Bezpieczne czujniki stosowane w praktyce

Czujna profilaktyka
Czujniki z certyfikatem bezpieczeństwa zapewniają zmniejszenie kosztów i poprawę funkcjonowania instalacji przemysłowych. Jednak ich zastosowanie w konkretnym zakładzie wymaga starannego rozważenia.
W porcie załadunkowym produktów pochodnych ropy naftowej firmy Shell koniecznie stosuje się przepływomierze masowe z certyfikatami bezpieczeństwa.     Źródło: Endress+Hauser
Z bezpiecznymi czujnikami jeszczeniedawno bywało tak, że doprowadzały do „zaśmiecania” obiektu. Wprowadzano je bowiem równolegle do sprzętu automatyki i tworzono dla nich oddzielną sieć komunikacyjną.

Używane były do najczęściej wykonywanych pomiarów, takich jak: ciśnienie, temperatura, przepływ, poziom, ale także przy wielu innych parametrach. Pomimo tego, że stanowiły nowość na rynku, zaczęto je traktować jako pierwszoplanowe w kreowaniu informacji o przebiegu toczącego się procesu technologicznego. Przypuszczalnie działo się tak ze względu na słowo „bezpieczne” w nazwie. Skutkiem tego zdarzało się, że niewłaściwe odczytanie lub zła interpretacja wyników pomiarów doprowadzała do wytwarzania wielu odpadów. Powodowała także poważne zamieszanie, a nawet katastrofy, które skutkowały utratą życia pracownika.  

Obecnie ten bezpieczny sprzęt pomiarowy, głównie czujniki i przetworniki, wszedł w wiek dojrzałości. Dzięki zaawansowanej technice systemy bezpieczeństwa oparte na bezpiecznych czujnikach są teraz wyposażone w inteligentne rozwiązania. To zapewnia im zdecydowanie większą zdolność diagnostyczną. Zmieniło się także ich otoczenie. Dzisiejsze bezpieczne czujniki mogą uzyskiwać certyfikaty od niezależnych organizacji i mogą być klasyfikowane do odpowiedniego poziomu zintegrowanego bezpieczeństwa (SIL). Poza tym są podporządkowane normom państwowym i międzynarodowym zaleceniom standaryzacyjnym (na przykład IEC 61508). Poważnym, pozytywnym rezultatem dotychczasowych wysiłków jest potencjalna możliwość użycia mniejszej liczby czujników, co przede wszystkim obniża koszty instalacji przemysłowych. Kolejnym pozytywnym skutkiem bezpiecznych przyrządów jest możliwość usprawnienia funkcjonowania układu automatyzacji procesu. Przede wszystkim poprzez coraz większą liczbę certyfikowanych rozwiązań.  

– Wyroby, które mają certyfikat, gwarantują wyższą jakość konstrukcji, gdyż ich projektanci skupiają się na eliminacji słabych stron produktów – mówi William Goble, ekspert z firmy „exida”, która specjalizuje się w testowaniu funkcjonowania bezpiecznych przyrządów oraz opracowywaniu ekspertyz. – Prawie połowa wyrobów zgłaszanych do certyfikacji nie wytrzymuje pierwszej próby. Dopiero poprawienie konstrukcji i uzupełnienie o funkcje diagnozowania pozwala na sprostanie wymaganiom podczas przeprowadzania testów kontrolnych.  

Przytaczane przez Goble’a dane liczbowe (patrz: tabela obok) wskazują na prawdziwą eksplozję liczby czujników uzyskujących certyfikaty w ostatnich latach. W 2000 roku było ich zaledwie dwa, w 2004 – siedem, zaś w 2007 już 24 typy. To wyraźne oznaki, że mamy do czynienia z trendem, który prowadzi do bezpiecznych całych linii produkcyjnych.

Rozmówca Control Engineering zauważa, że pełne wykorzystanie zalet certyfikowanych bezpiecznych przyrządów będzie wymuszało prawidłowe skonfigurowanie systemów bezpieczeństwa.

Przykładowo, wykorzystanie funkcji diagnostycznych może pozwolić na wykazanie, że pewien parametr przekroczył wymagany zakres. Niewłaściwie skonfigurowany regulator może to także potraktować jako błąd i niepotrzebnie wyłączyć urządzenie. Zdecydowanie lepiej byłoby wprowadzić strategię prowadzenia procesu według poprzednio notowanych wartości. Akcję interwencyjną należałoby uruchomić dopiero wtedy, gdy odchylenie od normy będzie się przedłużać poza pewien ustalony czas, potwierdzony przez kolejne pomiary.   

Wykrywanie wad  

Kilka lat temu koncern Siemens Energy and Automation (SEA) kupił jedną z pierwszych firm oferujących atestowane czujniki. Według Louisa DiNapoli, specjalisty w stworzonym wówczas nowym dziale SEA, bezpieczne czujniki zdecydowanie różnią się na korzyść od ich odpowiedników bez atestu.

– Nasze czujniki zawierają w sobie dwa mikroprocesorowe układy od różnych dostawców, a każdy z nich oparty jest na innej technice i przygotowany do innych zadań – tłumaczy DiNapoli. – Oba procesory otrzymują sygnał z elementu czułego, który reaguje na zmianę wartości mierzonego parametru procesu zmianą określonej właściwości elektrycznej. Zmiana tej właściwości jest poddawana obróbce i przetworzeniu na sygnał wyjściowy czujnika. Wyniki obróbki tej samej wartości wejściowej otrzymanej od elementu czułego przez obydwa procesory są porównywane ze sobą. Gdy są one bardzo zbliżone do siebie, wtedy wynik dokonanego pomiaru zostaje uznany za wiarygodny.
Przedstawiciel SEA dodaje, że kolejną cechą gwarantującą bezpieczeństwo przez potwierdzenie wiarygodności pomiaru, jest zdolność (wymuszona odpowiednim oprogramowaniem) do przewidywania przedziału (np. w procentach do szerokości zakresu pomiarowego) wartości następnego pomiaru. Po dokonaniu kolejnego pomiaru jego wynik jest porównywany z przewidywanym poziomem wartości. To daje kolejną wskazówkę o poprawności pomiaru, czyli wiarygodności funkcjonowania czujnika.

Przepływomierze masowe z atestem bezpieczeństwa w zakładzie przeróbki
paliw ciekłych i gazowych    Źródło: Endress+Hauser

Kluczowym, innowacyjnym podejściem do pomiaru nie jest to, aby sygnał wyjściowy z czujnika poprawnie odczytać, lecz aby uzyskać wiedzę na temat wiarygodności samego pomiaru. Sam ten fakt nie zapobiega powstaniu awarii, ponieważ – jak mówi DiNapoli – nie taki jest cel konstruowania bezpiecznego czujnika.
– Nie zabiegaj o uniknięcie samej awarii, zatroszcz się o to, aby poznać symptomy zbliżającej się awarii – podkreśla rozmówca Control Engineering.

Porównanie aktualnej wartości sygnału z przewidywaną wartością pomiaru pozwala nam na uzyskanie informacji o możliwości wystąpienia awarii czujnika. Oczywiście, cały system automatyki może być skonfigurowany nie tylko pod kątem wykrywania stanu awaryjnego. Może też być zaprogramowany tak, aby nie podejmował natychmiastowej interwencji w toczącym się procesie produkcyjnym, dopóki nie utwierdzi się w przekonaniu, że naprawdę ma do czynienia z awarią.

Jak wynika z powyższego opisu, mamy do czynienia z upewnianiem się o poprawności generowania sygnału wyjściowego na podstawie zmiany określonej właściwości elementu czułego. Natomiast ów pierwotny sygnał otrzymujemy od jednego tylko elementu stykającego się z procesem, któremu jesteśmy zmuszeni zaufać, nie mogąc go sprawdzić. Jednakże bardziej rozbudowane inteligentne rozwiązania z wyrafinowanymi algorytmami są w stanie pośrednio wyeliminować takie wątpliwości. Jeszcze pięć lat temu elementy czułe były stosunkowo prymitywne. Dzisiaj są wyposażone w rozwiązania mikroprocesorowe i mają o wiele więcej możliwości. Mogą dostarczyć szeregu informacji, które pomagają zapewnić prawidłowe funkcjonowanie samego przyrządu, jak również spowodować usprawnienie nadzorowanego procesu technologicznego.

Wyjaśnijmy to na przykładzie: czujnik ciśnienia może mieć rejestry, w których zliczany jest czas, w jakim wartości tego ciśnienia są wyższe od jednej z trzech wcześniej ustalonych. Załóżmy, że taką ustaloną wartością jest maksimum przewidywane w dokumentacji procesu. Z tego zliczania czasu wypływa ważna informacja. Na przykład taka, że przez większość czasu proces ma wartość przekraczającą owo maksimum. Ta informacja oznacza, że albo popełniono błąd w dokumentacji, albo proces produkcyjny jest źle prowadzony.  
Prawie wszystkie bezpieczne   

Inną firmą, która ma stosunkowo długą historię działania na rynku bezpiecznych czujników, jest Endress+Hauser. Gerold Klotz–Engmann, szef działu sprzedaży bezpiecznych czujników w niemieckim zakładzie firmy podzielił się z nami swoimi spostrzeżeniami. Wszystkie nowo projektowane wyroby w tym zakładzie spełniają wymagania zaleceń IEC 61508. Osiągnięcie takiego stanu wymagało wyposażenia urządzeń w funkcję samodiagnostyki. Celem było wykrycie wewnętrznych wad elementów pasywnych, ale też skuteczne ujawnienie niedostatków w oprogramowaniu.

Bezpieczny i spokojny przebieg procesu produkcyjnego w zakładzie farmaceutycznym zapewnia przetwornik pomiarowy z atestem bezpieczeństwa.    Źródło: Siemens Energy and Automation
Niemal wszystkie obecne na rynku czujniki uzyskały aprobatę do stosowania w systemach bezpieczeństwa poziomu SIL 2 lub SIL 3. W praktyce od wymaganego poziomu bezpieczeństwa zależy, czy w konkretnym przypadku użyjemy jednego, czy więcej czujników do jednego pomiaru. Na przykład, jeśli od systemu wymaga się poziomu SIL 2, powinien wystarczyć jeden czujnik. Sytuacja komplikuje się, jeśli wymagany system ma mieć poziom bezpieczeństwa wyższy niż SIL 2. Wówczas może być konieczne równoległe użycie dwóch lub nawet trzech czujników. Dopiero porównanie dwóch lub trzech sygnałów otrzymanych od różnych czujników, jeśli są ze sobą zgodne, daje pewność co do wartości mierzonego parametru. W dodatku przy trzech czujnikach mamy zapewniony wystarczający poziom bezpieczeństwa nawet wtedy, gdy jeden z nich ulegnie uszkodzeniu.  

Według Carla Sonody, kierownika sprzedaży Yokogawa Electric Corporation pierwszy czujnik wykonany w tej firmie uzyskał atest bezpieczeństwa w 2003 roku. Obecnie Yokogawa produkuje czujniki temperatury, przetworniki ciśnienia, a także przetworniki wieloparametrowe, które mają atesty odpowiadające wymaganiom dla poziomu SIL 2 i SIL 3.

Sonoda podkreśla, że najlepszym sposobem projektowania obwodów bezpiecznych jest stosowanie wieloparametrowych przetworników pomiarowych i porównywanie ich sygnałów wyjściowych. W ten sposób osiąga się redundancję, zmniejsza koszt okablowania i testów gotowej instalacji. Na uwagę zwraca też mniejsza liczba przyrządów do obsługi i utrzymywania w ruchu.

Urządzenia, które mają atest bezpieczeństwa, umożliwiają zmniejszenie ogólnej liczby przyrządów na obiekcie. Sonoda zapewnia przy tym, że przetworniki atestowane zgodnie z normą IEC SIL 2/3 zapewniają tak pewne funkcjonowanie, że można jednym z nich zastąpić dwa inne, które nie mają takiego atestu.

Więcej gorszych,
czy mniej lepszych?

Pytanie o to, ile czujników zastosować, to nie tylko sprawa cięcia wydatków. Dale Perry, specjalista Rosemount (należy do Emerson Process Management) zauważa inne korzyści. W jego opinii mniejsza liczba przyrządów oznacza mniej fałszywych alarmów, które mogą doprowadzić do zatrzymania produkcji. Z tego względu należy starannie rozważyć całkowity koszt zamierzonego przedsięwzięcia. Poprawna odpowiedź na postawione wyżej pytanie zależy od wielu czynników. Należy też oczywiście brać pod uwagę koszty instalacji i uruchomienia sprzętu na obiekcie.

Historia rozwoju produkcji bezpiecznych czujników w Rosemount podobnie przebiegała także u innych producentów. Początkowo atestowanie czujników ograniczało się do pojedynczych przypadków. Jednak w miarę upływu czasu firma stawała wobec wymagań dostosowania swoich wyrobów do pojawiających się norm. Z czasem okazało się, że dbałość o wyposażanie standardowych produktów we właściwości związane z bezpieczeństwem zdecydowała o sukcesie rynkowym.
Tym bardziej, że różnica w cenie pomiędzy przyrządami standardowymi a ich atestowanymi odpowiednikami znacząco zmalała. Oczywiście zawsze będziemy mieli z nią do czynienia, gdyż atestowanie pociąga za sobą stałe wydatki.
Poza kosztami samych testów należy liczyć się z dodatkowymi wydatkami. Razem z każdym przyrządem wysyłane są użytkownikowi dokumenty zawierające dane potwierdzone wynikami testów. Są to: kopia atestu bezpieczeństwa, wykaz znamion awarii, opis ich następstw, wynik analiz diagnostycznych, numer seryjny przyrządu i data przeprowadzonych badań. Jest to standardowe uzupełnienie dokumentacji przyrządu.

Te same technologie, które sprawiają, że czujnik staje się coraz bardziej bezpieczny, zapewniają mu także wiele innych możliwości. Jest to wyjście naprzeciw oczekiwaniom użytkowników, którzy poza samym czujnikiem potrzebują wiedzy o symptomach umożliwiających przewidywanie niekorzystnych zdarzeń. Funkcje dzisiejszych bezpiecznych przyrządów pozwalają klientom na wgląd w przebieg procesu i pomagają w utrzymania nieprzerwanego funkcjonowania linii produkcyjnych. Zapobiegają też powstaniu niebezpiecznych sytuacji.

Hank Hogan  

Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula