Stosowanie inteligentnych przyrządów

Wszystko, co powinieneś wiedzieć, aby wprowadzić inteligentne przyrządy do całego procesu oraz uzyskać najwyższe możliwe osiągi. Oferują wiele możliwości, pozwól im działać.
Ewolucja od prostych przyrządów pneumatycznych do zaawansowanych, inteligentnych przyrządów była spowodowana potrzebami użytkownika uzyskiwania lepszej wydajności, łatwiejszego wykonywania czynności obsługowych oraz dłuższego czasu nieprzerwanej pracy. Inteligentne przyrządy sprostały tym zapotrzebowaniom z nawiązką, aczkolwiek przy wzrastającej złożoności. Z chwilą zrozumienia działania inteligentnych przyrządów oraz po ich wdrożeniu zapłatą jest mniejsza złożoność, lepsze osiągi oraz zmniejszone koszty poprzez zgranie sterowania procesem z okresami eksploatacyjnymi systemu informacyjnego.
Istnieje stare powiedzenie, że konieczny jest pomiar procesu, aby nim sterować, i jest to dziś tak samo prawdziwe, jak było w przeszłości. Następstwem tego stwierdzenia jest to, że potrzebna jest  wiarygodna informacja dotycząca pomiaru procesu, tak aby użytkownicy czuli się wystarczająco komfortowo, jeśli chodzi o ryzyko związane z zacieśnianiem parametrów kontroli.
Na przykład, powiedzmy, że proces wymaga, aby minimalna wartość przepływu wynosiła 38 l/min.  Gdy operator nie ma zaufania do dokładności przyrządu mierzącego przepływ, może ustawić wartość przepływu na 40 l/min., tylko na wszelki wypadek, nawet jeśli nadmiar przepływu zwiększa zarówno koszt zużytego surowca, jak i koszty usuwania odpadów. Mając dokładny inteligentny przyrząd do pomiaru przepływu, któremu można ufać, operator może czuć się komfortowo, zmniejszając przepływ do 38,5 l/min., oszczędzając pieniądze poprzez zwiększenie efektywności.

Inteligentne przyrządy zmniejszają również zakłócenia i przerwy, ponieważ informują obsługę o bieżących lub zbliżających się niekorzystnych zmianach w pracy przed całkowitym uszkodzeniem przyrządu. Oczywiste awarie są łatwe do wykrycia przy użyciu większości typów urządzeń pomiarowych, lecz jedynie inteligentne przyrządy mogą wykryć nieznaczne zakłócenia, które mogą powodować niedokładność pomiarów i są często wstępem do powstania awarii.
Co czyni, że przyrząd nazywamy inteligentnym?
Definicja przyrządu inteligentnego ewoluowała przez ostatnie dekady (tabela 1). Starsze proste przyrządy były to urządzenia pneumatyczne o ciśnieniu 0,21 bara, które sterowały poprzez jednopętlowe sterowniki logiczne. Informacja była pokazywana lokalnie, często za pomocą manometrów i zwykle zapisywana ręcznie przy użyciu pióra i papieru, gdy technik wykonywał swój obchód. W przypadkach, kiedy dane wymagały automatycznego zachowania i przeprowadzenia analizy, rozwiązaniem był lokalny rejestrator wykresu.
Następnie dodano przyrządom niewielki stopień inteligencji w postaci wyjścia prądowego,  15, 420 lub 1050 mA prądu stałego, proporcjonalnego do PV (zmiennej procesu). Z chwilą kiedy dane mogły być przekazywane zdalnie, dało to możliwość wykonywania pomiarów na odległość, wyświetlania ich oraz sterowania.
Równoległy rozwój systemów sterowania z procesorami i elementami wejścia/wyjścia spowodował powstanie bardziej efektywnych środków do zbierania informacji wytwarzanej przez te przyrządy o wyjściu prądowym 420 mA, skalowania tej informacji w jednostkach technicznych miary oraz centralnego działania na podstawie tej informacji i jej zapisania. Zasilane z pętli przyrządy stały się wówczas wykonalne, umożliwiając zasilanie wielorakich przekaźników przez jedno źródło prądowe, często poprzez analogowy moduł wejścia/wyjścia.
