Aktuální vydání

celé číslo

02

2017

Veletrh Amper 2017 v Brně

Komunikační systémy v průmyslu

celé číslo
Snímače tlaku s čelní membránou

K měření tlaku ve specifických provozech, jako je výroba potravin, léků, chemikálií apod., se používají speciální snímače tlaku, jejichž přehled je uveden v tabulkách na str. 37 až 39. Tento článek přibližuje způsoby připojení těchto snímačů k potrubí, nádobě nebo zařízení. Při měření tlaku v průmyslu je v některých případech třeba senzorický systém měřidla oddělit, aby nebyl v kontaktu s měřeným médiem. To je nutné např. tam, kde se vyskytují: –   agresivní tekutiny, –   silně viskózní kapaliny, –   tekutiny s pevnými částicemi, např. sedimentující kaly, –   horké tekutiny, které tuhnou nebo krystalizují při poklesu teploty, –   požadavky na dokonalé pročištění systému. V praxi se oddělení obvykle řeší použitím membrány, která je umístěna v čele procesního připojení, tedy čelní membrány. Procesním připojením se rozumí konstrukční celek, který slouží k připojení měřidla k potrubí nebo nádobě. Z hlediska použitých principů bývá čelní membrána koncipována buď jako měřicí, anebo jako oddělovací – ta společně s procesním připojením a pracovní kapalinou vytváří funkční celek zvaný membránový oddělovač. Měřicí čelní membrána Měřicí čelní membrána je nejen určena k oddělení měřeného média od vnitřního prostoru snímače, ale sama je zároveň i funkčním deformačním členem. Na lícovou stranu membrány působí měřené médium, zatímco na její rubové straně je vytvořen měřicí systém, který převádí výchylku membrány na vhodnou elektrickou veličinu. Toto uspořádání se zpravidla využívá u keramických měřicích membrán, na jejichž rubové straně jsou vytvořeny tenzometrické nebo kapacitní snímací obvody (obr. 1). Limitujícím faktorem je utěsnění keramického senzoru, které musí být dost měkké, aby kompenzovalo rozdílnou teplotní roztažnost materiálů, a zároveň musí být řešeno tak, aby ve styčných spárách nemohl ulpívat produkt. Materiál těsnění musí mít vyhovující životnost a chemickou odolnost, a to s ohledem na rozsah provozních teplot. Dalším limitujícím faktorem je materiál keramické měřicí destičky. Keramické materiály mají sice vysokou chemickou odolnost i při vysokých teplotách, ale jsou porézní. Proto je třeba pro některá média volit materiály s vysokou hutností. Nejčastěji používaný oxid hlinitý (Al2O3) má pro běžné účely hutnost 96 %, pro některá média je třeba sáhnout po membráně z kvalitnějšího materiálu s hutností 99,9 %. Existují i měřidla s čelní měřicí membránou z korozivzdorné oceli. Jejich výhodou je skutečnost, že membrána může být přivařena k tělu procesního připojení. Příkladem je přímoukazující mechanický tlakoměr typu PG43SA-S od firmy WIKA. U elektronických převodníků tlaku je však tato koncepce málo obvyklá. Oddělovací membrány a jejich vlastnosti Oddělovací membrána slouží k oddělení dvou tekutých médií. Z jedné strany na ni působí kapalina nebo plyn, jejichž tlak se měří, a na druhé straně je pracovní kapalina, která tlak přenáší do měřicího ústrojí tlakoměru. Membránový oddělovač je buď koncipován jako nedílná součást tlakoměru či převodníku tlaku, anebo je to samostatný konstrukční prvek, který může být namontován k měřidlu tlaku jako přídavné zařízení. Pro membránový oddělovač (anglicky chemical seal, německy Druckmittler) se někdy používá termín přenašeč tlaku. Materiály oddělovacích membrán a procesního připojení Z hlediska odolnosti má rozhodující význam materiál, z něhož je vytvořena membrána a další součásti procesního připojení, které jsou ve styku s měřeným médiem (wetted parts neboli smáčené součásti). Nejčastěji se využívá korozivzdorná ocel jakosti podle ČSN 17349 (AISI 316L, resp. 1.4404 nebo 1.4435) nebo podle ČSN 17347 (AISI 316Ti, resp. 1.4571). Tyto ušlechtilé oceli obsahují molybden, který však není vhodný při měření tlaku určitých látek (např. kyseliny dusičné), a proto jsou někdy nahrazovány jinými typy korozivzdorných ocelí jakosti podle ČSN 17240 (AISI 304, resp. 1.4301) anebo ČSN 17247 (AISI 321, resp. 1.4541). Membrány bývají zhotoveny i z dalších materiálů, jako jsou tantal, titan, nikl a slitiny Hastelloy C-276, Inconel, Monel aj. Kromě toho se používají kovové membrány s různými povlaky: nejčastěji povlak PTFE, ale i povlaky ze zlata, tvrdých nitridů apod. Pro měření tlaku agresivních kyselin a louhů se v konstrukci procesního připojení s výhodou využívají plasty. Limitujícím faktorem je ovšem jejich mechanická odolnost, která strmě klesá nejen se zvyšující se teplotou, ale i s mrazem. Proto by výrobci měli v katalogu uvádět i pokles pevnosti v závislosti na teplotě. Vzdálené oddělovače Důležitou roli pro uživatele může hrát i vzdálenost mezi procesním připojením (resp. místem, v němž se tlak měří) a umístěním samotného snímače. Někdy se proto volí uspořádání zvané vzdálený oddělovač (remote chemical seal). V tomto případě je membránový oddělovač spojen se snímačem tlaku kapilárou. Snímač pak může být umístěn mimo dosah nepříznivých vlivů a tím je chráněn např. před vysokou teplotou či vibracemi. Vzdálené oddělovače se používají také při měření rozdílů tlaků, kdy je třeba hodnoty obou dvou měřených tlaků přenášet do snímače ze dvou vzájemně odlehlých míst. Pracovní kapaliny a přípustná