Implementacja systemu zarządzania aktywami, który swoim zasięgiem obejmuje sieci polowe, wymaga pewnego typu inteligentnych urządzeń. Ponieważ większość nowoczesnych urządzeń wspiera komunikację HART, oferując jednocześnie tradycyjne sygnały analogowe, przedsiębiorstwo musi zdecydować, który z sygnałów będzie wykorzystywany w systemie zarządzania aktywami.
W artykule przedstawiono odpowiedzi na często zadawane pytania dotyczące optymalizacji czasu życia systemów zarządzania oprzyrządowaniem. Czy informacja z czujników HART jest wystarczająca do zaawansowanego zarządzania? Czy wsparcie dla HART jest konieczne, czy można korzystać z tradycyjnych modułów I/O? Czy użytkownicy powinni myśleć o modernizacji systemu?
Podstawowe założenia
Coraz więcej producentów zwraca się ku systemom zarządzania oprzyrządowaniem (IAMS), aby zwiększyć efektywność procesu, planować konserwację i zwiększyć ogólną produktywność. Przedsiębiorstwa mogą osiągnąć znaczną redukcję kosztów operacyjnych i przestojów, jeśli wybiorą odpowiednią strategię zarządzania aktywami. Ponieważ duża część dochodu przeznaczana jest na utrzymanie, oszczędności te mogą zacznie wpłynąć na finanse przedsiębiorstwa.
Urządzenia procesowe zużywają się każdego dnia. Proces, ingerencja ludzi i upływający czas to czynniki działające na niekorzyść stanu urządzeń. Zadaniem działu utrzymania ruchu jest konserwacja i zapobieganie awariom, a w razie ich wystąpienia, szybka naprawa uszkodzonego osprzętu. Prawdziwym wyzwaniem jest takie zarządzanie utrzymaniem ruchu, aby zapewnić ciągłość procesu przy jednoczesnej minimalnej liczbie zasobów i ludzi. Do komunikacji z inteligentnymi urządzeniami wykorzystuje się lokalne interfejsy operatora albo przenośne ręczne testery. To, czego wymaga system zarządzania aktywami, który potrafi przewidzieć awarie i zapobiec zatrzymaniu procesu, to ciągła komunikacja z urządzeniami polowymi i nieprzerwany dostęp do ich danych diagnostycznych. To podstawowa funkcja sytemu IAMS.
Zrozumieć technologię
Ostatnie lata pokazały, że zastosowanie urządzeń polowych wyposażonych w nowoczesne cyfrowe technologie przynosi wiele korzyści w sterowaniu procesami. Cyfrowe oprzyrządowanie dostarcza wielu danych na temat środowiska pracy. Dane te mogą być wykorzystane przez specjalne aplikacje, które zapobiegną stratom oraz przerwom, zwiększając przy tym jakość i niezawodność, a zmniejszając koszty utrzymania.
Jednym z powodów wzrostu popularności cyfrowych urządzeń polowych było zaakceptowanie komunikacji HART, kompatybilnej z tradycyjnym systemem 420 mA. Większość nowoczesnych systemów DCS zawiera zintegrowane moduły I/O HART. Są to moduły hybrydowe, podzielone na dwie części: jedna z nich wygląda jak zwykły moduł 420 mA, druga jest zgodna z HART i potrafi komunikować się z inteligentnym osprzętem, wykorzystując protokół HART.
Integracja systemu zarządzania aktywami z systemem DCS wymaga powiązania dedykowanego oprogramowania z urządzeniami procesowymi HART. Chociaż podstawowy protokół komunikacji jest taki sam w każdym systemie sterowania, mechanizm integracji jest utajniony i zaimplementowany przez producenta w najwygodniejszy dla niego sposób. Przepustowość protokołu HART nie jest zwykle wykorzystywana w pełni, a wykorzystanie pozostałego pasma może przynieść wiele korzyści.
Chociaż brak jest otwartego standardu opisującego integrację I/O HART, użytkownicy oczekują, że w każdym systemie DCS znajdzie się określona funkcjonalność HART. Na przykład hybrydowe moduły I/O powinny działać w taki sposób, że część modułu HART ?mówi? tradycyjnej części 420 mA, jak skalować sygnał. Dodatkowo standardowe informacje HART, takie jak jednostki fizycznych wielkości, cyfrowe zmienne procesowe, informacje alarmowe itp., powinny być łatwo dostępne dla systemu DCS ? bez specjalnej wiedzy o danym urządzeniu. Protokół HART ma uniwersalne komendy, które pozwalają uzyskać dane informacje.
