Polski programowalny ustawnik pozycyjny

Ze względu na istotne różnice w rozwoju i poziomie technologii otwarcie gospodarki polskiej na rynki światowe w 1989 r. wywołało z jednej strony wstrząs, a z drugiej wyzwoliło silny impuls prorozwojowy. Stało się jasne, że przedsiębiorstwa, które nie będą w stanie sprostać konkurencji światowej, będą eliminowane z rynku. Świadomość tego faktu miał zarząd i pion rozwoju ówczesnych Zakładów Automatyki Przemysłowej MERA-PNEFAL w Falenicy. Firma o wieloletniej tradycji w branży automatyki przemysłowej była wówczas potentatem w skali RWPG. Była ona także nie tylko producentem elementów automatyki, takich jak: regulatory pneumatyczne i elektroniczne, pneumatyczne i elektropneumatyczne ustawniki pozycyjne, przetworniki ciśnienia, ale także dzięki prężnemu działowi projektowemu była dostawcą generalnym wyspecjalizowanym w zakresie dostaw kompleksowych urządzeń automatyki, zwłaszcza dla energetyki, cukrowni i zakładów kwasu siarkowego. Naturalnym zapleczem naukowym dla MERY-PNEFAL były: Ośrodek Badawczo-Rozwojowy w Warszawie oraz Instytut Automatyki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Początek lat 90. XX wieku zaowocował szybkim rozwojem sieci przemysłowych i inteligentnych urządzeń pomiarowych i wykonawczych. MERA-PNEFAL produkowała już wówczas, na licencji firmy Rosemount, inteligentne przetworniki ciśnienia z interfejsem komunikacyjnym HART. W 1995 r. z inicjatywy ówczesnego dyrektora ds. rozwoju Mery-Pnefal mgr. inż. Andrzeja Golby, po gruntownej analizie rynku krajowego doszło do podpisania i realizacji wspólnego projektu z ówczesnym Instytutem Automatyki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej w zakresie projektu i wdrożenia pierwszego polskiego programowalnego ustawnika pozycyjnego. Ze strony Instytutu Automatyki i Robotyki rozmowy prowadził ówczesny jego dyrektor prof. dr hab. inż. Wiesław Niewczas. W myśl założeń projektu wdrożenie ustawnika pozwoliłoby na stopniowe zniwelowanie przepaści w tym segmencie produkcji dzielącej wówczas nasz kraj od zachodnich technologii.
Ustawnik pozycyjny
W układach automatyki przemysłowej tradycyjnie stosowany jest podział urządzeń na: obiekty sterowania, układy sterujące, układy pomiarowe i elementy wykonawcze. Elektropneumatyczny ustawnik pozycyjny jest istotnym elementem składowym elektropneumatycznych elementów wykonawczych. Typowy elektropneumatyczny element wykonawczy składa się z: siłownika pneumatycznego o ruchu liniowym lub obrotowym, ustawnika pozycyjnego i zaworu sterującego (rys. 1). Tłoczysko siłownika, przestawiając położenie zespolonego z nim grzyba zaworu sterującego względem gniazda zaworu, umożliwia sterowanie strumieniem medium przepływającego przez zawór. Zadaniem ustawnika pozycyjnego jest takie sterowanie siłownika pneumatycznego, by pozycja grzyba zaworu była zależna wyłącznie od sygnału sterującego i niezależna od wielkości wpływających, takich jak: temperatura pracy, wahania ciśnienia powietrza zasilającego ustawnik, zmiana obciążenia statycznego i dynamicznego tłoczyska siłownika, wynikającego z obciążeń hydrostatycznych i hydrodynamicznych przepływającego medium, tarcia mechanicznego i ewolucji sił tarcia w czasie.