teplota použití Při použití snímačů s oddělovací membránou může být důležitý i druh pracovní kapaliny, která přenáší tlak od oddělovací membrány do měřicího ústrojí snímače. Jako pracovní kapaliny se nejčastěji používají silikonové oleje: běžné typy olejů jsou určeny pro po­užití v teplotách od –40 do přibližně +200 °C, zatímco speciální silikonové oleje snášejí teploty –90 až +400 °C. Do potravinářských provozů jsou vhodné speciální druhy oleje, např. olej NEOBEE M20, který je schválen FDA jako syntetická přísada do potravin. Pro zařízení pracující s kyslíkem a chlorem se používá speciální kapalina halokarbon. Prostor, který je vyplněn pracovní kapalinou, musí být před zaplněním dokonale odplyněn, a proto se zaplnění provádí ve vakuu; stejně důležité je i předchozí odplynění pracovní kapaliny. Z tohoto důvodu se musí systém kompletovat a zaplnit na pracovišti se speciálním vybavením. Zvláště přísné požadavky jsou kladeny na měřicí systémy určené do oblasti podtlaků. Jaká je přípustná provozní teplota? Výrobce většinou uvádí přípustnou teplotu okolí, zákazník v zadání zase obvykle uvádí teplotu média. Pro provoz snímače je limitující skutečná teplota na oddělovací anebo měřicí membráně snímače, která leží v rozmezí mezi teplotou média a teplotou okolí. Tuto teplotu musí odhadnout uživatel či projektant a je na nich, aby zvolili vhodný typ procesního připojení – protože právě procesní připojení je faktor, který nejvíce ovlivní přenos tepla mezi technologickým zařízením a tělesem snímače. Nejpoužívanější typy procesního připojení Existuje široká nabídka různých procesních připojení. Většina z nich vychází z konstrukce spojovacích dílů potrubí. Výběr připojení je dán konstrukčními zvyklostmi, kterými se řídí výrobce daného strojního zařízení: určité typy např. převládají v pivovarech a s jinými se lze setkat v petrochemickém průmyslu. Některé typy procesních připojení vycházejí z obecně platných norem, jiné byly zavedeny jako standard dominantními výrobci a po nich se také jmenují (např. APV), ale kromě toho existují i procesní připojení, u nichž žádný standard neexistuje a každý výrobce používá vlastní konstrukci. U většiny typů procesního připojení je k dispozici několik rozměrů (jmenovitých velikostí). Při volbě velikosti je třeba mít na zřeteli, že čím má být měření citlivější a stabilnější, tím větší membránu je vhodné použít. U malých membrán výrobce nenabízí měření nízkých tlaků anebo je nabízí jen se sníženou přesností. Samostatnou skupinu tvoří procesní připojení určená do potravinářských a farmaceutických provozů, která musí vyhovovat specifickým požadavkům. Tato připojení mají být konstruována tak, aby produkt, jehož tlak se měří, neulpíval ani na membráně nebo okolo ní, ani v jednotlivých součástech procesního připojení a aby bylo možné připojení čistit stejným postupem, kterým se pročišťuje celé výrobní zařízení. Zpravidla jde o tzv. sanitaci, čisticí postup označovaný zkratkami CIP (cleaning in place) nebo SIP (sterilization in place). Je to postupné proplachování systému zředěnou kyselinou dusičnou a následně zředěným hydroxidem sodným, a to obvykle při teplotě blížící 100 °C. Jiným rozšířeným způsobem čištění je dezinfekce horkou párou. Těmto způsobům čištění musí odpovídat po­užité materiály i konstrukční řešení. Zásady pro konstrukci, provoz a montáž přístrojů určených pro styk s potravinami a s léčivy určují standardy sdružení 3-A SSI (Sanitary Standard Incorporation). Procesní připojení používaná v potravinářství vycházejí vesměs z konstrukce spojovacích dílů potrubí a jsou s nimi kompatibilní. Potravinářské šroubení podle DIN EN 11851 Jde zřejmě o nejobvyklejší druh procesního připojení (obr. 2). Sestavu tvoří závitové hrdlo s kuželovým vybráním, do něhož se jako protikus vkládá kuželové hrdlo s převlečnou maticí. Závit je oblý podle DIN 405, resp. ČSN 01 4037 a jeho průměr je kótován v milimetrech s označením Rd. Stoupání tohoto závitu je udáváno počtem závitů na palec. Těsnění se vkládá do drážky ve dně kuželového vybrání. Membránový oddělovač bývá zpravidla umístěn v kuželovém hrdle tohoto připojení, a patří k němu tudíž převlečná matice. Někdy bývá konfigurace opačná a membránový oddělovač má podobu závitového hrdla; převlečná matice pak náleží k protikusu. Velikost šroubení se udává v milimetrech a obvyklé rozměry jsou DN25, DN32, DN40 a DN50. Rozměry DN15, DN65 a větší jsou pro měření tlaku málo obvyklé. Tri-Clamp podle DIN 32676, resp. Clamp podle ISO 2852 Je to oddělovač, jehož tvar je odvozen od tvaru potrubních hrdel, která se spojují rychloupínacím třmenem (Clamp) – viz sestava na obr. 3 vpravo. Velikost oddělovače se většinou popisuje rozměrem trubky, k níž hrdla náležejí. Trubky se vyrábějí podle několika norem, což vnáší do označování velikosti procesního připojení nejednoznačnost. Porovnání norem a interpretace rozměrů jsou uvedeny v tab. 1. V tomto článku bude pro tento oddělovač používán název Clamp. Vnější rozměry oddělovačů o velikosti DN25, DN32 a DN40 (tj. 1" a 1/2") jsou totožné, a tak jsou procesní připojení těchto rozměrů vzájemně zaměnitelná, je však třeba dbát na správnou velikost membrány. Průměr membrány Dm by neměl být větší než vnitřní průměr protilehlého hrdla dTR, resp. než průměr otvoru v těsnění (obr. 3 vlevo). Clamp a šroubení podle DIN EN 11851 jsou v potravinářství nejrozšířenějšími typy procesního připojení. Šroubení podle SMS 1145 V některých detailech je šroubení podle švédské normy SMS (Swedish Manufacturing Standard) (obr. 4) podobné potravinářskému šroubení DIN EN 11851: závitové spojení s převlečnou maticí rovněž obsahuje oblý závit Rd, ale rozměrová řada závitu je jiná, takže převlečné matice nejsou vzájemně zaměnitelné. Dosedací plochy závitového dílu a příslušného protikusu jsou ploché. Těsnění je uloženo v drážce obdélníkového průřezu a má na sobě výběžek, který vyplňuje prostor mezi dosedacími plochami. Velikost šroubení se udává v palcích: 1", 1 1/2", 2"; větší rozměry jsou u snímačů tlaku málo obvyklé. Potravinářská šroubení IDF/ISS a APV-RJT Potravinářská šroubení typů IDF/ISS a APV-RJT se skládají se závitového dílu a dílu s převlečnou maticí. Podobně jako u šroubení výše uvedených může být membrána umístěna jak na dílu s převlečnou maticí (female), tak na dílu s vnějším závitem (male). Těsnění je tvarováno tak, aby mezi dosedacími plochami a těsněním nezůstávaly kouty, v nichž by ulpíval produkt. Převlečné matice jsou šestihranné. V případě šroubení IDF/ISS je použit nestandardní závit IDF (velikost se udává v palcích), ve šroubení APV-RJT je závit Whit­worthův. Aseptické připojení podle DIN 11864 Byla to nejspíš snaha vyhnout se speciálně tvarovanému těsnění a dosáhnout spoje bez koutů a skulin kolem těsnění, která vedla ke vzniku tohoto procesního připojení a k jeho vzrůstající oblibě. Těsnicím prvkem je O-kroužek. Tvar navazujících dosedacích ploch je zvolen tak, aby při plném dotažení spoje O-kroužek mírně vyhřezl z drážky, takže nevznikne skulina ani kout, v nichž by mohl ulpívat produkt. Těsnicí plochy jsou popsány normou DIN 11864/A, což odpovídá tvaru pro O-kroužek. Podle způsobu spojení se rozlišují tři typy (viz obr. 5): –   tvar 1 – šroubení s převlečnou maticí s oblým závitem; rozměrová řada závitů Rd je stejná jako u šroubení DIN EN 11851, –   tvar 2 – dvojice kruhových přírub spojených svorníky, –   tvar 3 – spojení podle standardu Clamp, tj. s rychloupínacím třmenem; vnější rozměry jsou shodné jako u připojení Clamp, takže lze použít shodné upínací třmeny, avšak tvar dosedacích ploch je úplně odlišný. U všech tří zmíněných typů se rozlišuje mezi dvěma protikusy odlišného tvaru: jeden díl má drážku (grove), druhý díl má výstupek (notch). Membrána se častěji umísťuje na díl s drážkou. Aseptické připojení NEUMO BioControl®, Varivent®, DRD, APV-In Line Připojení na obr. 6 až obr. 9 mají jednu společnou vlastnost: jsou konstruována tak, aby membrána ležela v jedné rovině s vnitřním povrchem potrubí nebo nádoby. Cílem je, aby nevznikal žádný mrtvý prostor (výduť nebo kout), který by při pročišťování nebyl dostatečně oplachovaný. Pro toto připojení se používají příruby s tubusem v různém provedení. Čelní plocha tubusu je na obvodu těsněna O-kroužkem, jenž se opírá o přesně tvarovaný břit vytvořený na hraně protikusu. U typu Varivent (obr. 7) je spojení zajištěno pomocí rychloupínacích třmenů (clamp), ostatní jsou obměnami přírubového spojení. Součástmi připojení typů NEUMO BioControl a Vari­vent jsou speciálně tvarované potrubní díly, které umožňují vsadit procesní připojení většího rozměru (průměry 50 a 65 mm) do potrubí relativně malého průřezu při zachování spolehlivé sanitovatelnosti. Univerzální adaptéry Zatímco většinu procesních připojení vymysleli výrobci potrubí a jeho příslušenství, firma Endress+Hauser přišla v 80. letech 20. století na trh se snímači Deltapilot s vlastním plně sanitovatelným „univerzálním adaptérem“ (obr. 10). Tělo procesního připojení v podobě válcového dříku o průměru 44 mm je na čelní straně zakončeno kuželovým zúžením a membránou o průměru 38 mm. Kuželová plocha se vsazuje do shodně tvarovaného vybrání v protikusu a utěsňuje se tvarovým pryžovým kroužkem. Tvar těsnění a dosedacích ploch je volen tak, že membrána dokonale lícuje v ploše protikusu. Spojení je zajištěno převlečnou maticí s potravinářským šroubením DN40. Univerzálnost adaptéru spočívá v tom, že protikus je dodáván buď jako díl určený k přivaření do stěny potrubí či nádoby, nebo jako přechodový díl (redukce) na několik typů potravinářských připojení: Clamp 2", Varivent N, šroubení DIN11851 DN40 a DN50 anebo přírubu DRD. Toto řešení umožnilo uživatelům snížit množství skladových zásob a obsáhnout mnoho procesních připojení jedním snímačem a několika adaptéry. V současné době se používá v podstatě pouze s navařovacími protikusy, i když přechodové díly pro jiná připojení jsou stále k dispozici. S podobným řešením posléze přišli výrobci Krohne (procesní připojení F40), ifm (Aseptoflex Vario) a WIKA (typ 910.1). Procesní připojení pro homogenizéry Charakteristickými znaky připojení pro homogenizéry jsou delší válcový dřík s membránou poměrně malého průměru (obvykle do 25 mm) a větší měřicí rozsah, zpravidla v řádu desítek megapascalů. Nápadným znakem je i masivní upevňovací trámec se dvěma otvory pro šrouby (obr. 11); některé varianty používají i kruhové příruby. Trámec bývá na oddělovači obvykle navlečen bez možnosti sejmutí, protože se opírá o nákružek na dříku. Důmyslnější varianty jsou řešeny tak, že se nákružek podkládá dělenou podložkou, která zapadá do osazení v otvoru tvořícím průchod v trámci, takže trámec lze sejmout. Některé membránové oddělovače pro homogenizéry obsahují i hydraulický tlumič s kataraktem, který zajišťuje ochranu měřidla před tlakovými rázy. Rozměry procesního připojení pro homo­genizéry nejsou upraveny žádnou národní nebo mezinárodní normou a jejich vzájemnou kompatibilitu je nutné vždy prověřit.   