Pozostałe unikatowe informacje inteligentnego oprzyrządowania, wykorzystywane do konfiguracji, kalibracji, poszukiwania błędów, konserwacji i diagnostyki, są opisane w plikach opisu urządzeń (ang. DD ? Device Description). Technologia DD została dopracowana i na jej podstawie opracowano język opisu elektronicznych urządzeń znany jako EDDL (ang. Electronic Device Description Language). Binarne pliki DD zawierają opis parametrów i funkcji, które musi znać jednostka nadrzędna, aby komunikować się z urządzeniem. Do tworzenia plików DD producenci urządzeń wykorzystują różne oprogramowanie. Narzędzia, za pomocą których odczytuje się pliki i wykorzystuje dane w nich zawarte, są uznawane za część systemu zarządzania aktywami, są zatem w centrum zainteresowania techników z działu UR.
Wielu dostawców komponentów automatyki wykorzystuje technologię FDT/DTM (ang. Field Device Tool/Device Type Manager), która pozwala przekazać jeszcze więcej znaczących informacji o urządzeniu. DTM to komponenty software?owe, które zawierają specyficzne dla urządzenia dane, funkcje i elementy logiczne. Mogą to być proste interfejsy graficzne służące do ustawiania parametrów urządzenia albo zaawansowane aplikacje, które są w stanie przeprowadzić złożone obliczenia w celach diagnostycznych i serwisowych lub nawet zaimplementować złożone funkcje na potrzeby kalibracji. W technologii DTM można tworzyć interfejsy ułatwiające komunikację z systemem lub narzędziem.
Dostawcy urządzeń są w stanie przy użyciu DTM wbudować inteligencję w swoje produkty, którą ciężko byłoby osiągnąć za pomocą plików DD ? na przykład graficzne konstruktory. Co więcej, DTM opisuje konkretny model urządzenia w konkretnej wersji, dlatego posiada wiedzę na temat każdego urządzenia w przedsiębiorstwie. Ciekawe, że przemysł automatyki tak wiele uwagi poświęca systemom zarządzania oprzyrządowaniem IAMS, gdy to DTM dostarcza użytecznej wiedzy użytkownikowi końcowemu. IAMS gromadzi dane, sortuje je i na ich podstawie nawiązuje komunikację z urządzeniami i udostępnia funkcje serwisowe technikom i operatorom.
Nad czym warto się zastanowić
Chociaż technologia FDT/DTM oferuje bardzo wiele korzyści, istnieją pewne zastrzeżenia i przestrogi, których użytkownicy końcowi powinni być świadomi. Najważniejszą kwestią jest to, że w DTM-y musi być wyposażony każdy klient danych. Użytkownik końcowy, który ma dziesięciu klientów danych i DTM-yod dziesięciu różnych producentów oprzyrządowania, musi przeprowadzić co najmniej 100 instalacji ? może więcej, jeśli jakiś producent wymaga większej liczby DTM. Biorąc pod uwagę różnorodność wersji paczek DTM, może się okazać, że sama instalacja jest nie lada wyzwaniem. Przyszła specyfikacja FDM (Rev 2.0) przewiduje możliwość załadowania DTM-ów do serwera, skąd będą przesyłane do klientów, taka funkcjonalność jest jednak dopiero planowana. Tymczasem wykorzystanie plików DD sprowadza się do prostej zasady przeczytaj, zapomnij.
Ponieważ DTM-y to nic innego, jak sterowniki działające pod kontrolą systemu operacyjnego Microsoft Windows, są zależne od jego wersji, komponentów .NET itd. Sterownik DTM działający na jednym komputerze może nie działać poprawnie na innym. Użytkownik końcowy musi być ostrożny i sprawdzić wszystkie wymagania określone przez dostawcę DTM-ów. Jeśli są wątpliwości, trzeba zrobić test.
Co więcej, czasami DTM-y w niezależnych programach konfiguracyjnych jak PactWare zachowują się inaczej niż w systemach DCS. A w autonomicznych środowiskach dostęp do urządzenia może być prosty, a pasmo nieograniczone. System DCS musi rozważnie przydzielać ograniczone pasmo, szczególnie dla urządzeń HART. DTM nie wie, w jakim środowisku pracuje, i nie umie czekać. W rezultacie wydajność pracy w środowisku DCS może być zaskakująco mała. Producenci urządzeń zaczynają zdawać sobie z tego sprawę, ale wciąż to użytkownik końcowy musi obserwować okazjonalne zakłócenia pracy.
Ostatecznie niektóre DTM-y są ?wrażliwe? i potrafią się zawiesić. Czasem zostaje zablokowany cały klient. Zwykle nie jest to sytuacja groźna, ale może być naprawdę denerwująca. Technologia DD nie jest idealna, ale w tej chwili jest bardziej dojrzała i łatwiejsza w zarządzaniu.
W ostatnich latach dużo pracy poświęcono na unifikację technologii DD oraz FDT/DTM, czego efektem jest nowy opis ? FDI (ang. Field Device Integration), tworzony przez organizację FDI Cooperation LLC, powołaną ze względu na liczne głosy użytkowników końcowych nawołujące do łatwiejszej integracji systemów automatyki. Wbrew pozorom wymaga to wielkiego nakładu pracy w całym łańcuchu produkcji inteligentnych urządzeń. Pliki DD i DTM-y nie odchodzą w zapomnienie, ponieważ wsteczna kompatybilność ma być zagwarantowana.
Wybór dla użytkowników końcowych
Wytwórcy, którzy chcą zaimplementować rozległy system zarządzania zasobami bazujący na HART, muszą dokonać wielu wyborów. Na przykład: czy w przedsiębiorstwie będzie można wykorzystywać inteligentne oprzyrządowanie podłączone do systemu sterowania, który nie w pełni wspiera HART I/O?
W przypadku większości starszych systemów DCS system zarządzania zasobami będzie musiał wykorzystywać zewnętrzne multipleksery i adaptery HART, które dostarczą cyfrowe dane HART do IAMS. Zadaniem multipleksera HART jest rozdział sygnału z oprzyrządowania. Sygnał rozdzielany jest na część cyfrową, która poprzez sieć RS-485 transportowana jest do systemu zarządzania, oraz część analogową 420 mA, która trafia do tradycyjnych wejść analogowych.
Doświadczenie pokazuje, że multipleksery HART to elastyczne i pewne w działaniu systemy działające z tysiącami urządzeń HART w jednej sieci. Multipleksery to jedyne rozwiązanie dla starych systemów DCS.
Preferowanym rozwiązaniem, dostępnym w nowoczesnych systemach DCS, są hybrydowe moduły I/O oferujące wejścia 420 mA oraz funkcjonalność HART. Informacje z obu źródeł są dostępne z poziomu sterowania. Dodatkowe zmienne (dane identyfikujące urządzenie, zakres wartości zmiennych czy stan urządzenia) mogą być uwzględnione w strategii sterowania.
Moduły I/O zgodne z HART dostarczają także dane diagnostyczne, które mogą być wykorzystane w systemie alarmów i zarządzania zasobami. Zbędne są dodatkowe urządzenia monitorujące i oprogramowanie. Alarmowanie o stanie urządzeń odbywa się albo za pomocą oprogramowania wykorzystywanego do konfiguracji, poszukiwania błędów i diagnostyki, albo w samym systemie sterowania, gdzie alarmy tego typu są grupowane i przekazywane działowi UR.
Niektórzy dostawcy komponentów automatyki opracowali odporne urządzenia nadzorujące, które komunikują się z oprzyrządowaniem HART podłączonym do zgodnych z HART modułów wejściowych lub sprzętowych multiplekserów, zdalnych I/O i modemów HART. Dzięki nim inżynierowie AKPiA (aparatury kontrolno-pomiarowej i automatyki) uzyskują możliwość zdalnego nadzoru urządzeń. Dane zgromadzone przez urządzenie są automatycznie identyfikowane i klasyfikowane, co ułatwia pracę inżynierów. Na podstawie zebranych danych urządzenie może wypełniać przygotowane wcześniej szablony, tak żeby personel mógł szybko porównywać obecną konfigurację urządzenia z poprzednią wersją, a także konfiguracje rożnych urządzeń.
System zarządzania aktywami może wykorzystywać technikę ?monitorowania multipleksu? do zbierania danych sprzed zdalnych multiplekserów pracujących w odległych sieciach. To upraszcza migrację do nowego systemu DCS, ponieważ cała działająca infrastruktura polowa może pozostać niezmieniona. Uproszczone zdolności importu/eksportu baz danych sprawiają, że proces migracji jest jeszcze łatwiejszy i mniej pracochłonny.
Perspektywy
Przedsiębiorstwa na całym świecie rozpoczęły wdrażanie programów wykorzystania danych diagnostycznych inteligentnego oprzyrządowania HART. Dostępne w polowych urządzeniach HART dane dotyczące m.in. ich kondycji są wysyłane w każdym pakiecie, dlatego personel może na bieżąco monitorować stan urządzeń. Daje to pewność, że proces działa poprawnie, a wszelkie nieprawidłowości zostaną wykryte zaraz po ich wystąpieniu… albo jeszcze przed nimi.
Pomimo trwającego rozwoju technologii inteligentnych urządzeń DD i DTM ich wartość jest w pełni uzależniona od odpowiedniego systemu zarządzania aktywami. Z perspektywy działu UR system zarządzania zgodny z HART pozwala na nadzór nad całym przedsiębiorstwem z jednego miejsca. Wiele urządzeń HART udostępnia dodatkowe informacje o swojej kondycji, które można wykorzystywać w zarządzaniu cyklem życia oprzyrządowania. Rezultat: zmniejszona ilość działań doraźnych, mniej zatrzymań awaryjnych i większa stabilność procesu.
John Yingst jest głównym menedżerem produktu w Honeywell Process Solutions.
CE