schemacie (rysunek 4) wielofunkcyjny wskaźnik i różnicowy czujnik ciśnienia w jednym zastępuje dwa czujniki ciśnienia w procesie wydobycia ropy. Ta aplikacja uświadamia, dlaczego czujniki cyfrowe są tak pożądane i wartościowe w porównaniu do tradycyjnych metod pomiaru.
Nowoczesne przyrządy i techniki pomiarowe często pomagają w rozwiązywaniu dokuczliwych problemów pomiarowych. Pomiar to jednak dopiero połowa sukcesu. W jaki sposób wykorzystujesz zebrane dane?
Kiedy wielowejściowy inteligentny przyrząd pomiarowy zostanie podłączony do nowoczesnego systemu sterowania za pomocą sieci fieldbus, ilość otrzymanych danych może zaskoczyć. Poza zmiennymi procesowymi przesyłane są inne kluczowe informacje, takie jak status czujnika, numer etykiety, opis funkcji, znacznik czasowy, numer seryjny, a nawet numer atestu.
Podsumowując, jeden przyrząd pomiarowy może mieć ponad 100 parametrów. Przemnożenie ilości parametrów przez setki, a może nawet tysiące przyrządów pomiarowych monitorujących proces daje liczbę parametrów i danych, która może przytłoczyć. Wiele z tych parametrów nie jest statycznych i zmienia się okresowo albo podczas normalnej pracy, albo w wyniku nieprawidłowości, które są natychmiast zgłaszane. Każdy z przyrządów jest podłączony do systemu automatyki za pomocą sieci fieldbus. System wykorzystuje zmienne procesowe w czasie rzeczywistym do sterowania oraz udostępnia je operatorom w warstwie HMI.
Inteligentny czujnik, głupia sieć
Systemy sterowania procesem, które nie są i nie będą wzbogacane o cyfrową komunikację z czujnikami, mogą zostać wyposażone w inteligentne przyrządy pomiarowe jedynie częściowo. Na przykład ?głupiutki? czujnik z analogowym interfejsem 420 mA może zostać zastąpiony przez inteligentne urządzenie z protokołem HART 4?20 mA. Dostęp do czujnika można uzyskać z każdego miejsca analogowej sieci za pomocą przenośnego komunikatora HART, który może być wykorzystany do zdalnej kalibracji i sprawdzenia parametrów przyrządu.
Komunikacja z nadrzędnym systemem automatyki może przebiegać dwojako. Pierwszy sposób to wyposażenie systemu w moduł komunikacji HART. Taka modernizacja przynosi korzyści, aczkolwiek prędkość komunikacji będzie mniejsza niż w systemach z pełną obsługą HART. Takie rozwiązanie jest praktyczne, gdy wiele z czujników zostanie zastąpionych ich odpowiednikami z protokołem HART.
Drugi sposób, najlepszy, gdy trzeba wymienić relatywnie mało czujników, to zastosowanie konwertera HART. Pojedynczy konwerter może komunikować się za pomocą protokołu HART z jednym lub większą liczbą zgodnych z HART przyrządów pomiarowych. Dane pomiarowe z przyrządu konwertowane są na różnego rodzaju sygnały dyskretne, analogowe, a także tłumaczone na inne protokoły komunikacyjne, np. Modbus. Tak przetworzony sygnał trafia do systemu sterowania.
Zarządzanie alarmami, kalibracja
Ilość danych, na podstawie których można wywoływać alarm, jest ogromna, dlatego duże systemy sterowania procesem mają mechanizmy zarządzania alarmami bazujące zwykle na platformach PC. Systemy te mogą nie tylko wyświetlać alarmy, ale również sortować je według priorytetów, grupować i zbierać dane statystyczne na temat powtarzających się zdarzeń.
