Więcej niż pomiar

Jak skomplikowana analiza sygnałów i zaawansowane aplikacje pomiarowe rozszerzają możliwości systemów pomiarowych.
Od ponad 100 lat aparatura procesowa zapewniała podstawowe pomiary stanu i fizycznych właściwości procesu, pozwalając na realizację zadań automatycznej kontroli. Mierzymy ciśnienie, aby sterować ciśnieniem, mierzymy temperaturę, aby kontrolować temperaturę. W latach 30. ubiegłego wieku inżynierowie firmy Foxboro wymyślili czujnik różnicy ciśnień i dodając pomiar przepływu do zbioru mierzonych zmiennych procesowych, zmienili znacznie możliwości kontroli procesu.
Pomiar przepływu z dokładnością wymaganą dla skutecznej regulacji procesu wymaga analizy znacznie większej ilości danych. Oprócz temperatury i ciśnienia potrzebna jest wiedza o właściwościach cieczy, przekroju i materiale, z którego zrobiona jest rura, określenie rozmiaru otworu, przez który przepływa ciecz, oraz o wszystkich zwężeniach, kolankach itp. A kiedy określimy już wszystkie te, niezbędne do wyboru właściwych urządzeń do właściwej aplikacji, parametry, w dalszym ciągu mamy do dyspozycji cztery do pięciu różnych urządzeń i co najmniej dwadzieścia różnych opcji. I jeszcze nie koniec. Musimy wiedzieć, jak zainstalować te urządzenia, aby poprawnie pracowały, wykorzystać praktyczne wskazówki bądź dokładne obliczenia odnośnie wpływu zainstalowanego urządzenia na pracę instalacji.
Projektując linię produkcyjną, zazwyczaj rozpoczyna się od przyjęcia pewnych założeń odnośnie wielkości produkcji. Przyglądając się projektowaniu przez pryzmat modelowego cyklu pracy fabryki, fazy projektowania, budowy, pracy i optymalizacji procesów, w fazie projektu należy określić, jakie i w jakiej ilości będą potrzebne urządzenia pomiarowe, aby prawidłowo i z odpowiednią dokładnością kontrolować proces. Wiele pomiarów będzie dotyczyło przebiegu procesu, ale część z nich będzie odnosiła się bezpośrednio do produktu. Projektanci często ograniczają ich liczbę, obniżając tym samym koszty instalacji, wychodząc z założenia, że w razie potrzeby będą mogły zostać dodane w późniejszym czasie. Jest to podejście prawidłowe, pod tym jednak warunkiem, że dotyczy jedynie mało skomplikowanych pomiarów. Niestety coraz częściej zaawansowane układy sterowania i pomiarów – szczególnie pomiarów przepływu – znacznie rozszerza wachlarz możliwych i koniecznych do zaimplementowania urządzeń.
Obecnie mamy możliwość gromadzenia znacznie większej ilości danych dotyczących przebiegu procesu. W tej sytuacji dlaczego by np. nie zbudować układu pomiaru jakości rektyfikacji? Możemy obliczyć ten wskaźnik, wykorzystując zaawansowane oprogramowanie łączące bieżące dane pomiarowe i fizyczne właściwości procesu w model, jaki został użyty w fazie jego projektowania. Takie zaawansowane pomiary łączą funkcjonalność zaawansowanych narzędzi programistycznych oraz stosowanych obecnie urządzeń i metod pomiarowych. Zaawansowane użycie czujników przepływu do pomiaru alkilowania kwasu fluorowodorowego (HF), ilości przepompowanego oleju czy bieżącego wydobycia ilości oleju i gazu ilustrują różnorodność sposobów opracowania wyników pomiarów.
Pomiary bezpieczne i tanie
Alkilacja kwasu fluorowodorowego jest dobrym przykładem zaawansowanych, a przy tym potencjalnie bardzo opłacalnych, metod pomiarowych. Kwas fluorowodorowy jest powszechnie używanym w przemyśle paliwowym katalizatorem, a precyzyjna analiza ilości recyklującego kwasu pozwala maksymalizować cel sterowania i zarazem zysk z produkcji. Pierwsze metody analizy polegały na ręcznym pobieraniu próbek, które następnie były poddawane badaniom laboratoryjnym. Jednakże takie podejście cechuje się ograniczoną dokładnością pomiaru, a dodatkowo eksponuje pracowników laboratoriów na działanie toksyn. Z kolei jedna z ostatnich technik analizy FTNIR (ang. Fourier Transform Near Infrared) jest bardzo dokładna, niestety bardzo droga, a jej wykorzystanie w systemie stałego monitoringu (on-line) bardzo skomplikowane. Dlatego lepszym rozwiązaniem jest zastąpienie konwencjonalnego ręcznego pobierania próbek czy analizy FTNIR przez system pomiarowy monitorujący poziom HF na podstawie różnicy wskazań działających online rozproszonych sensorów.
Chociaż opisywana metoda jest nowa, to wykorzystuje oprzyrządowanie dostępne na rynku od wielu lat. Zaawansowane oprogramowanie pozwala przeprowadzić analizę, której wyniki są analogiczne z tymi uzyskiwanymi przez tradycyjne badania FTNIR. To oprzyrządowanie i sposób kontroli poprzez ograniczenie wystąpienia korozji, pozwala ograniczyć koszty bieżącej eksploatacji systemu, a eliminacja ekspozycji pobieranych próbek zmniejsza negatywne ich oddziaływanie na środowisko i personel laboratorium.
Dokładny pomiar bunkrowanego paliwa
Połączenie przepływomierzy Coriolisa i zaawansowanych aplikacji programowych pozwala na dokładną kontrolę ilości przepompowywanych paliw. Większość paliwa bunkrowego jest dostarczana na statki barkami. Pęcherzyki powietrza uwięzione w lepkim paliwie sztucznie zawyżają jego ilość. Zwyczajowy sposób pomiaru ilości dostarczonego paliwa polega na pomiarze zanurzenia barki przed i po przetoczeniu paliwa i przeprowadzeniu szeregu obliczeń pozwalających oszacować masę paliwa. Przepływomierze Coriolisa stanowią sensowną alternatywę tej metody pomiaru.
Dokładność pomiaru przepływomierzem Coriolisa zależy od dokładności pomiaru oscylacji rurki, które z kolei zależą od czterech czynników: gęstości płynu, zrównoważenia rurek, tłumienia powodowanego przez sam płyn oraz skuteczności odizolowania rurek od środowiska zewnętrznego.
Pogorszenie choćby jednego z powyższych czynników znacznie obniża dokładność pomiaru, szczególnie przy pojawieniu się przepływu dwufazowego. W konsekwencji przepływomierze Coriolisa nie nadają się do pomiaru przepływu płynów zawierających nawet niewielkie ilości gazów, nawet poniżej 2% ich objętości. Jest to szczególnie kłopotliwe dla obsługujących procesy wsadowe, gdzie niezawodny pomiar przepływu decyduje o opłacalności produkcji, ale przy tym, gdzie często niezbędne jest rozpoczęcie procesu z pustymi bądź jedynie częściowo zapełnionymi rurkami.
Zaawansowane cyfrowe przepływomierze Coriolisa wszystko to zmieniły. Mikroprocesory przeprowadzają zaawansowaną obróbkę sygnałów, dostarczając rzetelnych danych o przepływie masowym i gęstości, zapewniając niezawodną pracę przy przepływie jedno- i dwufazowym, czyli w warunkach spotykanych często przy przepompowywaniu paliwa bunkrowego.
Pomiar ilości ropy i mokrego gazu
Nowa generacja zaawansowanych aplikacjipomiarowych rozszerza pomiary przepływu dwufazowego na wielofazowe co pozwala na dokładny pomiar ilości wypompowywanej ropy i mokrego gazu.
Obecnie większość pomiarów ilości produktu pobieranego z danego odwiertu wykorzystuje separatory gazu i cieczy. Oddzielają one gaz od cieczy i wody, a następnie dokonują pomiaru ilości każdej z tych substancji. Separatory są jednak urządzeniami bardzo drogimi zarówno w zakupie, jak i w eksploatacji. Muszą zostać wyposażone w dodatkowe zbiorniki dla każdej z oddzielonych substancji oraz urządzenia pozwalające na ponowne wpompowanie odseparowanej wody. Dodatkowo dostarczane przez nie dane dostępne są raz dziennie, a optymalnym rozwiązaniem byłby oczywiście pomiar ciągły.
Zaawansowane aplikacje pomiarowe wykorzystujące przepływomierze Coriolisa i specjalistyczne oprogramowanie pozwalają na bezpośredni pomiar strumienia zawierającego gaz, ropę i wodę bez konieczności ich odseparowania. To zapewnia poprawę opłacalności i efektywność produkcji oraz poprawia bezpieczeństwo ochrony środowiska. Aby dokładnie pomierzyć ilość wypompowanej ropy, przepływomierze Coriolisa wyposażone są w sondy wody i ropy. Terminal HMI odczytuje dane z sond i przekazuje je do dalszej obróbki przez specjalistyczne oprogramowanie uruchamiane na przeznaczonym do tego komputerze.
Pomiar ilości gazu jest już nieco bardziej skomplikowany, jako że pola gazowe dostarczają najpierw sam gaz, a następnie ciecz. W momencie rozpoczęcia tłoczenia cieczy konieczna jest więc instalacja dodatkowych urządzeń. Innym utrudnieniem pomiaru przepływu mokrego gazu jest fakt, że strumień zawiera cząsteczki wody i kondensatu. Wielofazowe przepływomierze Coriolisa pozwalają jednak na ciągły pomiar i montaż bezpośrednio u wylotu odwiertu. Pomiary ilości wypompowanej ropy typowo przeprowadzane są stosunkowo rzadko, oleju raz na miesiąc, gazu raz dziennie. W tej sytuacji ciągły pomiar pozwoli na skuteczniejsze zarządzanie i optymalizację eksploatacji złóż.
Nowa era oprzyrządowania
Większość przytoczonych tu przykładów wykorzystywała przepływomierze, ale wydaje się, że pozwalają one przedstawić współczesne możliwości budowy bardzo zaawansowanych systemów pomiarowych, w których dane dostarczane przez typowe urządzenia pomiarowe są opracowywane przez aplikacje wykorzystujące wiedzę ekspercką, modele procesów i zaawansowane algorytmy starowania. Pozwala to budować systemy pomiarowe, które trudno było sobie wyobrazić jeszcze choćby dwadzieścia lat temu.
Obecnie tworzona jest baza wiedzy eksperckiej, która pomoże przedsiębiorcom budować lepsze, bardziej wydajne fabryki, ułatwi utrzymanie ruchu i optymalizację procesów. Oprócz optymalizacji samego procesu uwagę skupia się na optymalizacji operacji biznesowych. Jako że tempo i stopień skomplikowania tych ostatnich ciągle wzrasta, coraz trudniej jest ocenić, jakie informacje pozostają jedynie zwykłym know-how, a jakie są już niezwykle ważnymi danymi strategicznymi. Zadaniem producentów sprzętu automatyki jest więc dostarczenie informacji i wiedzy pozwalającej ich klientom na osiągnięcie wyższej efektywności i jakości produkcji, lepszej alokacji zasobów i poprawy stopnia ochrony środowiska.
CE