Poważny krok do przodu nastąpił, kiedy mikroprocesory stały się wystarczająco solidne, aby je montować bezpośrednio w przyrządach polowych, umożliwiając przetwarzanie lokalnych sygnałów, oparte na technice cyfrowej. Stworzyło to coś, co można skategoryzować jako pierwsze prawdziwie inteligentne przyrządy, jako że te urządzenia mogły przetwarzać analogową zmienną prądową 420 mA w cyfrowy sygnał odpowiedni do transmisji poprzez sieć. Lokalny mikroprocesor był również zdolny do wykonywania innych zadań na poziomie przyrządu – kalibracji i diagnostyki.
Teraz, gdy inteligentne przyrządy mogły wytwarzać cyfrowe odpowiedniki zmiennej procesu (PV) oraz inne parametry, zaczęły się pojawiać sieci fieldbus. Pierwsze wśród nich były sieci wykorzystujące istniejące okablowanie sygnałów prądowych 420 mA jako fizyczne media transmisyjne, stosowane głównie dla dostępu podręcznego urządzenia do kalibracji w dowolnym miejscu na pętli prądowej 420 mA. Poza dostępem podręcznego urządzenia niektóre systemy rozproszonego sterowania uzyskały właściwości hostu dla takiej komunikacji oraz cyfrowy dostęp zmiennej procesu (PV)  wraz z danymi diagnostycznymi urządzenia.
Z czasem technologia HART (Highway Addressable Remote Transducer) zunifikowała wielorakie i niekompatybilne, specyficzne dla określonego sprzedawcy sieci, które wykorzystywały istniejące sygnały prądowe 420 mA jako medium transmisyjne. Technologia HART została umieszczona w fundacji niezależnej od sprzedawców i w końcu rozwinęła się tak, że stała się przodującym protokołem obejmującym komunikację urządzeń polowych,  uzyskując wsparcie od większości dostawców przyrządów i systemów sterowania. W wyniku tego inteligentny instrument zaczął być określanyjako ten, który działa w technologii HART.
Technologia HART miała jednak ograniczenia, potrzebne były wyższe osiągi dla wykorzystania cyfrowej wartości zmiennej procesu (PV) do sterowania w czasie rzeczywistym oraz do dostarczania więcej informacji do zdalnych hostów. Wraz ze zwiększaniem mocy mikroprocesorów zwiększyły się możliwości inteligentnych przyrządów i wkrótce były one zdolne do wytwarzania wielu wartościowych informacji, oprócz informacji o zmiennej procesu (PV), pobudzając ponadto potrzebę tworzenia bardziej wydajnych sieci.
Zaczynają się pojawiać sieci cyfrowe, specjalnie zaprojektowane do podłączania przyrządów do systemów automatyki, wśród nich główne to sieci Foundation fieldbus H1 oraz Profibus PA. Platformy te porzuciły dobrze znane rozwiązania wyjścia prądowego 420 mA i wykorzystały rozwiniętą elektronikę i standardy oprogramowania do zwiększenia prędkości, poprawienia diagnostyki i dodania nowych funkcji, takich jak wbudowane sterowanie miejscowe. Te dwie sieci, jak również inne, uzyskały uznanie gremiów standaryzacyjnych i stały się wbudowanymi opcjami komunikacji w inteligentnych przyrządach, produkowanymi przez różnych wytwórców.
Nie tak dawno pojawienie się solidnych i sprawdzonych technologii bezprzewodowych spowodowało rozwój  specyficznych dla określonego wytwórcy i opartych na standardach rozwiązań skupionych na dwustronnym przekazywaniu informacji pomiędzy urządzeniem polowym i zdalnymi punktami dostępu. Fundacja HART Communication Foundation opracowała kompatybilną z poprzednimi wersjami technologię bezprzewodową. Technologia ta została zaakceptowana przez IEC jako standard IEC 62591. Komitet ISA SP 100.11a zmierza również do zatwierdzenia standardu dotyczącego bezprzewodowej komunikacji przyrządów.
Dzisiaj inteligentny przyrząd jest na ogół definiowany jako urządzenie, które zawiera jedną lub więcej opcji cyfrowej komunikacji sieciowej. Ze względu na to, że komunikacja cyfrowa wymaga zastosowania mikroprocesora, nowoczesny inteligentny przyrząd zwykle dostarcza szeroki zakres innych możliwości.
