Przyrządy kontrolno-pomiarowe wykraczające swoją funkcjonalnością poza zwykłe pomiary procesowe są bezcenne w każdej większej instalacji przemysłowej. Ich pojemność informacyjna, moc obliczeniowa oraz szybkość dostarczania informacji pozwala przyrównać je do serwerów danych.
Połączenie ich walorów wraz z możliwościami oprogramowania zarządzającego tworzy istotne narzędzie do walki z nieefektywnością procesów i przestojami linii produkcyjnych.
Niezmiennym celem każdego inżyniera zarządzającego instalacją przemysłową jest zredukowanie do minimum czasu postoju maszyn i kosztów utrzymania wyposażenia. Przeszkadzają w tym przeróżne niepożądane czynniki, wśród których jednymi z najczęstszych są korozja i tworzenie się osadów. Straty spowodowane wystąpieniem awarii maszyn lub obniżeniem sprawności procesu kosztują co roku całą światową branżę przemysłową miliardy dolarów, przez co powstaje potrzeba nieustannego szukania coraz lepszych, często wyrafinowanych rozwiązań pozwalających przezwyciężyć lub ograniczyć wszelkie ewentualne trudności. Z tego powodu różnego rodzaju systemy pozwalające konfigurować, monitorować, kalibrować oraz dokumentować procesy produkcyjne są przez operatorów, techników i inżynierów utrzymania ruchu szczególnie pożądane.
W szczególności bardzo szybko rośnie popularność rozwiązań złożonych, które są połączeniem inteligentnych przyrządów pomiarowych i oprogramowania zarządzającego. Wytyczają one nowy standard monitorowania i kierowania instalacjami przemysłowymi, a ich zastosowanie daje gwarancje oszczędności oraz wzrost niezawodności systemów. Szacuje się, że trend ten utrzyma się, a nawet przyspieszy. Warto więc przyjrzeć się z bliska inteligentnym urządzeniom kontrolno-pomiarowym oraz oprogramowaniu zarządzającemu i uzmysłowić sobie, jakie korzyści przynosi równoczesne ich zastosowanie.
Czujnik inteligentny wyposażony jest w przetwornik analogowo-cyfrowy, mikroprocesor, układ komunikacji i pamięć. Taki sensor przekazuje informacje w postaci cyfrowej i komunikuje się z zewnętrznym cyfrowym systemem pomiarowym w oparciu o dowolny standardowy protokół komunikacji.
Słowo „inteligentny” oznacza, że czujnik taki potrafi adaptować się do zmiennych warunków pomiarowych, ma możliwość podejmowania decyzji w zależności od uzyskanych wyników pomiarowych, można nim zdalnie sterować oraz przeprogramowywać, potrafi wykonać wstępną obróbkę zmierzonych danych oraz że jest on w stanie komunikować się z innymi urządzeniami.
Zalety sensorów inteligentnych:
· zwiększona odporność na zakłócenia i możliwość komunikacji na duże odległości,
· wykrywanie błędów i diagnostyka,
· zdolność do reakcji na zaistniałe okoliczności,
· możliwość lokalnego zbierania, przetwarzania i dystrybucji informacji,
· możliwość zmiany działania poprzez podmianę oprogramowania czujnika,
· autotestowanie i autokalibracja,
· zdolności adaptacyjne.
Rys. 1. Źródła awaryjnych przestojów w produkcji w przemyśle petrochemicznym
Standardowy system pomiarowy składa się, z jednostki sterującej, stacji roboczej oraz rozproszonych urządzeń kontrolno-pomiarowych. Zaawansowane systemy tego typu, które cechują się zaletami wymienionymi w poprzednim rozdziale, wyposażone są również w czujniki inteligentne oraz zarządzające nimi specjalistyczne oprogramowanie zaimplementowane po stronie stacji roboczej.
Inteligentne urządzenia kontrolno-pomiarowe mogą dostarczać informacje o stanie pracy oraz ewentualnych awariach. Informują również o monitorowanym procesie badając jego przebieg i efektywność, a także reagują na zmiany stanu i problemy z pracą dołączonego wyposażenia. Wszelkie informacje przesyłane są od urządzenia do stacji roboczej za pomocą cyfrowego protokołu komunikacyjnego, takiego jak np. HART lub Foundation Fieldbus. Urządzenia te dzięki swoim właściwościom często przyrównuje się do serwerów danych, które nie tylko przechowują, ale również przetwarzają gromadzone informacje.