Z punktu widzenia opisu symbolicznego, element wykonawczy jest elementem, którego rola polega na przekształceniu postaci fizycznej i mocy sygnału sterującego generowanego przez układ sterowania do postaci i mocy wymaganej przez urządzenia wykonawcze instalowane w obiektach regulacji. Może być zatem traktowane jako swoisty interfejs instalowany pomiędzy układami sterującymi i sterowanymi obiektami. Istotne jest to, że ostatecznie właściwości statyczne i dynamiczne elementu wykonawczego są kształtowane przez ustawnik pozycyjny. W istocie ustawnik pozycyjny jest wyspecjalizowanym, autonomicznym i wbudowanym układem regulacji położenia tłoczyska siłownika. Od idealnego elementu wykonawczego wymaga się między innymi powtarzalnej i programowalnej bezhisterezowej charakterystyki statycznej oraz aperiodycznej odpowiedzi na wymuszenie skokowe z minimalnym czasem regulacji. Realizacja tego typu wymagań w zasadzie stała się możliwa tylko dzięki zastosowaniu programowalnych ustawników pozycyjnych. Należy zaznaczyć, że ze względu na fizyczne umiejscowienie ustawnika w elemencie wykonawczym,jest on narażony na oddziaływanie niekorzystnych warunków środowiskowych, takich jak skoki termiczne, wysoka lub niska temperatura pracy, drgania i wibracje, wysoka wilgotność względna, silne zapylenie, oddziaływanie korozyjne środowiska pracy i zaburzenia elektromagnetyczne.
Pierwszy polski inteligentny ustawnik programowalny A-785
W 1995 r. rozpoczęła się realizacja projektu pierwszego polskiego ustawnika pozycyjnego. Zadania projektowe zostały podzielone w taki sposób, że za część mechaniczną i przetwornik elektropneumatyczny odpowiadała firma Mera-Pnefal, natomiast za część elektroniczną, pomiarową, algorytmiczną i programową – Instytut Automatyki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Projekt realizowany był przez trzy lata. W 1998 r. do Biura Patentowego RP zostało złożone zgłoszenie patentowe. Patent pt. „Elektropneumatyczny ustawnik pozycyjny” został udzielony w 2003 r. Pierwsze wdrożenia przemysłowe zostały zrealizowane w 1998 r. w Zakładach Azotowych w Tarnowie i Cukrowni „Lublin”. Kolejne aplikacje przemysłowe dotyczyły zastosowań w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych, przemyśle hutniczym, piwowarskim, spożywczym, chemicznym, petrochemicznym i farmaceutycznym. Liczne aplikacje przemysłowe pozwoliły na ocenę właściwości eksploatacyjnych tego ustawnika. W 1999 r. ustawnik zdobył złoty medal na międzynarodowych targach automatyki „Automaticon” w Warszawie. To prestiżowe wyróżnienie stało się impulsem do podjęcia dalszych prac nad rozwojem ustawnika. Ustawnik A 785 został zaprojektowany do współpracy z siłownikami jednostronnego działania. Ustawnik sterowany był z pętli prądowej 4-20 mA, co czyniło go kompatybilnym z klasycznymi ustawnikami elektropneumatycznymi. W 1999 r. opracowano ustawnik pozycyjny oznaczony symbolem A-708 przeznaczony do współpracy z siłownikami dwustronnego działania. Pozwoliło to na poszerzenie obszaru potencjalnych zastosowań. Cechę kompatybilności elektromagnetycznej ustawnik uzyskał już w 1999 r. Badanie kompatybilności elektromagnetycznej było konieczne ze względu na wymagania stawiane przez odbiorców. Okazało się, że wymagania odpowiednich norm europejskich (np. związanych z zaburzeniami typu burst lub surge czy odporności na zaburzenia promieniowane i radiowe w paśmie do 1 GHz są zbyt optymistyczne w stosunku do poziomu zaburzeń rzeczywiście występujących w polskim przemyśle. Stąd konstrukcja części elektronicznej została odpowiednio wzmocniona, tak aby wymagania tych norm były spełniane z co najmniej 100-procentowym naddatkiem. Pozwoliło to na zastosowanie ustawników A-785 w takich miejscach, w których nie było np. możliwe zastosowanie ustawników innych znanych firm zagranicznych.
