Integracja niezawodnej automatyki to korzyści w przypadku każdego zastosowania przemysłowego.
Urządzenia cyfrowe są wspaniałe, gdy działają, czyli mniej więcej przez większość czasu użytkowania. Jednak wielu z nas doświadczyło konieczności ponownego uruchomienia lub naprawy urządzenia mobilnego, komputera lub innych ważnych komponentów, gdy te przestały działać. Czasami takie problemy to drobna uciążliwość i powodują minimalny spadek wydajności, ale w przypadku systemów krytycznych takie awarie mają dużo poważniejsze konsekwencje. Systemy automatyki przemysłowej tworzone są w celu wytwarzania produktów, minimalizacji odpadów, ochrony sprzętu i zapewnienia bezpieczeństwa pracowników – i muszą to robić przez długi czas przy minimalnej uwadze z naszej strony. Jedną z definicji niezawodności systemów automatyki jest zdolność do dostosowania się/odzyskania sprawności po dokonaniu zmian lub wystąpieniu zdarzenia losowego. Większość zgodzi się, że odporność systemów automatyki jest pożądana, ale w jaki sposób można ją najlepiej osiągnąć i jakim kosztem? Ponieważ systemy automatyki są zbudowane z unikalnych, ale wzajemnie powiązanych czujników, okablowania, dystrybucji energii, sterowników, sieci, oprogramowania i wielu innych, najlepiej dopasowane rozwiązanie dotyczące niezawodności dla każdej aplikacji obejmuje wiele rozważań i kompromisów. Wiedza o praktycznych zaletach rozwiązań i praktyka zawodowa z zakresu automatyki może pomóc projektantom znaleźć właściwą równowagę pomiędzy niezawodnością, kosztami i złożonością.
Produkty i wiedza pomagają w projektowaniu
Wiele branż grupuje dyscypliny projektowe: elektrykę, oprzyrządowanie i sterowanie (EIC), ponieważ są one ze sobą ściśle powiązane. Elektryka obejmuje dystrybucję energii i systemy okablowania. Oprzyrządowanie odnosi się do czujników używanych do monitorowania stanu. Sterowanie obejmuje sprzęt i oprogramowanie niezbędne do tego, aby system automatyki mógł oddziaływać na urządzenia fizyczne. Obejmuje też łączenie w sieć programowalnych sterowników logicznych (PLC), interfejsów człowiek-maszyna (HMI) i innych komponentów powszechnie stosowanych w automatyce przemysłowej. Inteligentny projekt EIC jest niezbędny dla niezawodnej i odpornej automatyzacji urządzeń i procesów przemysłowych, i obejmuje wiele aspektów każdego projektu.
Przy wyborze komponentów systemu EIC ważne jest:
– Wybór produktów zaprojektowanych tak, aby przetrwały w docelowym środowisku, w którym mogą występować ekstremalne temperatury, wilgoć, zanieczyszczenia, zakłócenia elektryczne i inne zagrożenia.
– Upewnienie się, że dostawcy produktów koncentrują się na testowaniu urządzeń w niekorzystnych warunkach.
– Szukanie odpowiednich certyfikatów branżowych, takich jak Underwriters Laboratories (UL) lub American Bureau of Shipping (ABS).
– Wybieranie urządzeń z atrybutami lub cechami konstrukcyjnymi umożliwiającymi im działanie w trudnych warunkach.
Margines niezawodności dla automatyki
Projektanci często określają najgorsze możliwe środowiska pracy, w których urządzenie może się znaleźć. Jednak wybór urządzeń, które zostały przetestowane przez dostawców pod kątem wytrzymałości w warunkach wykraczających poza oczekiwane ekstremalne warunki pracy, zapewnia dodatkowy margines niezawodności (fot. 1). W zależności od typu urządzenia, charakterystyki pracy takiej jak napięcie oraz zastosowania, w którym będzie ono używane, istnieje wiele agencji ratingowych, które zapewniają certyfikaty lub normy dla urządzeń. Wybór urządzenia z certyfikatem UL do zastosowań w automatyce przemysłowej lub ABS do zastosowań na statkach daje dodatkową gwarancję niezawodności. Projektanci mogą również wybrać urządzenia, które oferują dodatkowe wbudowane zabezpieczenia przed specyficznymi wyzwaniami występującymi w środowiskach przemysłowych, z których głównym jest szum elektryczny. Standardowe moduły wejścia/wyjścia (I/O) sterowników PLC z pojedynczym zakończeniem wykorzystują najprostszą i najtańszą metodę sygnalizacji, ale mogą nie działać zgodnie z oczekiwaniami, gdy w pobliżu znajdują się urządzenia, takie jak spawarki, transformatory, generatory i napędy silnikowe o zmiennej częstotliwości, wytwarzające duże ilości zakłóceń elektrycznych. Wybierając moduły różnicowe wejścia/wyjścia, dokładność sygnału jest zapewniona przez zniwelowanie wszelkich szumów elektrycznych indukowanych na linii w środowiskach o wysokim poziomie EMI (fot. 2). Niezawodne komponenty pomagają stworzyć solidne systemy automatyki tylko wtedy, gdy są stosowane z zachowaniem odpowiednich praktyk zawodowych. Nawet w przypadku ogólnej automatyki projektanci powinni przestrzegać przepisów takich jak National Electrical Code (NEC) oraz norm takich jak ANSI i ISA, aby zapewnić spełnienie minimalnych wymagań. Indywidualne praktyki projektowe stosowane w określonych obszarach mogą nie zapewnić najlepszej ogólnej niezawodności. Kody, normy i specyfikacje są często oparte na minimalnych wymaganiach niezbędnych do spełnienia podstawowych potrzeb w zakresie bezpieczeństwa i wydajności. Projektanci muszą podchodzić do kwestii niezawodności zarówno w skali mikro, jak i makro.
Niezawodność, redundancja, odporność
Systemy niezawodne są projektowane i budowane z wykorzystaniem niezawodnych produktów, a w niektórych przypadkach poprzez zastosowanie konfiguracji redundantnych. Nie ma sensu podejmować prób stworzenia odpornego systemu z zawodnych części. Nawet jeśli urządzenia oferują niezbędną niezawodność, to istnieją praktyki w zakresie projektowania, redundancji i instalacji, które mogą poprawić odporność systemu. Redundancja, czyli powielanie elementów systemu w celu zwiększenia jego niezawodności, może być kluczową strategią, wdrażaną w różnym stopniu dla każdej części systemu EIC. Redundancja wiąże się jednak z dodatkowymi kosztami i wysiłkiem wdrożeniowym, a w przypadku mniejszych systemów może być niepraktyczna. W przypadku najbardziej krytycznych systemów zasilanie może być dostarczane przez obwody pierwotne i wtórne, z lub bez automatycznego przełączania w przypadku awarii jednego z obwodów. Podwójne obwody zwiększają również zdolność personelu do serwisowania zasilania. Wiele systemów automatyki zawiera zasilacze bezprzerwowe (UPS) w kluczowych miejscach, takich jak panele sterowania. Zasilacz UPS może zapewnić zasilanie prądem przemiennym lub stałym urządzeniom niższego rzędu w przypadku awarii zasilania wyższego rzędu. Ponadto UPS zapewnia pewien stopień filtrowania jakości zasilania dla urządzeń niższego rzędu i może sygnalizować systemowi sterowania wystąpienie problemu, dzięki czemu użytkownicy mogą na niego zareagować. Ochrona przeciwprzepięciowa AC, szczególnie dla przewodów zasilających i oprzyrządowania, chroni drogie urządzenia elektroniczne przed przepięciami lub wyładowaniami atmosferycznymi. Urządzenia, kable i złącza muszą być instalowane w obudowach i bieżniach, aby zapewnić ochronę mechaniczną, odporność na wibracje, a w niektórych przypadkach nawet ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i częstotliwością radiową (RF). EMI i RF są szczególnie problematyczne dla niskiego napięcia komunikacji cyfrowej, więc te obwody muszą być zaprojektowane i zainstalowane w określonej odległości od generujących zakłócenia obwodów zasilania. Obudowy z włókna szklanego mogą chronić urządzenia przed żywiołami, ale uziemiona obudowa ze stali zapewnia dodatkową ochronę przeciwko zakłóceniom EMI/RF. W krytycznych miejscach pomiarowych można zainstalować dwa przyrządy w celu zapewnienia redundancji. Czasami przyrządy są identyczne, ale jeszcze lepszym rozwiązaniem jest zainstalowanie różnych technologii. Konfiguracja „dwa z trzech” zapewnia jeszcze większą niezawodność pomiaru. Na przykład poziom w zbiorniku może być mierzony za pomocą głównego przetwornika ultradźwiękowego i dodatkowego przetwornika zanurzeniowego, z dodatkową ochroną zapewnioną przez wyłączniki pływakowe wysokiego i niskiego poziomu. Przemysłowe sterowniki PLC są niezwykle niezawodne, a niektóre platformy oferują redundancję samego procesora. Dla wielu średnich i małych systemów koszt i złożoność redundantnych sterowników PLC nie są uzasadnione. Bardziej produktywne może być skupienie się na sieciach przemysłowych, ponieważ są one bardziej podatne na awarie, dlatego że znajdują się poza chronionymi szafami sterowniczymi, czasami z dala od szaf i często w trudnym środowisku. Przy zastosowaniu odpowiednich urządzeń możliwe jest zaprojektowanie sieci w konfiguracji samoregenerującego się obwodu. Obwód jest instalowany na ścieżce przebiegającej przez sprzęt lub obiekt i jest w stanie wytrzymać pojedynczy punkt awarii oraz powiadomić operatorów o wystąpieniu problemu. Pozwala to na rozwiązanie problemu zanim wystąpi druga awaria, która może spowodować, że sieć nie będzie działać.
Bill Dehner jest inżynierem marketingu technicznego, AutomationDirect. Redagował Mark T. Hoske, kierownik ds. treści, Control Engineering, CFE Media and Technology.