Współczesne aplikacje przemysłowe coraz częściej wymagają kompleksowego, holistycznego podejścia do kwestii zapewnienia bezpieczeństwa maszyn, osób oraz danych i sygnałów sterujących, obsługujących realizowane procesy produkcyjne. Jednym z elementów tak organizowanego systemu zabezpieczeń jest sprawna i niezawodna komunikacja sygnałów procesowych między poziomem obiektowym a systemaminadrzędnymi.
Różne są powody, ze względu na które zarządzający współczesnymi zakładami przemysłowymi poświęcają coraz więcej uwagi kwestiom bezpieczeństwa aplikacji i procesów. Jedne z najczęstszych to zmieniające się, coraz bardziej rygorystyczne wymogi norm i przepisów bezpieczeństwa dla przemysłu czy publikowane raporty na temat odnotowanych na świecie niebezpiecznych sytuacji i zdarzeń w zakładach przemysłowych, wpływających na ich kondycję materialną, rynkową itp. Zakłady przemysłowe potrzebują sprawnych i niezawodnych systemów bezpieczeństwa, obejmujących całą aparaturę, sprzęt i moduły sterujące, odpowiedzialne za przeprowadzenie maszyn i całych procesów w stan bezpieczny, w przypadku wystąpienia ponadnormatywnych zmian parametrów funkcjonowania procesów lub stanów awaryjnych.
Aby sprawnie zarządzać systemami ochrony i bezpieczeństwa procesów, również tych o krytycznym znaczeniu dla poprawności i ciągłości realizacji procesów produkcyjnych, personel zakładowy musi być odpowiednio przeszkolony i rozumieć zasady działania nowoczesnych technologii z zakresu automatyki i bezpieczeństwa, aby implementowane rozwiązania i narzędzia ochrony zapewniały jednocześnie ograniczenie kosztów ogólnych i utrzymania w ciągu całego planowanego wstępnie okresu ich użytkowania.
Wymogi procesowe i organizacyjne
Współczesne zakłady przemysłowe poddawane są ogromnej presji w zakresie poprawy procedur zarządzania procesami i bezpieczeństwem maszyn. Spełnienie coraz surowszych wymogów bezpieczeństwa pracy, ludzi i środowiska staje się zadaniem priorytetowym ? zarówno ze względów prawnych, jak i etycznych. Stąd obserwowane zjawisko rozwoju i implementacji coraz bardziej skutecznych i niezawodnych technologii oraz aplikacji zapewniających aktywną ochronę, z obsługą np. awaryjnych zatrzymań przed wystąpieniem uszkodzenia, ochroną przed uszkodzeniem ciała i zagrożeniem życia pracowników (w przeciwieństwie do ochrony biernej, zwykle ograniczającej skutki uszkodzeń czy awarii).
Projekty realizowane w tym zakresie na całym świecie obejmują coraz większą grupę zagadnień i zadań, a co za tym idzie ? są też coraz bardziej skomplikowane. Rosną też wymogi związane z szybkością reakcji układów bezpieczeństwa oraz minimalizacją czasu ewentualnych przestojów. Stąd poszukiwania nowych technik wykrywania symptomów uszkodzeń i awarii oraz procedur szybkiego rozruchu maszyn, by zakładane plany produkcyjne mogły być bezproblemowo realizowane, przyczyniając się do szybkiego zwrotu inwestycji.
W wielu specyficznych aplikacjach w przemyśle przetwórczym (na platformach wiertniczych gazu czy ropy naftowej, przy przesyle skroplonego gazu, obsłudze zbiorników i urządzeń przeładunkowych) proponując techniczne i sprzętowe rozwiązania modułów I/O czy sterowania i bezpieczeństwa, trzeba wziąć pod uwagę jeszcze inne ograniczenia: dostępność miejsca montażu, niewielka waga urządzeń i pobierana przez nie moc. W przypadku zainstalowanego sprzętu konieczne jest również zapewnienie dostępności modułów zamiennych na cały okres przewidywanej eksploatacji oraz zapasu miejsca na montaż nowych urządzeń.