Ustawnik programowalny A-787
W 2000 r. w doszło do fuzji Zakładów Elementów Automatyki w Ostrowie Wielkopolskim i MERA PNEFAL w Falenicy. W wyniku tej fuzji powstała wspólna firma o nazwie Controlmatica ZAP-Mera Pnefal z siedzibą w Ostrowie Wielkopolskim. W związku z tym produkcja ustawników została przeniesiona z Falenicy do Ostrowa Wielkopolskiego. Wkrótce okazało się, że ze względów ekonomicznych konieczna była modernizacja konstrukcji ustawnika A-785. W wyniku prac modernizacyjnych opracowano ustawnik o symbolu A 787. Ustawnik ten wyposażony został w nowy piezoelektryczny przetwornik elektropneumatyczny o dużej trwałości eksploatacyjnej oraz w nowe oprogramowanie o zredukowanej liście instrukcji. Dzięki temu ustawnik ten był chętniej akceptowany przez użytkowników, którzy spotykali się z nim po raz pierwszy. Pod względem mechanicznym pomiędzy obu ustawnikami nie wprowadzono żadnych istotnych różnic.
Ustawnik programowalny PW-004
Ustawnik pozycyjny może być traktowany jako autonomiczny układ regulacji nadążnej. Ustawnik realizuje funkcję nadążania położenia tłoczyska siłownika za sygnałem wartości sterującej CV generowanej przez system sterowania.
Sygnałem sprzężenia zwrotnego w układzie pozycjonera jest sygnał przemieszczenia tłoczyska siłownika. Pomiar tego przemieszczenia realizowany jest w układzie elektromechanicznym składającym się zarówno z części mechanicznej (mechanizm translacji przemieszczenia), jak i elektrycznej (przetwornik wielkości mechanicznej na elektryczną). Obie części toru sprzężenia zwrotnego narażone są na uszkodzenia. Prawdopodobieństwo uszkodzenia toru sprzężenia zwrotnego ustawnika pozycyjnego jest relatywnie wysokie, gdyż ustawniki pracują często w warunkach wysokiej temperatury, wysokiej wilgotności względnej, wysokiego stopnia zapylenia (rys. 2), w środowiskach agresywnych chemicznie (rys. 1), a także w warunkach silnych drgań i wibracji. Ciężkie warunki pracy mogą doprowadzić do uszkodzenia toru sprzężenia zwrotnego. Uszkodzenie tego toru prowadzi w wielu przypadkach do utraty sterowalności procesu, co z kolei prowadzi do strat w jakości produktu finalnego, obniża wskaźniki ekonomiczne, a w skrajnych przypadkach prowadzi do zagrożenia procesu oraz zdrowia i życia personelu.
Zmniejszenie zagrożeń wynikających z zaistnienia uszkodzeń toru sprzężenia zwrotnego ustawników pozycyjnych stało się tematem zadania badawczego pt. „Inteligentny ustawnik pozycyjny z wbudowaną funkcją tolerowania uszkodzenia toru pomiarowego”, realizowanego przez dwa lata począwszy od 2005 r. przez Instytut Automatyki Przemysłowej Politechniki na zlecenie Instytutu Eksploatacji Technologii Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. W wyniku tej pracy zaprojektowano (rys. 3) i zrealizowano prototypy inteligentnych ustawników pozycyjnych, które zostaływdrożone i przetestowane w dwóch polskich zakładach przemysłowych (jeden z branży elektroenergetycznej i drugi z branży spożywczej). Nowatorskie rozwiązania zastosowane w konstrukcji tego ustawnika zostały zgłoszone do Urzędu Patentowego RP.
Ustawnik programowalny APIS 100
Pod koniec 2007 r. zainteresowanie wprowadzeniem do programu produkcyjnego ustawnika pozycyjnego wyraziła firma APLISENS z Warszawy. Jest to uznana firma krajowa specjalizująca się zwłaszcza w produkcji przemysłowych przetworników ciśnienia. Wejście na rynek ustawników pozycyjnych otwierało nowe pole działalności firmy. W pracach nad projektem ustawnika w firmie APLISENS zostało wykorzystane doświadczenie twórców ustawnika PW-004.