Możliwości inteligentnego przyrządu
Sukces pomiaru opiera się na odpowiednim rodzaju technologii przyrządu, prawidłowo zastosowanej we właściwej aplikacji. Prosty przyrząd poza wejściem sygnałów ze swoich bezpośrednich czujników nie może dostrzegać żadnych innych informacji procesu. Natomiast inteligentne przyrządy mają możliwości diagnostyczne pozwalające na wykrycie błędów w instalacji lub problemów dotyczących danej aplikacji, z których każdy mógłby ujemnie wpłynąć na jakość i/lub wiarygodność pomiaru. Inteligentne przyrządy mogą również odpowiadać na zapytania lub przekazywać informację o stanie do systemu automatyki,  jak również na inne platformy pracujące w sieci.
Jednym ze sposobów odbierania informacji wytwarzanej przez inteligentny przyrząd jest interfejs operatora.  Tym interfejsem może być lokalny wyświetlacz przyrządu, lokalny podręczny interfejs  HMI (human machine interface – interfejs człowiek maszyna) lub HMI pracujący w sieci. W przeciwieństwie do lokalnego wyświetlacza zastosowanie interfejsu HMI pozwala na łatwiejszy przepływ informacji pomiędzy technikiem lub inżynierem a przyrządem.
Najwyższą klasą inteligentnych przyrządów są przyrządy wielofunkcyjne, które jednocześnie mierzą kilka zmiennych procesu (PV) poprzez  wielorakie wewnętrzne czujniki i przekazują dane cyfrowo lub bezprzewodowo. Przykładem takiego przyrządu jest przepływomierz Coriolisa, który mierzy i/lub oblicza przepływ masowy, lepkość, gęstość, temperaturę i całkowity przepływ.
Niektóre z inteligentnych przyrządów, wyposażone w protokoły komunikacyjne, takie jak HART 6+, WirelessHART lub Foundation fieldbus H1, mogą bezpośrednio wymieniać zmienne procesu (PV) pomiędzy podobnie wyposażonymi przyrządami. Te zmienne procesu (PV) są następnie wykorzystywane do wykonania na miejscu dodatkowych obliczeń, bez systemu automatyki lub dodatkowego sposobu wykonywania obliczeń. Na przykład przepływomierz wirowy (vortex) może być sprzęgnięty z przekaźnikiem ciśnienia i dawać skorygowany  przepływ energii lub też dwa przekaźniki ciśnienia względnego mogą być połączone, aby pokazywać wartość ciśnienia różnicowego.
Epoka Internetu przyniosła szeroki zakres zdolności przyłączeniowych, zarządzania informacją i możliwości dostępu. Chociaż wiele z tych technologii zostało dostosowanych do platform automatyki, tak jak w przypadku programowalnych sterowników logicznych, programowalnych sterowników automatyki oraz  systemów rozproszonego sterowania, jednak przed podłączaniem przyrządów do procesów krytycznych, poprzez Internet lub powiązane z nim technologie, muszą być uwzględnione kwestie bezpieczeństwa i zabezpieczeń.
Częściowo z uwagi na obawy związane ze sprawami bezpieczeństwa i zabezpieczeń większość zainstalowanych przyrządów ciągle przekazuje zmienne procesu (PV) do systemu automatyki poprzez tradycyjny sygnał prądowy 420 mA,  który jest przeskalowywany i wykorzystywany w systemie automatyki. Lecz cyfrowe systemy komunikacyjne, takie jak Foundation fieldbus, Profibus, i EtherNet/IP, oraz bezprzewodowe sieci jak WirelessHART są w coraz większym stopniu wykorzystywane do przekazywania cyfrowych zmiennych procesu (PV) z przyrządu bezpośrednio na platformy automatyki, eliminując potrzebę korzystania z prądowego sygnału 420 mA i związanej z tym infrastruktury wejścia/wyjścia.
Zmienne procesu (PV) określające zużycie energii, przekazujące informacje środowiskowe, monitorujące łańcuch zasilania oraz monitorujące jednostkę procesową, zwykle nie są częścią schematów sterowania w czasie rzeczywistym systemu automatyki – i z tego względu zmienne te mogą być dostarczane bezpośrednio z inteligentnych przyrządów do odpowiednich baz danych poprzez punkty dostępowe wykonane w technologii IT,  zdecydowanie upraszczając architekturę systemu automatyki i informacji.