W obiektach nowych szczególnie istotnym elementem jest prawidłowa i przemyślana organizacja sterowni i samych szaf sterowniczych. Dzięki temu implementacja niezbędnego sprzętu oraz funkcji systemów bezpieczeństwa i sterowania jest łatwiejsza, a powstająca architektura systemowa bardziej przejrzysta i łatwiejsza w użytkowaniu, serwisowaniu itp. Jednocześnie inżynierowie i użytkownicy takich obiektów muszą wziąć pod uwagę czas niezbędny do konfiguracji i programowania sprzętu, późniejszych zmian projektu, okresowych przeglądów i serwisu oraz redukcji połączeń kablowych czujników, przekaźników i innych urządzeń systemowych z szafami sterowniczymi. W obiektach już użytkowanych, ewentualnie modernizowanych, jednym z najistotniejszych problemów jest również dostępność zapasowych elementów i miejsca na ich montaż, nie wspominając o konieczności instalacji dodatkowych traktów kablowych przy rozbudowie systemu czy modernizacji.
Obecnie istnieje wiele sposobów organizacji i realizacji systemów sterowania i bezpieczeństwa. Mogą być one scentralizowane, rozproszone lub mieć formę mieszaną, z elementami obu tych architektur. Każde podejście ma swoje wady i zalety. Trzeba też mieć na uwadze, że w sterowaniu wieloma procesami wciąż wykorzystywane są przestarzałe rozwiązania, bazujące na wysłużonych sterownikach PLC, przekaźnikach itp. Ale ze względu na wprowadzenie nowych norm i przepisów, jak chociażby normy PN-EN IEC–61511 (Bezpieczeństwo funkcjonalne: Przyrządowe systemy bezpieczeństwa dla przemysłu przetwórczego), przedsiębiorstwa te stają przed koniecznością wymiany stosowanych urządzeń i systemów na nowe, bazujące na przyrządowych systemach bezpieczeństwa ?(SIS ? Safety Instrumented Systems). Wprowadzenie nowych rozwiązań może być również podyktowane potrzebą wdrożenia nowych funkcji bezpieczeństwa, które dotąd nie były w ogóle realizowane w systemie.
Implementacja wielopoziomowych systemów bezpieczeństwa
Zagwarantowanie bezpieczeństwa ludzi, maszyn i środowiska to priorytetowe zadanie każdego zakładu przemysłowego. Eliminacja ryzyka wystąpienia poważnych awarii czy wypadków nie jest jednak sprawą łatwą ani oczywistą. Nie ogranicza się jedynie do poprawnej implementacji sterowników czy modułów bezpieczeństwa, ale wymaga również kompleksowej analizy potencjalnych czynników mogących wpływać na obniżenie poziomu bezpieczeństwa i ochrony. To elementy tzw. holistycznego, kompleksowego podejścia do organizacji bezpieczeństwa pracy ludzi i funkcjonowania maszyn, zapewniające ustalenie obiektów i części systemu najbardziej znaczących z punktu widzenia niezawodności procesu, jego systemów sterowania i bezpieczeństwa. Konieczne jest również przetestowanie niezawodności komunikacji modułów bezpieczeństwa z poziomu obiektowego z nadrzędnymi systemami, np. wizualizacji czy akwizycji danych. Tylko przy takim podejściu uzyskuje się właściwą szybkość reakcji systemu na zdarzenia niebezpieczne wraz z przejściem urządzeń czy całych procesów w tzw. stan bezpieczny, przy jednoczesnym skutecznym poinformowaniu obsługi i rejestracji zdarzenia (oraz parametrów pracy procesu) w systemie monitoringu oraz ograniczeniu czasu przestojów wynikających z awarii czy zagrożenia bezpieczeństwa.
Najlepszą metodą podejścia do organizacji współczesnych systemów bezpieczeństwa jest strategia ochrony selektywnej, wielopoziomowej ? warstwowej (ang. defense-in-depth), zaczerpnięta wprost z branży wojskowej i informatycznej (rys. 1). Strategia ta jest zawarta we wspomnianej normie PN-EN 61511, gdzie podkreśla się, że każdy poziom ochrony ? zarówno w systemach sterowania, jak i bezpieczeństwa ? powinien być niezależny. Podstawą takiej koncepcji jest chęć zapobieżenia powstawaniu błędów systematycznych, eliminacji najpowszechniej występujących przyczyn błędów oraz wprowadzenia ochrony przed nieuprawnionym dostępem. W koncepcji warstwowej niektóre warstwy mają charakter ochronny niejako ze swej natury (np. wyłączenia awaryjne), a niektóre dedykowane są do działania tylko w przypadku wystąpienia konkretnego zdarzenia (np. systemy ochrony przeciwpożarowej, przeciwgazowej czy ostrzegania i ewakuacji). Inne z kolei warstwy mają za zadanie przede wszystkim powstrzymywać rozwój ewentualnych zagrożeń lub zapewnić ich wykrycie, ostrzeżenie i wskazać schemat postępowania w celu wyeliminowania zagrożenia lub ochrony ludzi i maszyn.
Organizacja zintegrowanych systemów
W ostatnich kilku latach jednym z największych osiągnięć technologii dedykowanych do sterowania procesami przemysłowymi jest możliwość integracji w ramach jednej platformy systemowej urządzeń obsługujących funkcje bezpieczeństwa z modułami sterowania i automatyki przemysłowej. Przesył i wzajemne powiązanie informacji z urządzeń bezpieczeństwa oraz modułów sterowania i wykonawczych przynosi znaczące korzyści i otwiera pole do organizacji nowych strategii sterowania i ochrony maszyn, urządzeń i personelu. Wiele firm działających w branży przemysłowej poszukuje najlepszych, ujednoliconych standardów służących do realizacji wspomnianego celu. Takie rozwiązanie systemowe musi spełniać wymogi norm i standardów w zakresie bezpieczeństwa przemysłowego oraz bezpieczeństwa cybernetycznego, informatycznego. Ponadto musi sprostać kryteriom wysokiej niezawodności, łatwości obsługi i serwisowania, możliwości adaptacji do zmian w architekturze systemowej, w projektach inżynierskich itp., niezwykle istotnym z punktu widzenia implementacji w aplikacjach przemysłowych.
Jak wykazują doświadczenia, najwłaściwszym podejściem w organizacji zintegrowanych systemów bezpieczeństwa jest wykorzystanie nowoczesnych modułów przyrządowych systemów bezpieczeństwa i magistrali wymiany danych między modułami sterowania oraz realizacji funkcji bezpieczeństwa. Dzięki temu możliwe jest przygotowanie dla użytkowników kompleksowych rozwiązań systemowych, których moduły sprzętowe zarówno systemów automatyki, jak i bezpieczeństwa zlokalizowane są w tych samych szafach sterowniczych, a sieć wymiany danych może być odseparowana od innych sieci teleinformatycznych czy obiektowych.
Motywacja i zaangażowanie pracowników
Wprowadzenie systemów bezpieczeństwa w zakładzie przemysłowym wymaga również wdrożenia zaawansowanych, kompleksowych programów szkoleniowych i wdrożeniowych dla pracowników (operatorów) monitorujących stan parametrów procesowych, stan maszyn i urządzeń oraz śledzących informacje o ewentualnych symptomach uszkodzeń, awarii itp. Takie całościowe podejście do działań związanych z podniesieniem kwalifikacji i świadomości pracowników wymaga nie tylko dobrego zrozumienia kwestii powiązania bezpieczeństwa procesu z działaniami i błędami ludzkimi, ale także wewnętrznych relacji między podstawowymi, najczęstszymi przyczynami awarii a reakcjami na nie ze strony systemów, urządzeń automatyki i bezpieczeństwa oraz personelu obsługi.
W praktyce zdarza się bowiem, że w architekturze wielopoziomowych systemów bezpieczeństwa często pomijana jest warstwa zdarzeń wymagających reakcji i zaangażowania pracowników obsługi. Okazuje się jednak, że to karygodny błąd ? pracownicy powinni bowiem zostać wyposażeni w odpowiednią technologię i zdobyć praktyczne doświadczenie, jak postępować w sytuacjach nadzwyczajnych czy w momencie wystąpienia awarii lub realnego zagrożenia życia ludzi, zniszczenia maszyn. Ponadto, ze względu na rotację pracowników, często ci z największym doświadczeniem kończą pracę i ich wiedza niejako przepada, dlatego pewne najistotniejsze jej elementy powinny stać się podstawą ogólnych procedur postępowania oraz dobrych praktyk, poznawanych i realizowanych przez wszystkich członków personelu zakładowego. Przykładowo operator powinien dysponować odpowiednim sprzętem, zapewniającym jego efektywną pracę, ale równocześnie umieć odpowiednio i poprawnie ocenić sytuację i zareagować na nią.
Tylko odpowiednie wsparcie sprzętowe i mentalne pracowników zapewnia uzyskanie najlepszych wyników związanych z ich działaniami w obsłudze procesów, szczególnie w przypadku zaistnienia sytuacji nadzwyczajnych i odbiegających od rutynowych procedur postępowania.
Integracja narzędzi bezpieczeństwa
Aplikacje przemysłowe to szczególnie wymagające środowisko, które w zasadzie nigdy nie jest do końca bezpieczne, nawet przy zastosowaniu najnowszych rozwiązań i narzędzi wspierających realizację funkcji bezpieczeństwa. Dlatego w modelu i strategii ochrony wielopoziomowej nie może zabraknąć warstwy fizycznej, obejmującej nie tylko poziom obiektowy, ale sięgającej również niemal do serca sterowni i szaf sterowniczych. Zintegrowane elementy warstwy fizycznej współczesnych systemów bezpieczeństwa łączą w całość różne technologie i narzędzia, które przyczyniają się do poprawy szybkości i skuteczności reakcji operatora i samych maszyn na symptomy awarii lub uszkodzeń. Coraz powszechniejsze jest również stosowanie kamer przemysłowych jako elementów monitoringu pracy urządzeń w procesach przemysłowych, a niekiedy traktowanie ich wręcz jako swego rodzaju czujników, zintegrowanych w systemie detekcji sygnałów alarmowych. Szybka obróbka obrazu wideo umożliwia bowiem stwierdzenie odstępstw od normy czy zaburzeń w funkcjonowaniu wybranych urządzeń, wyzwalając alarm lub informując o tym fakcie odpowiednie moduły systemu nadrzędnego.
Trzeba też pamiętać o zapewnieniu odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa działania samego systemu, odpowiedzialnego za ochronę procesów przemysłowych. Transmisja danych musi w nim funkcjonować niezawodnie. Dlatego na różnych poziomach hierarchii architektury systemowej konieczna jest implementacja różnych narzędzi (np. firewalli) bezpieczeństwa cyfrowego i teleinformatycznego ? poczynając od sieci nadrzędnych, biznesowych, aż po najniższy poziom obiektowy i wykonawczy.
Zastosowanie inteligentnych i bardziej elastycznych technologii
Aplikacje bezpieczeństwa procesów przemysłowych to jedno z największych wyzwań technologicznych dla zintegrowanych platform sterowania i monitoringu. I choć w ostatnich latach pojawiło się na rynku wiele różnych rozwiązań w tym zakresie, to jednak wciąż w wielu przypadkach mają one sporo ograniczeń i stanowią tylko częściowe rozwiązanie piętrzących się problemów. Tymczasem użytkownicy poszukują kompleksowych rozwiązań, z jednoczesną możliwością takiego ich skonfigurowania, by mogły sprostać konkretnym, szczegółowym wymaganiom ich aplikacji. Pojawia się również kwestia kompatybilności nowych systemów i rozwiązań technologicznych ze starszymi układami, możliwość ich integrowania i implementacji w nowych instalacjach. Ze względu na cięcia budżetowe w firmach niebagatelną rolę odgrywają również niskie koszty zakupu, implementacji i eksploatacji nowych rozwiązań systemowych.