Pierwszy sygnalny egzemplarz ustawnika inteligentnego przeznaczonego do współpracy z siłownikami membranowymi jednostronnego działania o nazwie APIS 100 (rys. 4) został przedstawiony na międzynarodowych targach automatyki AUTOMATICON w Warszawie w kwietniu 2008 r.
W 2008 roku w firmie APLISENS kontynuowane były dalsze prace badawcze i rozwojowe związane z wdrożeniem ustawników do produkcji. W lipcu 2008 r. rozpoczęto testy przemysłowe ustawników. Testy te były realizowane wyłącznie na obiektach pracujących w wyjątkowo ciężkich warunkach pracy, o dużym stopniu zagrożenia uszkodzeniami. Testy były przeprowadzane między innymi w Elektrowni Kozienice i PKN Orlen w Płocku. W styczniu 2009 r. firma APLISENS wyprodukowała pierwszą partię informacyjną ustawników, a od marca 2009 r. ustawniki są już produkowane seryjnie i oferowane do sprzedaży. Odbiorcami ustawników są firmy z branż: chemicznej, elektroenergetycznej i spożywczej. W grudniu 2009 r. firma APLISENS planuje uruchomienie produkcji ustawników APIS w wersji iskrobezpiecznej, zgodnej z wymaganiami normy ATEX. W fazie testów przemysłowych znajdują się również ustawniki serii APIS 200 przeznaczone do współpracy z siłownikami dwustronnego działania. Firma APLISENS rozpoczęła również prace konstrukcyjne związane z przygotowaniem wersji ustawnika APIS z interfejsem komunikacyjnym zgodnym ze specyfikacją sieci przemysłowej HART.
Z perspektywą na sukces
Wprowadzenie każdego nowego produktu na rynek jest przedsięwzięciem długotrwałym i ryzykownym. W jakimś sensie, dla zwiększenia szans powodzenia rynkowego, każdy nowy produkt musi zachować pewną równowagę pomiędzy innowacyjnością i konserwatyzmem. W stosunku do ustawników żąda się przede wszystkim bardzo wysokiej niezawodności eksploatacyjnej. Z licznych opinii wynika, że ustawnik powinien charakteryzować się minimum pięcioletnim okresem międzyawaryjnym. Doświadczenie pokazało również, że poziom wymagań formułowanych w odpowiednich normach europejskich, które warunkują dopuszczenie ustawników do obrotu, jest zbyt łagodny, zważywszy na realia polskiego przemysłu. Dobre urządzenia powinny spełniać wymagania tych norm z bardzo wysokim nadmiarem. Dla przykładu ustawniki APIS 100 spełniają wymagania norm dotyczących odporności na zaburzenia elektromagnetyczne w przybliżeniu ze 100-procentowym nadmiarem. Pozwala to na ich zastosowanie nie tylko w trudnych warunkach pracy, ale także wszędzie tam, gdzie nie mogą być stosowane ustawniki innych firm, które co prawda spełniają wymagania odpowiednich norm, ale takiej odporności nie mają. Realizacja takich konstrukcji wymaga wieloletnich doświadczeń konstrukcyjnych. W tym miejscu należy zaznaczyć, że ustawnik A-785 należał historycznie do pierwszej grupy urządzeń krajowych, które przeszły pomyślnie proces badań na kompatybilność elektromagnetyczną. Badania te były realizowane jeszcze wówczas, gdy w Polsce nie obowiązywały jeszcze przepisy europejskie w tym zakresie. Warto zaznaczyć, że sukcesu polskiego ustawnika pozycyjnego można upatrywać w wieloletniej harmonijnej współpracy uczelni technicznej z producentami i czynnym wspomaganiu konsultacyjnym potencjalnych odbiorców ustawników.
Michał Bartyś jest adiunktem w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej