Lepsze wykorzystanie danych dostępnych w systemach monitoringu i automatyki przyciąga dziś wielu klientów ? wykonawców kontraktów EPC. Dzieje się tak za sprawą postępu w technologiach bezprzewodowych i rozwoju standardów komunikacyjnych, wydłużania żywotności baterii, łatwiejszej instalacji oraz zwiększania niezawodności eksploatacyjnej. Jak dobierać czujniki bezprzewodowe do systemów sterowania?
W odpowiedzi na swoje zapytania ofertowe (RFP ? requests for proposals) klienci coraz częściej wymagają od wykonawców kontraktów typu EPC (engineering, procurement and construction ? projektowanie, dostawa materiałów i instalacja, czyli tzw. realizacja pod klucz) opcjonalnych ofert w kategorii czujników bezprzewodowych. Wykonawcy kontraktów EPC często prezentują rozwiązania bezprzewodowe dla zadań typu LSTK (lump sum turnkey ? realizacja pod klucz za sumę ryczałtową), ponieważ większe znaczenie ma w nich skrócony czas realizacji i uruchomienia niż oszczędności kosztów inwestycji. Czujniki bezprzewodowe pozwalają na obniżenie kosztów inwestycji w porównaniu do konwencjonalnych instalacji przewodowych, ze względu na zmniejszoną liczbę potrzebnych kabli, korytek, puszek połączeniowych, wsporników, złączy obiektowych oraz zredukowanie magistral rozproszonych systemów sterowania (Distributed Control System ? DCS) czy zmniejszoną liczbę paneli programowalnych sterowników logicznych PLC. Często zapewniają znaczne oszczędności przy pracach instalacyjnych i rozruchowych. Łatwo je też dodać do istniejącego systemu.
Zastosowania czujników bezprzewodowych
Rozważając implementację rozwiązań bezprzewodowych, najczęściej bierze się dziś pod uwagę identyfikację odległych lub niedostępnych lokalizacji w fabrykach ? oprócz aplikacji, które są przeznaczone tylko do celów monitoringu. Na etapie zapytań ofertowych pojawiają się więc systemy i aplikacje dotyczące następujących obiektów i zadań: zbiorników retencyjnych, stawów ściekowych, zbiorników do magazynowania wody nieuzdatnionej, zbiorników do magazynowania amoniaku, wody demineralizowanej, instalacji powietrza w zakładach przemysłowych, wody pitnej i wody w zamkniętych układach chłodzenia cieczą, zbiorników i kolumn w rafineriach, metalowych termoelementów rur kotłów, pomiarów analitycznych.
Ponadto czujniki bezprzewodowe są promowane do zastosowań w aplikacjach bezpieczeństwa, takich jak przesyłanie sygnałów zwrotnych z zaworów ciśnieniowych, pryszniców bezpieczeństwa, wzbudników itd.
Dobór czujników bezprzewodowych
Aby zdecydować się na właściwe czujniki bezprzewodowe, należy rozważyć występowanie i znaczenie dla naszej inwestycji następujących kluczowych czynników:
-> istnienie OSBL (outside battery limit) ? określenie to oznacza elementy zakładu lub fabryki, które wspierają główny proces technologiczny. Zwykle jako OSBL są traktowane obiekty potrzeb własnych (off-site facilities) w rafineriach, zakładach petrochemicznych lub produkujących nawozy sztuczne czy elektrowniach, zlokalizowane na peryferiach zakładu, w pewnej odległości od głównych sterowni. Często są one usytuowane ponad 300 m od głównej liniitechnologicznej i wymagają do zasilania przewodów o przekroju #14/16 AWG (1,312,08 mm2);
-> wysokie koszty instalacji ? prowadzenie przewodów oraz kabli zasilających i sterowniczych od tych przyrządów do szaf sterowniczych DCS/PLC zlokalizowanych na zewnątrz lub do podstacji energetycznych wymaga użycia korytek kablowych. Do usytuowania tych korytek pod legarami czy nad ziemią potrzebne są dodatkowe wsporniki, stąd niezbędne jest poniesienie dodatkowych kosztów. Ponadto wszystkie takie konstrukcje przeszkadzają w pracy dźwigów podczas realizacji prac budowlanych czy konserwacyjnych. Koszty robocizny przy układaniu korytek kablowych, przeciąganiu przewodów i kabli, a także montażu końcówek kablowych i złączy w znacznym stopniu przekraczają koszty czujników bezprzewodowych i bram sieciowych;
-> w aplikacjach, które nie są częścią żadnego podstawowego systemu sterowania w układzie zamkniętym, należy rozważyć instalację czujników bezprzewodowych, ponieważ penetracja sieci bezprzewodowej nie jest wysoka, a jej dostosowanie do aplikacji krytycznych pozostaje do zaakceptowania przez użytkowników końcowych i właścicieli fabryk;
-> czujniki pomiarowe niektórych wielkości ? takich jak ciśnienie, ciśnienie różnicowe czy temperatura ? są powszechnie dostępne w wersjach bezprzewodowych z zasilaniem bateryjnym. Kilka innych typów przyrządów, takich jak mierniki i analizatory przepływu, wymaga zasilania z sieci, jednak ich wyjścia mogą być przekształcone na bezprzewodowe za pomocą dodatkowych adapterów (co generuje dodatkowy koszt). Ten aspekt powinien być starannie oszacowany i rozważony na etapie projektowania. Należy oszacować oszczędności, które można uzyskać, gdy pomiary mogą być wykonywane w mniej kosztownych lokalizacjach;
-> aplikacje związane z optymalizacją pracy fabryki i monitoringu stanu jej wyposażenia ? ich instalację pod kątem możliwości wykorzystania technologii bezprzewodowej warto rozważyć na podstawie wymagań kontraktu lub samego inwestora. Elementami są czujniki nieszczelności zaworów bezpieczeństwa (akustyczne detektory bezprzewodowe) do wykrywania wycieków i konserwacji zaworów bezpieczeństwa, czujniki do pomiarów wibracji chłodni kominowych, gdzie mogą wystąpić trudności z dostępem oraz monitorowania osuszaczy pary w celu oszacowania warunków oddzielania skroplin.
Punkty sieci bezprzewodowej: identyfikacja, selekcja
Punkty wejścia i wyjścia (I/O) są pierwszymi identyfikowanymi w trzech kategoriach głównych, przy zastosowaniu następujących kryteriów identyfikacji:
Kategoria 1
-> punkty wskazań
-> punkty monitorowania związane z alarmem normalnym
Kategoria 2
-> punkty sterowania w układzie otwartym, niekrytyczne
-> punkty monitorowania związane z alarmami krytycznymi
Kategoria 3
-> sterowanie w układzie zamkniętym
-> pętle wyłączenia awaryjnego ESD
Wszystkie punkty kategorii 1 mogą być rozważane jako bezprzewodowe. W kategorii 2 niekrytyczne punkty sterowania w układzie otwartym i monitoringu związanego z alarmami ostrzegawczymi mogąbyć brane pod uwagę jako punkty do realizacji z technologiami bezprzewodowymi ? jednak alarmy, które wymagają natychmiastowego działania, nie powinny być tworzone jako punkty bezprzewodowe. Kategoria 3 często nie jest rozważana dla aplikacji bezprzewodowych z powodu krytycznej natury sterowania w układzie zamkniętym i systemów ESD.
[Od redakcji: redundantne systemy bezprzewodowe były już używane w pewnych krytycznych aplikacjach bezpieczeństwa z odpowiednim szacowaniem ryzyka.]
Standardy komunikacji bezprzewodowej
W przemyśle przetwórczym dwoma najpopularniejszymi standardami dla komunikacji bezprzewodowej są: WirelessHART oraz ISA 100.11a ? bezprzewodowe sieci automatyki sterującej procesami technologicznymi w przemyśle oraz aplikacjami powiązanymi.