Jednym z najważniejszych elementów infrastruktury systemów monitoringu i sterowania na poziomie obiektowym są mniej lub bardziej rozbudowane układy I/O obsługujące setki, a częściej i tysiące sygnałów wejściowych z różnego typu czujników oraz wyjściowych, kierowanych bezpośrednio do modułów wykonawczych. Dlatego właśnie moduły I/O są już tradycyjnie najważniejszą i najbardziej kosztowną grupą urządzeń. Ale producenci i dostawcy urządzeń automatyki przemysłowej wciąż pracują nad tym, by koszty i złożoność modułów I/O ograniczyć, stosując najnowsze techniki mikroprocesorowe i komunikacyjne, zapewniające integrację węzłów sieciowych w ramach tzw. sieci rozproszonych.
Wraz z wejściem na rynek elastycznych systemów I/O sygnałowych inżynierowie procesów i automatycy mogą pokusić się o głębszą i szerszą integrację fizyczną oraz funkcjonalną systemów sterowania i bezpieczeństwa, przy jednoczesnym uproszczeniu samej instalacji i struktury powstającego systemu (rys. 2). Tego typu systemy zapewniają programowanie i przeprogramowywanie kanałów We/Wy bez konieczności stosowania dodatkowych narzędzi czy modułów sprzętowych. Prowadzi to do uzyskania wysokiego poziomu elastyczności układów, obniżenia kosztów ich utrzymania, wraz ze wsparciem standardu niezawodności SIL-3 nawet w zakładach, gdzie obsługiwane moduły fizyczne znajdują się w znacznych odległościach od siebie.
Postęp i rozwój techniczny w obszarze modułów I/O stwarza możliwość swoistego ?uwolnienia? poziomu sygnałów fizycznych od ograniczeń związanych z obsługą konkretnych typów kanałów sygnałowych. Taka koncepcja organizacji zapewnia sterowanie i obsługę wielu różnych zdalnych punktów sygnałowych przez jedną scentralizowaną jednostkę, z kanałami indywidualnie konfigurowalnymi dla wszystkich typów sygnałów: wejścia analogowe i cyfrowe, wyjścia analogowe i cyfrowe. Pociąga to za sobą oszczędność w przestrzeni zajmowanej w szafkach sterowniczych, redukuje koszty instalacji i utrzymania oraz zdejmuje z użytkowników troskę o to, czy nie zabraknie kanałów sygnałowych, np. przy zmianach konfiguracji procesów itp., ponieważ ich połączenia funkcjonalne mogą być w dowolnym czasie konfigurowane i rekonfigurowane. Zakłady decydujące się na implementację omawianych rozwiązań mogą też skorzystać ze standaryzacji w zakresie organizacji szaf sterowniczych, gdyż sygnały dowolnego typu mogą być przyłączone praktycznie do dowolnego kanału sygnałowego I/O. Ułatwia to pracę inżynierów, którzy muszą jedynie ustalić, ile sygnałów wymaga obsługi i ile modułów I/O jest do tego niezbędnych.
Niektóre systemy I/O opracowywane są tak, by ułatwiać montaż i instalację połączeń przewodowych. Pozwala to między innymi na montaż modułów I/O w pobliżu lub bezpośrednio na maszynach na linii produkcyjnej bądź przetwórczej, dzięki czemu eliminuje się nadmierne ilości okablowania, korytek kablowych, paneli łączeniowych oraz dodatkowe miejsce w szafkach łączeniowych i sterowniczych. Ponadto przewody połączeń poziomu obiektowego mogą być swobodnie łączone do dowolnych wejść i wyjść sygnałowych, niezależnie od ich typu, co również przyczynia się do uproszczenia struktur połączeń, eliminuje wiele połączeń krosowych i zapewnia znacznie szybsze przeprowadzenie prac instalacyjnych i wdrożeniowych.