Podobnie jest z inteligentnymi czujnikami – są one w stanie wykonać znacznie więcej niż tylko dostarczyć wynik pomiaru pH, ciśnienia, temperatury czy przepływu. Zapewniają podstawowe zarządzanie sytuacjami anomalnymi, optymalizację procesu oraz zaawansowane sterowanie nim. Jednakże pełnię możliwości inteligentnych czujników można wykorzystać dopiero wówczas, gdy ich pracę nadzoruje oprogramowanie zarządzające.
Rys. 2a. Przyczyny strat w produkcji w rafineriach (dane w procentach)
Co można zyskać dzięki zastosowaniu wyspecjalizowanego oprogramowania sterującego grupą inteligentnych czujników? Przede wszystkim szybką i łatwą konfigurację oprzyrządowania przy rozruchu. Nie trzeba tracić czasu na żmudne ustawianie parametrów każdego urządzenia z osobna. Ponadto operator instalacji posiada natychmiastowy dostęp do informacji diagnostycznych i procedur kalibracyjnych, co pozwala skupić się na czynnościach zapobiegania awarii zanim one wystąpią. Wykorzystanie oprogramowania zarządzającego ma jeszcze jedną ważną zaletę – pozwala automatycznie tworzyć dokumentację wszelkich procesów. Tak utworzone dokumenty można dokładnie analizować, dzięki czemu da się odtworzyć dowolne ustawienie całej instalacji. Jest to duża zaleta w kontekście planowania jak najbardziej efektywnej produkcji. Kolejne implementacje złożonych systemów sterowania pokazują, że z powyższych korzyści automatycznie wynikają inne: szybka instalacja i mniejsza liczba awarii to niższe koszty rozruchu oraz utrzymania, a możliwość dokumentowania pozwala utrzymać stabilność całego procesu przez długi czas. Zatem zyski ze stosowania takich rozwiązań są oczywiste. Jednakże znamiennym jest to, że prawie zawsze świadomość odnoszenia korzyści pojawia się dopiero po wdrożeniu systemu.
Przyczyny strat w produkcji w rafineriach
Czy inteligentne systemy pomiarowe mogą odegrać znaczącą rolę w dziedzinie automatyki przemysłowej? Biorąc pod możliwość zredukowania czasów przestojów parku maszynowego oraz zoptymalizowania procesów produkcyjnych w zakładach przemysłowych, bez wątpienia mają one przed sobą przyszłość. Jednakże najważniejszą cechą, która przede wszystkim stanowi o atrakcyjności złożonych systemów sterowania, jest możliwość efektywniejszej konserwacji i utrzymania wyposażenia zakładu produkcyjnego. Dzięki inteligentnym czujnikom i dedykowanemu oprogramowaniu zarządzającemu możliwe staje się zastąpienie regularnych bądź okresowych czynności obsługowych modelem prognozowanej konserwacji sprzętu. Jest to sposób konserwacji maszyn i urządzeń, polegający na przewidywaniu i wczesnym zapobieganiu powstawania awarii i defektów. Filozofia konserwacji prognozowanej (predictive maintenance) opiera się na statystyce. Podstawą jest baza danych z informacjami o wszystkich przeprowadzonych naprawach urządzeń oraz ciągłe monitorowanie stanu jak największej liczby maszyn i przyrządów. Przeprowadzone analizy są w stanie dostarczyć informacji o tym, kiedy może nastąpić następna awaria oraz jakie podzespoły zamienne będą wymagane. Celem konserwacji prognozowanej jest wskazanie takiej chwili czasu, w której naprawa urządzenia byłaby jak najbardziej opłacalna, i która bezpośrednio poprzedza wystąpienie awarii.