Więcej niż zmienna procesu
Ale inteligentne przyrządy mogą robić dużo więcej niż tylko mierzyć i dostarczać zmienną procesu (PV) do wielorakich hostów. W inteligentnym przyrządzie, wraz z danymi dotyczącymi statusu przyrządu, jest tworzona jedna lub więcej przetworzonych wartości zmiennych procesu (PV), zupełnie nieprzetworzone analogowe wartości są skalowane, linearyzowane i/lub w inny sposób przystosowywane. Te przetworzone wartości zmiennych procesu (PV) wraz z danymi dotyczącymi urządzenia są cyfrowo przekazywane poprzez sieć miejscową fieldbus lub sieć bezprzewodową do systemu automatyki i/lub do innych punktów dostępowych znajdujących się w sieci.
W tabeli 2 wymieniono najważniejsze rodzaje danych, dostarczanych przez dostępne obecnie inteligentne przyrządy, oraz szczegółowe informacje dotyczące korzyści, jakie z tego można uzyskać. Na przykład dane dotyczące statusu przyrządu mogą wskazywać na wadliwą jakość danych lub stanowić ostrzeżenie. Wówczas można, na miejscu lub poprzez sieć, zastosować odpowiednie techniczne lub serwisowe narzędzia celem dalszego rozpoznania, oceny problemu oraz określenia rozwiązania. Możliwe czynności naprawcze mogą obejmować wykonanie kalibracji, zmianę konfiguracji lub wymianę przyrządu.
Wyjściowe dane pomiarowe przyrządu są oceniane na podstawie wzorców kalibracyjnych w celu potwierdzenia jakości wyniku pomiaru. Osiąga się to poprzez kalibrację przy użyciu określonego identyfikowalnego wzorca. W wielu inteligentnych urządzeniach przeprowadzenie wewnętrznego samoczynnego testu diagnostycznego, takiego jak sprawdzanie dynamiki przepływomierza Coriolisa, może wskazać, czy powinna być przeprowadzona weryfikacja kalibracji przy użyciu identyfikowalnych środków. Niektóre inteligentne przyrządy do pomiaru przepływu są wyposażone w narzędzia identyfikowalnej weryfikacji Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii (National Institute of Standards and Technology), do sprawdzania zgodności z wymaganiami normy ISO 2001 Rozdział 7.6, dotyczącymi identyfikowalnej weryfikacji i kalibracji.
Producenci inteligentnych przyrządów 420 mA, które mogą być zastosowane przy projektowaniu systemów automatyki zabezpieczeniowej (safety instrumented system – SIS) w coraz większym stopniu spełniają wymagania wytycznych IEC 61508 dotyczących projektowania urządzeń, ich wytwarzania oraz zarządzania okresem eksploatacyjnym. Projektanci systemów bezpieczeństwa często stosują normy IEC 61511, ISA oraz ANSI 84.01-2004 dotyczące zarządzania okresem eksploatacyjnym systemu bezpieczeństwa, częściowo wykorzystując normę IEC 61508 w zakresie przyrządów certyfikowanych z diagnostyką wewnętrzną.
Takie certyfikowane przyrządy mogą pomóc projektantom w osiągnięciu wymaganego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (Safety Integrity Level – SIL) dla procesu. Inteligentne przyrządy SIL mogą również przekazywać informacje dotyczące diagnostyki do narzędzi monitorowania stanu przyrządu, aby w ten sposób pomóc w wykonywaniu czynności obsługowych przyrządu.
Zastosowanie inteligentnych przyrządów wzrasta, zwiększa się ilość i złożoność informacji dotyczących diagnostyki, co wymaga unormowania rozpoznawania kodów błędów i informacji diagnostycznych. Częścią tej próby standaryzacji jest zalecenie NE107 z NAMUR, które proponuje  uszeregowanie informacji dotyczących diagnostyki, przekazywanych z inteligentnych przyrządów, w pięciu standardowych kategoriach statusu sygnału (tabela 3).
Samoczynne monitorowanie i diagnostyka błędu wewnątrz przyrządów, które spełniają zalecenie NE107, oddziela i grupuje informacje dotyczące diagnostyki w wykonywalne wskazania. Ogranicza to złożoność i zmniejsza wymagane szkolenie operatorów i techników, przyczyniając się do poprawy bezpieczeństwa i dostępności przyrządu.
Do innych narzędzi do standaryzacji dostarczania danych przez inteligentne przyrządy należą standardy określające, jak powinien wyglądać każdy rodzaj danych, jeśli chodzi o deskryptor i terminologię. Dwa główne standardy, które w tym celu są obecnie używane, to języki Electronic Device Description Language (EDDL) oraz Field Device Tool (FDT).
Rozwój przyrządów pozwalający na cyfrowe przesyłanie z dużymi prędkościami znacznych ilości danych spowodował, że stały się one prawdziwie inteligentne, dostarczają użytkownikom więcej korzyści i jednocześnie uprościło się ich wdrażanie i użytkowanie.
Od przyrządów inteligentnych do tych z zaawansowaną inteligencją
Instrumenty rozwinęły się od instrumentów prostych do inteligentnych, a zaawansowana inteligencja jest już widoczna na horyzoncie. Należy oczekiwać, że przyrządy przyszłości będą mieć wielorakie kanały komunikacyjne, każdy z wbudowanym zabezpieczeniem, bardzo podobnie do obecnie stosowanego przełącznika zarządzanego przez sieć Ethernet. Kanały te będą zarządzane przy użyciu adresowania IP i technologii serwerowej, pozwalając na to, że przyrząd stanie się prawdziwym serwerem danych.
Kanał o dużej prędkości transmisji będzie zastosowany do przekazywania zmiennej procesu (PV) do sterownika czasu rzeczywistego i będzie on miał priorytet nad wszystkimi innymi, jeśli chodzi o zasoby komunikacji przyrządu. Inne kanały komunikacji będą użyte do łączenia przyrządu bezpośrednio z aplikacjami, takimi jak monitorowanie procesu,monitorowanie wyposażenia, monitorowanie środowiskowe, zarządzanie energią, zarządzanie aktywami, przewidywanie czynności obsługowych i zaawansowana diagnostyka. To bezpośrednie połączenie będzie omijało system sterowania w czasie rzeczywistym, upraszczając ogólną architekturę systemu automatyki i informacji.
Przemysłowe standardy komunikacji bezprzewodowej, poza WirelessHART oraz ISA100.11a, mogą rozwinąć się, spełniając wymagania użytkownika, takie jak zgodność z NAMUR NE124. W miarę jak użytkownicy będą czuli się bardziej pewnie, stosując komunikację bezprzewodową jako dominujące rozwiązanie, informacja z inteligentnych przyrządów będzie coraz bardziej kierowana do bezprzewodowych punktów dostępowych, które z kolei będą bezpośrednio włączone do sterowania lub serwerów danych, sieci IT.
Frustracja projektantów systemów i końcowych użytkowników z powodu złożoności kwestii dotyczących integracji zmusza głównych producentów przyrządów i organizacje zajmujące się protokołem sieci miejscowej fieldbus do zgody w sprawie zintegrowanej specyfikacji Field Device Integration (FDI). Specyfikacja FDI będzie scalać istniejące specyfikacje EDDL oraz FDT i powinna dać prawdziwie uniwersalny schemat integracji urządzeń polowych zdolny do połączenia prawie każdego urządzenia polowego przez każdą sieć miejscową fieldbus.
Przyrządy procesowe bezpieczeństwa oparte na sieci fieldbus będą szerzej stosowane, gdyż opracowane zostało już oprzyrządowanie spełniające zalecenia dotyczące bezpieczeństwa, takie jak NE 97 oraz normy, takie jak IEC 61508-2. Przyrządy certyfikowane ze względu na bezpieczeństwo będą pracować równocześnie z zastosowaniem protokołów bezpieczeństwa dla magistrali miejscowych, takich jak CIP Safety, Foundation fieldbus SIS oraz PROFIsafe.
Łączenie wszystkich tych postępowych rozwiązań da w wyniku prawdziwie inteligentny przyrząd, który może być z łatwością włączony do systemów automatyki i informacji przyszłości. Spowoduje to, że użytkownicy będą mogli wykorzystać wszystkie zalety, jakie oferują inteligentne przyrządy:  lepsze sterowanie procesem, większa efektywność, mniejsze zużycie energii, mniejsze przestoje i wyższa jakość.
CE