Nie zagłębiając się w porównania zalet i wad obu standardów, z punktu widzenia wykonawcy kontraktu EPC jego wybór zależy od kilku głównych kwestii.
1. Na etapie EPC projektu inwestor często poszukuje rekomendacji dla zastosowania różnych dostępnych technologii, takich jak WirelessHart i ISA 100.11a.
2. Chociaż preferencje klienta są decydujące, to kluczowe czynniki wpływające na wybór technologii stanowią: perspektywa wykonawcy kontraktu EPC, integracja z systemem DCS i dostępność przeszkolonego personelu dokonującego uruchomienia ? kontrakty typu LSTK i projekty typu EPC są bowiem związane z karami umownymi za opóźnienia w realizacji według harmonogramu lub z premiami za przedterminową realizację. Nierzadko zapytania ofertowe dotyczące projektów typu brownfield [rodzaj bezpośrednich inwestycji zagranicznych realizowanych przez dzierżawę bądź kupno budynków ? często zdegradowanych ? lub obiektów infrastruktury przemysłowej, którym nadaje się nowe funkcje ? przyp. tłum.] zawierają preferencję integracji z istniejącą infrastrukturą systemu DCS, co jest trudniejsze m.in. ze względu na dostępność części zamiennych czy odpowiedniej przestrzeni.
3. Recenzja wymagań umieszczonych w zapytaniu ofertowym ? inwestorzy mogą wymagać zastosowania szczególnego systemu DCS lub przyrządów obiektowych pochodzących od określonego producenta, co może faworyzować jeden ze standardów.
Sprzęganie czujników z systemem sterowania
Podczas sprzęgania czujników bezprzewodowych z istniejącym w fabryce systemem sterowania należy przestrzegać kilku zasad.
-> Każdy czujnik bezprzewodowy jest związany z bezprzewodową bramą sieciową za pomocą identyfikatora (ID) i klucza.
-> Każda bezprzewodowa brama sieciowa może zwykle obsługiwać do stu punktów.
-> Bramy sieciowe mogą być ustawiane w konfiguracji simplex lub redundantnej.
-> Idealna lokalizacja dla bram sieciowych to budynek technologiczny (Process Interface Building ? PIB) lub sterownia, z ograniczeniami odległości od najbliższych czujników bezprzewodowych lub wzmacniaczy sygnału radiowego (repeater), których anteny znajdują się na szczycie budynku PIB czy sterowni.
-> Bramy sieciowe mogą być zlokalizowane wewnątrz szaf sterowniczych systemów DCS czy PLC.
Brama sieciowa komunikuje się z systemem sterowania rozproszonego za pomocą protokołu Modbus (szeregowego lub TCP/IP) i za pomocą połączenia przewodowego z odpowiednim modułem komunikacyjnym poprzez przełącznik sieciowy i firewall.
Rys. 1 pokazuje poglądowy schemat blokowy typowego systemu sieci bezprzewodowej zintegrowanej z fabrycznym systemem sterowania.
<—newpage—>Rozmieszczanie urządzeń I/O w sieci bezprzewodowej
Urządzenia bezprzewodowe grupuje się z bramami sieci bezprzewodowej według następujących kryteriów:
-> odpowiednie urządzenie lub budynek technologiczny ? należy przydzielić wszystkie czujniki bezprzewodowe odpowiednich urządzeń do odpowiadających im budynków technologicznych lub budynków podstacji, gdzie znajdują się bezprzewodowe bramy sieciowe;
-> częstotliwość skanowania ? trzeba przydzielić urządzeniom częstotliwość skanowania zależnie od stopnia krytyczności komunikacji. Wyższe częstotliwości skanowania dają szybszą walidację statusu zasobów;
-> obciążenie bramy sieciowej ? zależnie od częstotliwości skanowania w sieci bezprzewodowej i liczby punktów bezprzewodowych jedno jest wymagane do obliczenia obciążenia bramy sieciowej danego producenta. Te narzędzia są łatwo dostępne na stronach internetowych większości producentów;
-> filozofia rezerwy ? należy rozważyć o 20% większą obciążalność bramy sieci bezprzewodowej;
-> warto przemyśleć stworzenie oddzielnych bram sieciowych dla czujników bezprzewodowych dostarczonych przez dostawców pakietu.
Walidacja projektu sieci bezprzewodowej
Sprawą zasadniczą jest przeprowadzenie walidacji fabrycznej sieci bezprzewodowej za pomocą realnych, fizycznych współrzędnych lokalizacji urządzeń bezprzewodowych, co pozwoli uwzględnić istniejące przeszkody, takie jak przebieg rur czy obecność innych konstrukcji. Dostawcy urządzeń bezprzewodowych dysponują narzędziami programowymi służącymi do walidacji projektowanych sieci bezprzewodowych przez wprowadzenie współrzędnych x, y, z dla każdego z urządzeń bezprzewodowych, bram sieciowych, anten i przeszkód fizycznych. Programy te po uruchomieniu sprawdzają, czy urządzenia bezprzewodowe są w zasięgu odpowiednich bram sieciowych oraz identyfikują punkty braku zasięgu (pinch points). Narzędzia te mogą także zalecać instalację wzmacniaczy sygnału w celu zwiększenia zasięgu sieci bezprzewodowej.
Działania walidacyjne powinno się wykonać po zrealizowaniu modelu sieci w 60% i gdy wykonano modelowanie rozmieszczenia urządzeń bezprzewodowych lub są one dostępne dla celów walidacji.
Rys. 2 pokazuje typowy obraz graficzny walidacji sieci bezprzewodowej, wygenerowany przez odpowiednie oprogramowanie. Dla walidacji bram sieciowych wymagane są następujące dane: plan fabryki, lokalizacja bram sieciowych oraz anten, odległość od najbliższych urządzeń bezprzewodowych, liczba sąsiednich urządzeń wyrażona w procentach, urządzenia izolowane, przeszkody konstrukcyjne na drodze rozchodzenia się fal radiowych.
Graficzny wynik walidacji programowej pokazuje punkty braku zasięgu, w których urządzenia bezprzewodowe nie są pokryte zasięgiem przypisanej im bramy sieciowej. Punkty braku zasięgu usuwa się za pomocą dodania do sieci wzmacniaczy sygnału umieszczanych w strategicznych lokalizacjach. W niektórych ofertach, specyficznych dla danego dostawcy, zwykłe bezprzewodowe czujniki ciśnienia mogą być konfigurowane jako wzmacniacze.
Najlepsze praktyki projektowania sieci bezprzewodowych
Dotyczą one następujących aspektów:
-> sieci bezprzewodowe powinny obejmować swoim zasięgiem jedno urządzenie technologiczne w budynku typu PIB;
-> bramy sieci bezprzewodowej powinny być umieszczane na terenie budynku technologicznego;
-> w skutecznym zasięgu jednej bramy sieciowej należy sytuować minimum pięć czujników bezprzewodowych;
-> w sieci bezprzewodowej mającej ponad 25 urządzeń każde pięć powinno komunikować się bezpośrednio z bramą sieciową. Jeśli liczba urządzeń jest mniejsza od 25, mogą być wymagane dodatkowo wzmacniacze sygnału. Na etapie projektowania należy oszacować potrzebę dodania wzmacniaczy, ich liczbę i lokalizację;
-> w dużych sieciach w zasięgu jednej bramy powinno się znajdować 25% czujników bezprzewodowych. W pewnych sytuacjach liczba ta może być zmniejszona do 10%;
-> przy każdym czujniku bezprzewodowym powinny się znajdować trzy sąsiadujące. Pozwala to na wykorzystanie technologii samoorganizujących się sieci kratowych, wdrożoną w IEC 62591, w standardzie WirelessHART;
-> zasięg skuteczny jest wyznaczony przez typ urządzenia technologicznego oraz gęstość infrastruktury. Na etapie prac inżynierskich najlepszą praktyką jest zasilanie bezprzewodowego czujnika obiektowego w założonych zasięgach na podstawie jego otoczenia, zamiast wykorzystywania maksymalnego zasięgu urządzenia.
Zasadniczo otoczenie urządzeń technologicznych dzieli się na cztery typy.
1. Z ciężkimi przeszkodami ? 30 m. Jest to typowe środowisko fabryczne o dużej gęstości obiektów, w którym nie mogą poruszać się wózki widłowe czy inny sprzęt.
2. Ze średnimi przeszkodami ? 75 m. Są to mniej zagęszczone obszary technologiczne, w których znajduje się dużo miejsca pomiędzy sprzętem a infrastrukturą.
3. Z lekkimi przeszkodami ? 150 m. Typowe dla magazynów zbiornikowych. Podczas gdy same zbiorniki są dużymi przeszkodami, to duża przestrzeń pomiędzy i nad nimi sprzyja dobrej propagacji fal radiowych.
4. Bez przeszkód (w polu widzenia anten) ? 225 m. Anteny do urządzeń są montowane nad przeszkodami, a kąt zmiany nachylenia otoczenia jest mniejszy niż 5 stopni. Niektórzy dostawcy urządzeń zgodnych ze standardem WirelessHART dostarczają też opcje i rozwiązania techniczne do aplikacji działających na większe odległości.
Projekt sieci bezprzewodowej powinien mieć formę graficzną i uwzględniać następujące elementy:
-> graficzny dokument pokazujący, że sieć bezprzewodowa została zaprojektowana zgodnie z zasadami projektowania;
-> w sieci nie powinno być punktów braku zasięgu;
-> w pobliżu każdego urządzenia muszą się znajdować co najmniej dwa inne, aby zapewnić niezawodność działania (rezerwa w ścieżkach komunikacyjnych). W przypadku zainstalowania tylko dwóch urządzeń w sieci powinno się dodać do niej wzmacniacz sygnału. Zastosowanie wzmacniaczy, ich liczbę i lokalizację określa się na etapie szczegółowego projektowania;
-> gdy zachodzi potrzeba wzmocnienia zasięgu sieci lub uniknięcia punktów braku zasięgu, należy zanotować liczbę wzmacniaczy sygnału.
Wskazówki końcowe
Podsumowując, warto podkreślić, że czujniki bezprzewodowe są świetną opcją w przypadku odległych i niedostępnych lokalizacji. Mogą się przyczynić do redukcji czasu instalacji i rozruchu systemu. Maksymalne korzyści z zastosowania technologii bezprzewodowej transmisji danych można zaobserwować podczas realizacji projektów w obszarach, gdzie koszt robocizny jest wysoki. Z praktyki wynika, że dobrymi kandydatami do wykorzystania czujników bezprzewodowych i wdrożenia technologii bezprzewodowej są wszystkie aplikacje do monitoringu. Zrozumienie wymagań klienta przez szczere i rzeczowe dyskusje może pomóc w wyborze odpowiedniej technologii i interfejsu systemu hostującego.
Współdziałanie dostawców, wraz ze sporządzeniem na etapie projektowania wstępnych schematów orurowania i oprzyrządowania(Piping and Instrumentation Diagram ? P&ID) mogą pomóc w identyfikacji odpowiednich aplikacji dla technologii bezprzewodowej, tak więc projekt sieci bezprzewodowej może być częścią początkowych projektów oprzyrządowania.
Zasadniczą sprawą jest też, aby w połowie etapu projektowania zaangażować dostawców czujników bezprzewodowych do walidacji sieci bezprzewodowej przy wykorzystaniu modelu 3D ? w celu usunięcia wszelkich punktów braku zasięgu i finalizacji lokalizacji bram sieciowych, anten i wzmacniaczy sygnału.
Autorzy: Ravi K. Tata jest głównym inżynierem, natomiast Kalluri Anjaneyulu ? kierownikiem nadzorującym grupy inżynierskiej firmy Bechtel India.
Tekst pochodzi z nr 5/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