Dane statystyczne wskazują, że w samych tylko Stanach Zjednoczonych co roku konserwacja wyposażenia fabryk i zakładów przemysłowych pochłania 200 mld dol. Z kolei nieefektywna konserwacja prowadzi do rokrocznych strat rzędu 60 mld dolarów. Koszty konserwacji przekładają się na ostateczną cenę wytwarzanych towarów. W zależności od branży, może to być od 15% do kilkudziesięciu procent wartości. Kolejne dane statystyczne pokazują, że spośród wszystkich podjętych prac, 37% jest wykonywana z powodów rutynowej kontroli. Ponad 12% zleconych czynności nie wykazuje wystąpienia żadnej usterki. Zatem niemalże połowa wykonywanych prac konserwacyjnych jest w praktyce zbędna. Jest to typowa cecha prewencyjnych, okresowych czynności obsługowych. Model konserwacji prognozowanej, wykorzystujący system sprawnie zarządzanych czujników inteligentnych, jest pozbawiony tej wady.
Nowoczesne urządzenia automatyki mają funkcje informowania o własnych awariach. Oto przykłady wykorzystania tej funkcjonalności:
· Zawory sterujące są w stanie informować o swoim zatkaniu, zaburzeniu przepływu, niedoborze powietrza, uszkodzonej membranie, przecieku membrany lub awarii pierścienia uszczelniającego tłok aktuatora.
· Czujniki ciśnienia sygnalizują błędy układu elektronicznego, defekt czujnika, nieprawidłową konfigurację urządzenia oraz niesprawne linie przesyłające dane.
· Czujniki temperatury dostarczają danych na temat błędów układu elektronicznego, defektu czujnika, nieprawidłowej konfiguracja urządzenia, niestabilności parametrów czujnika, a także szacują żywotność elementu pomiarowego.
· Czujniki przepływu informują o błędach układu elektronicznego, dużych szumach procesowych, awarii uziemienia, awarii elektrody, przepływie wstecznym lub o niepoprawnej kalibracji.
· Czujniki analityczne sygnalizują starzenie się elektrody pH, defekty szklanej elektrody, defekty elektrody odniesienia i degradację elektrody odniesienia.
Spółka Shell oszacowała, że jednoprocentowy spadek wydajności procesu produkcyjnego rafinerii powoduje zmniejszenie dziennego uzysku o 600 baryłek ropy. Takie zakłady przemysłowe szczególnie powinny zadbać o bezawaryjność swoich maszyn. Faktem jest jednak, że pomimo milionów dolarów wydawanych na ten cel, to nadal defekty sprzętu są głównym powodem ponoszonych strat w przemyśle rafineryjnym.
Częstość występowania awarii w fabrykach przemysłu gazowego i petrochemicznego można usystematyzować według przyczyny awarii (rys. 2.). Okazuje się, że głównym źródłem defektów jest wyposażenie mechaniczne oraz procesowe. Zaś oprzyrządowanie kontrolno-pomiarowe i zawory stanowią niewielki ułamek wszystkich awarii. Jednak analizując już same koszty konserwacji (rys. 1.), oprzyrządowanie i zawory pochłaniają 27% wszystkich kosztów naprawczych. Ten brak proporcjonalności występuje także w przypadku fabryk o innym profilu działalności.
Konserwacja prognozowana przynosi korzyść bez względu na to, w jakim zakładzie przemysłowym jest stosowana. Potwierdza to raport, w którym zanalizowano efekty trzyletniego praktykowania konserwacji prognozowanej w ponad 500 fabrykach o różnym profilu działalności i z całego świata. Rezultaty są imponujące:
· koszty konserwacji zmniejszono o 50÷80%,
· liczba awarii maszyn zmalała o 50÷60%,
· magazyn części zamiennych został zredukowany o 20÷30%,
· czas przestoju maszyn ograniczono o 50÷80%,
· żywotność maszyn zwiększono o 20÷40%,
· produktywność wzrosła o 20÷30%,
· dochody wzrosły o 25÷60%.
Część tych znakomitych wyników jest możliwa do osiągnięcia tylko poprzez połączenie inteligentnych czujników z systemem zarządzającym. Świadomość potrzeby stosowania inteligentnych sensorów oraz uzależnienie konieczności podejmowania czynności konserwacyjnych od wyników pomiarów jest istotnym krokiem w kierunku idei konserwacji prognozowanej. Większość profesjonalistów z branży automatyki ma to na uwadze. Jednakże wdrożenie takiego rozwiązania bez przemyślanego planu i wsparcia załogi skazane jest na niepowodzenie.
utherpol