Jak już wcześniej wspomniano, dzięki elastycznemu podejściu do organizacji systemów We/Wy wiele późniejszych zmian w systemie sterowania i bezpieczeństwa może być prowadzonych zdalnie, bez żadnych zmian w strukturach hardware?owych na poziomie obiektowym. Prace, które kiedyś zajmowały kilka dni, a nawet tygodni, mogą być obecnie zrealizowane w ciągu kilkunastu minut lub godzin. To wszystko przekłada się na wzrost wydajności produkcji i szybkość działania procesów. Ponieważ moduły We/Wy wykorzystywane w projektach systemowych są uniwersalne, inżynierowie nie muszą już głowić się nad ich optymalnym doborem i wzajemnym łączeniem, ale jedynie nad liczbą modułów niezbędnych w danym projekcie. Najnowsze postępy rozwoju technicznego w tego typu systemach umożliwiają również ograniczenie czasu szkoleń wymaganych dla personelu obsługi. Związane jest to z uproszczeniem procedur testowania i weryfikacji poprawności i niezawodności działania modułów We/Wy w systemach z funkcjami bezpieczeństwa oraz ograniczeniem miejsc powstawania możliwych zagrożeń.
Aplikacje realizowane na poziomie obiektowym
Coraz częściej producenci i dostawcy urządzeń automatyki i bezpieczeństwa opracowują i oferują moduły I/O z zaimplementowanymi algorytmami obsługi funkcji bezpieczeństwa bezpośrednio w danym module. W ten sposób użytkownicy mogą budować rozporoszone systemy bezpieczeństwa, w których ochrona realizowana jest bliżej urządzeń procesowych, na poziomie obiektowym, nawet przy wystąpieniu problemów z komunikacją z systemami nadrzędnymi. Tego typu rozwiązania są idealne w procesach produkcji czy przetwarzania o bardzo rozdrobnionej, rozproszonej architekturze, ograniczając koszty i jednocześnie zwiększając niezawodność, efektywność i poziom bezpieczeństwa.
Na przykład w aplikacjach w sektorze wydobywczym nafty i gazu operatorzy odpowiedzialni za systemy np. na wiertniach mogą zainstalować system sterowania i bezpieczeństwa bazujący na modułach I/O oraz sterowników, z komunikacją danych z ogólnym systemem nadrzędnym, ale również działające niezależnie ? w przypadku problemów komunikacyjnych z pozostałymi jednostkami czy systemem nadrzędnym. Inny obszar zastosowań to wsparcie systemów dozoru i obserwacji rurociągów transportujących ropę czy gaz. Stosuje się tu powszechnie kamery wideo i rejestratory, które dzięki obiektowym modułom I/O oraz sygnałom z czujników mogą dostarczać pełniejsze i dokładniejsze informacje na temat ewentualnych uszkodzeń czy zagrożeń na liniach transportu.
Nowoczesne systemy bezpieczeństwa w przemyśle
Inżynierowie i menedżerowie operacyjni we współczesnych zakładach przemysłowych muszą sprostać wielu ciążącym na nich obowiązkom i wymaganiom, takim jak: zapewnienie bezpieczeństwa pracowników, zarzadzanie środowiskiem pracy, zapewnienie sprawności maszyn w procesie produkcji i przetwarzania, serwis i utrzymanie urządzeń ? a lista wciąż się wydłuża. Wyzwania te powodują przesunięcie granic możliwości parametrycznych i funkcjonalnych samych urządzeń oraz systemów sterowania i bezpieczeństwa.
Dzięki opisanym w artykule nowoczesnym rozwiązaniom technicznym możliwa jest optymalizacja tych systemów, wzajemna integracja funkcjonalna różnych platform systemowych, a co za tym idzie uproszczenie ich ogólnej architektury, zwiększenie wydajności, szybkości i niezawodności działania. To wszystko również przy redukcji kosztów instalacji, serwisowania i utrzymania w całym okresie eksploatacyjnym.
Strona główna Kontrola Procesu Nowoczesne, elastyczne moduły I/O w aplikacjach zarządzania bezpieczeństwem procesów przemysłowych