Informacja z właściwie skonfigurowanego systemu alarmów może być wykorzystana przez inżynierów procesu do zlikwidowania ich przyczyny oraz do nadania alarmom odpowiednich priorytetów, które przyspieszą reakcję operatora. Grupowanie alarmów pomaga spojrzeć na system jako całość. Poszczególnym grupom można przypisać wspólne środki zaradcze.
System sterowania czasu rzeczywistego, ulepszony interfejs operatora i system zarządzania alarmami to trzy główne obszary wykorzystania danych z nowoczesnych czujników. Nowoczesne przedsiębiorstwa mają jednak jeszcze inne systemy, które mogą wykorzystać dodatkowe dane.
Przed nadejściem inteligentnych czujników i cyfrowych sieci fieldbus kalibracja czujników związana była z dokumentacją w formie papierowej. Kalibracja polegała zwykle na zabraniu ze sobą kartki i długopisu, pomiarze czujnika i skrupulatnym zanotowaniu otrzymanych wyników.
Dzisiejsze inteligentne czujniki mają wbudowaną funkcję automatycznej kalibracji w trybie online zgodną z ogólnie przyjętymi standardami. Wiele z inteligentnych przyrządów pomiarowych ma wewnętrzne mechanizmy autotestu, które wskazują na konieczność weryfikacji lub kalibracji.
Bazujące na platformie PC systemy wspomagające utrzymanie ruchu w przedsiębiorstwach (ang. CMMS ? Computerized Maintenance Management Systems) mają zwykle wbudowaną funkcję zarządzania kalibracjami i generowania poleceń inspekcji dla obsługi. Gromadząc i wykorzystując cyfrowe dane z przyrządów pomiarowych, system CMMS może zarządzać całym cyklem życia czujników od momentu ich zakupu do momentu utylizacji. Ponieważ dane są cyfrowe, czas i wysiłek poświęcony na ich zbieranie jest minimalny. Funkcje zarządzania zasobami są zwykle częścią systemu CMMS, ale mogą również stanowić podstawę osobnych systemów, również opartych na PC. Mogą zawierać wyszukane algorytmy przewidywania problemów, umożliwiając podejmowanie działań prewencyjnych, a nie post factum. To może dać ogromne oszczędności, ponieważ do 40% pośrednich kosztów wytwarzania to koszty utrzymania ruchu. Bez zarządzania zasobami połowa akcji serwisowych linii produkcyjnej ma miejsce już po wystąpieniu awarii, a są one dziesięciokrotnie droższe od działań zapobiegawczych.
Innym obszarem zastosowań danych z czujników są systemy zarządzania przedsiębiorstwem (ERP). Większość dużych zakładów przemysłowych ma systemy zarządzania produkcją obejmujące swoim działaniem całe przedsiębiorstwo dzięki wymianie danych z systemami sterowania, ale i bezpośrednio z samymi czujnikami.
Porty ethernetowe i funkcje serwera Web dostępne w najnowocześniejszych przyrządach pomiarowych jeszcze bardziej ułatwiają bezpośrednią komunikację. W niektórych zakładach do 70% czujników nie pełni żadnej roli w systemie sterowania procesem ? są za to wykorzystywane przez systemy ERP i CMMS, dlatego możliwość bezpośredniej komunikacji z czujnikami jest tak ważna.
Inteligentne przyrządy pomiarowe i cyfrowe sieci fieldbus mogą dostarczyć dużą ilość danych na potrzeby sterowania, monitorowania i konserwacji procesów. Inteligentnie wykorzystane dane mogą poprawić funkcjonowanie zakładu, zmniejszyć koszty utrzymania i czas oczekiwania na wyniki badań. Wszystkie te korzyści mogą być z łatwością osiągnięte, jeśli tylko poświęci się trochę uwagi na odpowiednią integrację systemu sterowania, monitorowania i zarządzania procesem.
Dan Peterson jest menedżerem ds. produktów do pomiaru przepływów. Chris Schneider jest menedżerem ds. marketingu w Yokogawa Corporation of America.
CE