Ostatní procesní připojení Procesní připojení se závitovým dříkem a čelní membránou Tato procesní připojení spoří místo i náklady, protože protikusem je nátrubek s vnitřním závitem, tedy jeden z nejlevnějších potrubářských dílů. K nejžádanějším patří závit G1/2" (obr. 12). Na čelo závitového dříku G1/2" se však vejde membrána o průměru maximálně 18 mm. Tak malou membránu lze použít jenom pro větší rozsahy měřeného tlaku – bez podstatné ztráty přesnosti přibližně od 0,2 MPa. Lepšího výsledku se dosáhne použitím membrán z velmi tenkých fólií; nejtenčí používané membrány z korozivzdorné oceli mají tloušťku 0,02 mm, ale ty se snadno poškodí třeba i pouhým dotekem prstu. Připojení se závitovým dříkem je používáno v rozměrech od G1/2" do G2". Lze se setkat i s metrickými závity s jemným stoupáním: obvykle od M20×1,2 („manometrový závit“) až po M36×3. Z hlediska provozu je důležitý způsob utěsnění (obr. 13). Časté je utěsnění vně závitu: obvykle podle DIN 3852. Nevýhodou je, že měřené médium (produkt) se dostává do závitu, kde může zatuhnout. Proto se závit utěsňuje, a to buď těsnicí páskou navinutou v závitu, nebo tmelem pro těsnění závitů. Nejčistším řešením je utěsnit spojení v blízkosti membrány, např. okolo čelní plochy závitového dříku. K tomu je třeba, aby tvar protikusu korespondoval s tvarem procesního připojení na snímači. V tomto ohledu neexistují obecně platné standardy, a proto je třeba používat protikusy (návarky) nabízené výrobcem snímače. Přírubové spojení Rozměry přírub používaných u procesních připojení snímačů tlaku se řídí buď normou EN 1092-1 (dříve DIN 2501, resp. ČSN 13 1160), která udává rozměry v milimetrech a tlakovou třídu v megapascalech (popř. v barech), anebo normou ANSI B16.2, kde se rozměry udávají v palcích a tlaková třída v librách na čtvereční palec. Nejčastější úpravou těsnicích ploch je „hrubá těsnicí lišta“ (RF), méně obvyklé jsou příruby s perem či drážkou. Pro menší jmenovité průměry a nižší tlakové třídy jsou rozměry přírub shodné nezávisle na tlakové třídě (např. při průměru DN50 se pro tlakové třídy od PN10 do PN40 používají příruby stejných rozměrů), ale u větších průměrů už k tak široké shodě rozměrů přírub nedochází. Přírubové procesní připojení umožňuje vy­užít větší rozměr membrán. To je zapotřebí, má-li se dosáhnout co nejmenšího zkreslení tlaku na oddělovací membráně, jako je tomu např. při měření rozdílů tlaků, anebo má-li být membrána opatřena povlaky, které zvyšují její korozní odolnost. Povlaky a přidané vrstvy zvětšují tuhost membrány, takže se správné funkce dosahuje větším průměrem. Jestliže se z důvodu zvláštní korozní odolnosti používají membrány ze speciálních a drahých materiálů, jako je tantal, titan, nikl, Hatselloy, Monel apod., membránou se pokryje i těsnicí plocha, díky čemuž jediným materiálem ve styku s médiem zůstane materiál membrány (obr. 14). Kvůli úspoře dražších materiálů se někdy místo plných přírub používají tzv. sendviče (v angličtině známé pod označením cell, pancake nebo wafer type), viz obr. 15. Sendviče se k potrubí upevňují pomocí přítlačné příruby. Aby se dosáhlo lepšího omývání membrán měřeným médiem a aby se zabránilo vzniku mrtvého prostoru, v němž by se médium mohlo usazovat či v něm zatuhnout, umísťují se někdy membrány na tzv. tubusy; v angličtině se používá termín extended diaphragm (obr. 16). Nestandardní příruby s tubusy (papírenské oddělovače, oddělovač IDSF) Snaha šetřit místem a materiálem vedla k používání nestandardních přírub, a to hlavně v těch případech, kde membrána musí být umístěna do blízkosti protékajícího produktu, podobně jako je to provedeno u standardních přírub s tubusem. To je třeba např. při měření tuhnoucích produktů v papírenských provozech. Jako protikus membránového oddělovače slouží atypický přivařovací protikus (špalek), k němuž se membránový oddělovač upevňuje věncem šroubů zašroubovaných v neprůchozích závitových dírách. Aby nemusel být protikus příliš masivní a tubus dlouhý, je třeba použít větší množství šroubů malého průměru (obr. 16). Oddělovač IDSF má membránu umístěnou co nejblíže k vnitřnímu povrchu potrubí a těsnění co nejblíže membráně. Dosedací plocha přivařovacího protikusu je upravena tak, aby lícovala s vnějškem potrubí. Průtočné oddělovače trubkové (flow-thru, in-line) U této kategorie se rozlišují dvě koncepce. U první je oddělovač s trubkovou membránou zhotoven tak, že membrána tvoří výstelku celého vnitřního povrchu v jistém úseku trubky. Je to řešení z hlediska výroby velmi náročné, ale v oddělovači nevzniká žádný kout a průtok média nic neruší. Membrána má velkou plochu a tím i zcela bezkonkurenční pracovní objem. Uvedené oddělovače se vyrábějí s nejrůznější úpravou konců pro vřazení do potrubí: mohou být použity příruby, potravinářské šroubení, Clamp aj. (obr. 19). Druhá koncepce (typ IDBF či WFW) využívá oddělovače s kruhovou membránou podobně jako typ IDSF, popsaný v předchozím odstavci, ale tvar protikusu je specificky upraven, takže tvoří komůrku, do níž ústí trubky menšího průměru. K trubce může být přidán i vnější plášť z důvodu otápění (jacket pipe, obr. 20). Jazýčkové oddělovače Jazýčkové oddělovače (finger type) jsou tvořeny dříkem oválného průřezu, okolo něhož je ovinuta membrána. Oddělovač je vysunutý do průtočného profilu potrubí a je obtékán proudící tekutinou (obr. 21). Chladicí nástavce Téměř všechny již uvedené membránové oddělovače, resp. procesní připojení mohou být s vlastním převodníkem spojeny buď přímo, anebo prostřednictvím kapiláry. Další variantou je spojení přes chladicí nástavec (cooling tower). Ten buď může mít podobu válcového dříku z plného materiálu s chladicími žebry, anebo je tvořen trubkou s větracími otvory, v níž je vedena spojovací kapilára (obr. 22). Předpokladem účinného fungování ovšem je, aby chladicí nástavec nebyl obklopen izolací a aby okolo něj dostatečně proudil vzduch. Chladicí nástavce a kapilárová připojení umožňují oddělovačům snášet teploty do 400 °C. Snímače pro taveniny V některých zřízeních (např. na extrudérech) je třeba, aby procesní připojení mělo malý rozměr a bylo umístěno na dlouhém dříku (obr. 23). Membrána na čelní ploše dříku mívá průměr přibližně 8 mm a je úplně hladká, aby se tavenina po případném zatuhnutí snadněji odlepila. Bývá opatřena tvrdým povlakem ze speciální slitiny, aby se zvýšila její odolnost proti otěru. K měření tlaku bývá přidruženo i měření teploty. Tyto snímače s extrémně malou membránou se vyrábějí pro větší tlakové rozsahy (od 1,7 do 200 MPa) při teplotě do 400 °C. Jako pracovní kapalina se používá rtuť; některé novější typy se vyrábějí již jako bezrtuťové. Procesní připojení z odolných plastů K dosažení vysoké korozní odolnosti proti agresivním kyselinám a louhům je někdy vhodné využít plasty. Plastové díly se obvykle kombinují s měřicí membránou z Al2O3 anebo s oddělovací membránou z tantalu, popř. z korozivzdorné oceli s povlakem PTFE. Používají se i pryžové membrány (obr. 24).  Ing. Jan Vaculík, BHV senzory s. r. o. Obr. 1. Snímač LMK457 s keramickou měřicí čelní membránou vsazenou do příruby DN25 (BD sensors) Obr. 2. Šroubení DIN11851 (BHV senzory) Obr. 3. Sestava spojení Tri-Clamp: a) řez oddělovačem, b) schéma sestavy (BHV senzory) Obr. 4. Čelní membrána na dílech šroubení SMS: a) vnější závit, b) vnitřní závit (BHV senzory) Obr. 5. Čelní membrány podle DIN 11864 – zleva doprava: tvar 1, tvar 2, tvar 3 (WIKA) Obr. 6. Procesní připojení NEUMO BioControl (WIKA) Obr. 7. Procesní připojení Varivent, v pozadí potrubní díl (BHV senzory) Obr. 8. Procesní připojení DRD (BHV senzory) Obr. 9. Procesní připojení APV-In Line (WIKA) Obr. 10. Univerzální adaptér od firmy En­dress+Hauser (Endress+Hauser) Obr. 11. Membránový oddělovač pro homogenizéry (BHV senzory) Obr. 12. Oddělovací membrány na čele závitového připojení G1/2" (BHV senzory, snímek z výroby) Obr. 13. Různé způsoby utěsnění závitového připojení a) měkké těsnění poblíž čela závitového dříku, b) utěsnění vně závitu, c) utěsnění na kužel v čele závitového dříku (Baumer) Obr. 14. Příruba s čelní membránou z tantalu (BHV senzory) Obr. 15. Sendvič, někdy označovaný jako pan - cake, cell-type nebo wafer-type (BHV senzory) Obr. 16. Příruba s tubusem namontovaná na převodník Sitrans DSIII (BHV senzory/Siemens) Obr. 17. Papírenský membránový oddělovač, vlevo oddělovač s přítlačnou přírubou, vpravo výkres protikusu (BHV senzory) Obr. 18. Oddělovač IDSF: a) detail navařovacího protikusu s vloženým oddělovačem, b) detail navařovacího protikusu přiloženého na potrubí (BHV senzory) Obr. 19. Oddělovač s trubkovou membránou (in line, flow thru) s potravinářským šroubením DN50 (STIKO) Obr. 20. Průtočný oddělovač pro potrubí s dvojitou stěnou (BHV senzory) Obr. 21. Jazýčkový membránový oddělovač (BHV senzory) Obr. 22. Čelní membrána na závitovém čepu G1/2" s chladicím nástavcem (BHV senzory) Obr. 23. Procesní připojení snímače pro taveniny (vpravo detail membrány o průměru 7,8 mm) (Dynisco) Obr. 24. Příklady plastového procesního připojení z PVDF: a) závitové připojení MDM 902 od firmy Stübbe, b) průtočný snímač Hydra-Line od firmy WIK Tab. 1.: Rozměry oddělovačů Clamp podle obr. 3 a jejich přiřazení k různým normám 

Řídicí systém mobilního simulátoru deště

Ondřej Nývlt, Petr Kavka   Článek po úvodním popisu principů činnosti simulátoru deště a významu tohoto zařízení pro analýzu vodní eroze půdy podrobně informuje o výsledcích dosažených v první etapě modernizace mobilního simulátoru deště provozovaného Fakultou stavební ČVUT v Praze. Pozornost je věnována zejména novému řídicímu systému tohoto zařízení. Jsou uvedeny mj. první výsledky získané při ověřovacích zkouškách modernizovaného simulátoru v polních podmínkách a naznačeny směry dalšího rozvoje nového řídicího systému.   This paper describes in its first part a principle and an importance of a rainfall simulator for an analysis of soil erosion. In its main part the paper presents results which were achieved during the first phase of modernisation of the mobile rainfall simulator operated by Faculty of civil engineering at CTU in Prague. Attention is paid especially to a new control system of the simulator. The first results obtained at field tests of the modernised simulator as well as planned future extensions of its new control system are also included.   1. Úvod a motivace K vodní erozi půdy dochází v důsledku rozrušování povrchu půdy dešťovými kapkami a následného odnosu půdy povrchovým odtokem. Splavovaná svrchní a zároveň na živiny nejbohatší vrstva půdního krytu poté zanáší další části krajiny, včetně vodních toků či nádrží, a často tak poškozuje i lidská sídla a stavby. Jde o přírodní proces, který je obtížné sledovat, protože je závislý na příčinné dešťové srážce. Přirozeně se vyskytující intenzivní deště jsou velmi variabilní co do intenzity a vyskytují se náhodně. Proto je pro potřeby lokálních měřítek nahrazován přirozený déšť umělým s použitím simulátorů deště (jinak také dešťový simulátor – DS), využívaných po světě již déle než 50 let. Simulátory deště se využívají jak v laboratorních podmínkách, tak i přímo v terénu. Jejich hlavní předností je schopnost poměrně pohotově získat potřebné údaje (bez nutnosti čekat na přirozený déšť) za relativně stejných podmínek. Experimenty v laboratoři, při nichž lze detailně a opakovatelně sledovat mnoho půdních i odtokových charakteristik, lze při sledování vlivu vegetace využít jen omezeně [1].   Simulátory deště se kategorizují především podle svých rozměrů a způsobu použití a také podle principu tvorby kapek. Principů generování deště se používá mnoho, v základě se dělí na pulzní a kyvné.   Princip kyvných simulátorů spočívá v pohybu ramene, kdy je intenzita deště dána počtem kyvů ramene nad postřikovanou plochou. Předností je stabilní průtok, nedostatkem je větší spotřeba vody, která je u velkých zařízení a při použití v terénu limitující.   U pulzních simulátorů se požadované intenzity deště dosahuje otevíráním a zavíráním přívodu vody do trysek. Jde o systém náročnější na ovládání, neboť každou trysku je třeba ovládat zvlášť. Z hlediska udržení stálého tlaku vody v zařízení je nutné „spínat“ jednotlivé trysky v jejich těsné blízkosti. Při spínání po sekcích vzniká zpoždění a tlak vody v trysce nabíhá pomalu. Z hlediska generování umělého deště je důležité přesně udržovat kinetickou energii kapek, intenzitu a rovnoměrnost deště. Kinetická energie kapek, která je hlavním činitelem rozrušování půdních agregátů, je závislá na hmotnosti (velikosti) kapek a rychlosti jejich dopadu do půdy.   Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství Fakulty stavební ČVUT v Praze (FSv ČVUT) provozuje od roku 2001 halový simulátor deště [2] a následně také mobilní simulátor, který je využíván pro potřeby různých projektů od roku 2011 [3]. Hlavním úkolem mobilního simulátoru je provést erozní experiment, jehož základem je měření průběhu povrchového odtoku a množství erodovaného materiálu v čase. V roce 2015 bylo přijato rozhodnutí dosavadní mobilní simulátor kompletně zrenovovat a zmodernizovat, pokud jde o akční členy, pohon, rozvody vody a řídicí systém. Na realizaci nového řídicího systému se podílela firma Feramat Cybernetics, s. r. o. Jeho základem je modulární programovatelný automat WAGO-I/O-System 750, jehož jádrem je procesorová jednotka PFC 750-8202. Projekt modernizace simulátoru se skládá z několika etap – v první bylo renovováno zařízení a nainstalován nový řídicí systém, který umožňuje řídit a sledovat provozní veličiny simulátoru (průtok vody, sekvence otevírání trysek atd.) při použití bezdrátového uživatelského ovládání prostřednictvím PC, tabletu nebo inteligentního mobilního telefonu. Rozváděč řídicího systému byl záměrně naddimenzován, protože v dalších etapách bude sestava simulátoru deště rozšiřována o různé snímače hydrologických veličin, jejichž údaje se budou zaznamenávat do souborů na paměťovou kartu SD v procesorové jednotce PFC programovatelného automatu (PLC) pro pozdější zpracování. Do budoucna se např. připravuje přímé měření a kontinuální záznam průtoků v měrném žlabu, vlhkosti půdy a srážek.   2. Současný mobilní simulátor deště FSv ČVUT   2.1 Konstrukce simulátoru Samotné uspořádání mobilního simulátoru deště FSv ČVUT (dále jen „simulátor“, popř. „zařízení“) je podřízeno potřebám snadného ovládání a častého použití v terénu (obr. 1). Sada trysek je nesena na rozkládacím rameni z příhradové konstrukce s podporami. Délka ramene v rozloženém stavu je 10 m, takže je dosaženo rozměrů postřikované experimentální plochy 10 × 2 m. Experimentální plocha je po obvodu ohraničena plechovou bariérou dole ukončenou koncentračním plechovým sběračem ve tvaru trychtýře, který sbírá povrchový odtok se splaveninami do nádoby nebo jiného měřicího a vzorkovacího zařízení. Úkolem při modernizaci bylo mj. nastavit počet a vzdálenost postřikovacích trysek tak, aby experimentální plocha byla postřikována s co možná největší plošnou homogenitou. Tím nutně vznikají přestřiky do stran, kde je intenzita postřiku menší, což znamená větší požadavky na množství vody pro jednotlivý každý experiment, protože je jen zčásti využita k vlastnímu měření v mezích experimentální plochy.   Nejdůležitějším parametrem při měření s použitím simulátoru deště je, kinetická energie kapek, závisející jednak na pádové výšce kapek a jednak na jejich velikosti, která je dána typem trysky a zároveň tlakem vody v zařízení (dále jen „tlak“). Tlak je základním provozním parametrem každého simulátoru deště s tryskami, takže je důležité ho během měření udržovat konstantní a garantovat, že bude tentýž i při opakování měření. Nastavovat požadovanou intenzitu deště je vhodné nikoliv změnou tlaku v trysce, která by ovlivnila charakter deště, ale přerušováním výtoku z trysky při použití předřazeného elektromagnetického ventilu. Ventily u jednotlivých trysek jsou řídicím systémem otevírány a uzavírány v předem určeném naprogramovaném pořadí a intervalech. Za účelem minimalizovat rázy v rozvodu vody a udržet tak co možná homogenní výtok z trysek se u současných konstrukcí simulátorů používá střídavé otevírání a uzavírání stejně početných skupin trysek tak, aby průtokové poměry v rozvodu vody byly co možná stálé.   Vzhledem k potřebě garantovat stabilní charakteristiky vytvářeného deště byla provedena analýza dřívějších kalibračních měření jak z hlediska rovnoměrnosti postřiku, tak i z hlediska kinetické energie kapek. Výsledky analýz ukázaly potřebu poměrně zásadně obnovit dosavadní simulátor.   V původní sestavě simulátoru byly zapojeny čtyři trysky ve vzdálenostech 2,4 m od sebe. Ty byly v roce 2015 nahrazeny celkem devíti tryskami zapojenými ve skupinách po třech. Účelem je dosáhnout lepší rovnoměrnosti postřiku při menším provozním tlaku (při návrhových intenzitách deště okolo 60 mm/h) a také větší variability nastavení charakteristik deště (zejména prostorové i časové homogenity). Trysky jsou typu Spraying System WSQ 40 [4] a jejich vzájemný odstup je 1,2 m.   Standardní délka měřicí plochy byla stanovena na 8 m, zbylý postřikovaný prostor je využíván k umístění srážkoměru a k měření na menší postřikované ploše s rozměry 1 × 1 m, využívané k měření eroze působené výhradně plošným odtokem (tzv. mezirýžková eroze). Současnou konfiguraci trysek simulátoru a umístění experimentálních ploch vzhledem k tryskám ukazuje náčrtek na obr. 2, pohled na postřikovací rameno simulátoru připravované k měření je na obr. 3 (před zakrytím ochrannými plachtami).   Původní elektricky poháněné čerpadlo napájené z mobilní elektrocentrály bylo při modernizaci nahrazeno čerpadlem o výkonu 120 l/min poháněným zážehovým benzinovým motorem. Výkon tohoto čerpacího soustrojí je dostatečný k vyrovnání ztrát v potrubí i k dosažení maximální teoretické intenzity srážek 130 mm/h. Při standardním měření se předpokládá intenzita srážek 50 až 70 mm/h.   Celé zařízení je transportováno ve složeném stavu na přívěsném vozíku za automobil. Vedle konstrukce postřikovacího ramene jsou součástmi sestavy simulátoru nádrž na vodu o objemu 1 000 l, rozváděč s vlastní řídicí jednotkou a již zmíněné výkonné čerpací soustrojí.   2.2 Hardware řídicího systému Nový řídicí systém simulátoru se skládá z hardwarových komponent tří typů: akčních členů, snímačů a vlastního řídicího systému. Jako akční členy jsou použity: solenoidové ventily (jeden pro každou trysku, tj. devět kusů celkem, každý s proudovým odběrem 1,1 A), fyzicky propojené do tří skupin (1+4+7, 2+5+8, 3+6+9); přivedením napětí 12 V DC ventil otevírá přívod vody do trysky; najednou mohou být aktivované všechny ventily, a je tedy nutné dostatečně dimenzovat napájecí zdroj, regulační ventil značky Arag, udržující konstantní tlak v zařízení; ovládá se signálem ±12V DC, kdy polarita přivedeného signálu určuje směr pohybu kuželky ventilu, ventil hlavního obtoku, také značky Arag, přes který jde voda z čerpadla ke zmíněnému regulačnímu ventilu; ovládán je signálem ±12 V DC, kdy polarita určuje směr pohybu, při době přejezdu z úplného otevření do úplného zavření asi 1,2 s, dvoupolohový ventil značky Bragila, umístěný za regulačním ventilem a ovládající obtok přívodu vody do trysek; je ovládán připojením/odpojením napětí 12 V DC (obr. 4).   Ze snímačů je prozatím zapojen pouze snímač tlaku DMP 331 od firmy BD Sensors s proudovým výstupem, který měří tlak v hadicích na rameni u trysek a poskytuje základní údaj pro zpětnovazební regulaci.   Hardware vlastního řídicího systému tvoří jednotky modulárního systému WAGO-I/O-System 750 (PLC, karty I/O, napájecí zdroje) v sestavě: procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 s ethernetovým portem Ethernet (obr. 5), karta DO (8×) WAGO 750-530 ke spínání relé a ovládání akčních členů, karta DI (8×) WAGO 750-430 s napojeným tlačítkem umístěným na dveřích rozváděče, karta AI 0 až 20 mA (4×) WAGO 750-453 s napojeným snímačem tlaku, zdroje napájení WAGO 787-1631 12 V DC (15 A) a WAGO 787-1606 24 V DC (2 A).   Vedle zmíněných komponent řídicí systém ještě obsahuje nutnou „bižuterii“ v podobě relé, jističů či ochran a také směrovač (router) WiFi, který vytváří malou lokální síť, do které je zapojena jednotka PFC, a díky němuž lze celé zařízení bezdrátově ovládat z tabletu/PC. Pohled na řídicí rozváděč simulátoru je na obr. 6.   2.3 Požadavky při simulování deště   2.3.1 Základní úlohy řídicího systému Z požadavků kladených v simulátoru na řídicí systém jsou nejdůležitější rychlost nastavení požadovaných parametrů deště a garance udržení provozních hodnot parametrů simulátoru v požadovaných mezích. Základní čtyři úlohy požadované od řídicího systému simulátoru lze formulovat takto: Udržovat během aktivního chodu simulátoru konstantní tlak v potrubí přivádějícím vodu z nádrže přes čerpadlo do trysek, z nichž proudí voda stále pod stejným tlakem nezávisle na počtu otevřených trysek. Zaručit bezpečné spuštění a ukončení činnosti zařízení tak, aby při uzavření trysek tlak vody nepoškodil přívodní hadice. Čerpací soustrojí vhánějící do potrubí vodu z nádrže lze totiž ovládat pouze manuálně a jeho výkon nelze řídit ani je nelze vypnout z PLC. Scénáře chodu trysek simulátoru musí být začleněny přímo do programu procesorové jednotky PFC. Zaručit automatický chod simulátoru tak, aby operátor nemusel složitě nastavovat parametry zařízení a aby ho stačilo jen rychle zaškolit. Operátor by měl simulátor ovládat bezdrátově z notebooku nebo tabletu. 2.3.2 Regulace tlaku vody (úloha ad 1) Udržovat tlak v potrubí vedoucím vodu od čerpadla ke tryskám na určité nastavené konstantní hodnotě je zcela zásadní požadavek.   Za tím účelem jsou v regulační smyčce zapojeny snímač tlaku, umístěný na postřikovacím rameni simulátoru, a regulační ventil. Nepříjemné na regulačním ventilu je, že je jednak ovládán polaritou (tj. pokud není přivedeno napětí, zůstává ve stálé poloze; je-li přivedeno +12 V, pohybuje se na jednu stranu, je-li přivedeno –12 V, pohybuje se na druhou), takže je třeba správně zapojit dvojici relé, a jednak neposkytuje žádnou zpětnou vazbu o poloze svého činného prvku či o dosažení konce rozsahu. Není tedy známo, nakolik je otevřený, a jeho otevření nelze nastavit na konkrétní hodnotu např. 25 %. Dopředná regulace tedy nemá smysl a je nutné využít zpětnou vazbu ze snímače tlaku. Vlastní regulační algoritmus využívá empiricky naladěnou strategii založenou na pravidlech (rule-based), kdy je ventil po krocích otevírán/zavírán podle vzdálenosti aktuální hodnoty tlaku od hodnoty požadované. Podle měření v terénu je tento regulátor tlaku zcela funkční, doba ustálení tlaku je přiměřeně krátká a hodnota tlaku setrvalá. Funkce regulace tlaku se zapíná pouze v okamžiku, kdy je otevřena alespoň jedna tryska. Jestliže jsou všechny trysky zavřeny, regulace se vypne (regulační ventil zůstane v poloze, kde právě skončil) a aktivují se obtoky (bypass).   2.3.3 Bezpečné spuštění a ukončení činnosti simulátoru (úloha ad 2) Pro účel blokace vstupu vody do potrubí je simulátor opatřen dvěma obtoky. Prvním je hlavní ventil, který přivádí vodu k regulačnímu ventilu a který také může sloužit jako obtok. Jeho uzavřením se tedy zcela zamezí vstupu vody do zařízení. Druhým obtokem je ventil uzavírající vstup do ramene s tryskami. Tento obtok je nutné aktivovat v případě, že se všechny trysky uzavřou a voda pod tlakem by neměla kam odtékat. První z uvedených obtoků představoval stejný problém s přepínáním polarity napájení jako regulační ventil. Vzhledem k tomu, že řídicí systém není trvale napájen, obtoky se při zapnutí napájení, po dobu, než začne fungovat jednotka PFC, nacházejí v „bezpečném“ stavu, tj. zapojení relé při stavu „logická 0“ odpovídá aktivovaným obtokům. Navíc je na dveřích rozváděče spolu s hlavním vypínačem napájení celého zařízení i přepínač, který teprve po nastavení do polohy „zapnuto“ povolí zapnout regulaci. Při přepínači v poloze vypnuto jsou aktivovány všechny obtoky a trysky jsou zavřeny (tzn. bezpečný stav). Správný postup obsluhy je tedy takový, že před vypnutím napájení nejprve přepne přepínač do polohy vypnuto a počká, až se přestaví ventily. Obdobně je třeba při zapnutí napájení nejprve vyčkat, poté přepínač přepnout do polohy zapnuto a teprve následně lze spustit scénář chodu trysek. Stav přepínače je indikován na operátorském rozhraní simulátoru (viz obr. 7).   2.3.4 Scénáře chodu trysek (úloha ad 3) Pouze regulace na vybranou hodnotu tlaku pro správný chod simulátoru nestačí. To je jen základní funkce, bez které simulátor nemůže fungovat. Pro účely správného vedení experimentů je dále nutné realizovat patřičné scénáře chodu trysek, podle nichž se v závislosti na čase automaticky otevírají/zavírají příslušné postřikovací okruhy, takže operátor nemusí řídit experiment ručně za použití stopek. Experti z FSv ČVUT navrhli pět scénářů, které splňují jejich požadavky, a tyto scénáře byly zahrnuty do řídicího programu PLC PFC. Uživatel pouze zadá délku pauzy a dobu, po kterou mají být otevřeny trysky, a aktivuje vybraný scénář. Ten se pak se zadanou pauzou periodicky opakuje až do deaktivace obsluhou.   2.3.5 Automatický chod simulátoru (úloha ad 4) Ovládání simulátoru musí být intuitivní – uživatel musí být zbaven starostí o chod regulace. Proto byl přímo na webovém serveru jednotky PFC vytvořen jednoduchý vizualizační program, který je po připojení na síť WiFi řídicího systému dostupný z libovolného webového prohlížeče s podporou jazyka Java nebo při použití aplikace WAGO WebVisu-App pro operační systémy Android a iOS. Základní operátorské zobrazení funguje jako rozcestník s odkazy také na servisní okna, v nichž lze kompletně manuálně ovládat všechny akční členy simulátoru (obr. 7) nebo spravovat parametry jednotlivých funkcí, např. zpracování dat ze snímače, filtrace dat, záznamníku dat (datalogger), regulace atd. Servisní okna běžný operátor nepoužívá.   Nejdůležitějším zobrazením pro běžného operátora simulátoru je položka scénáře (obr. 8), kde vybere jeden z předem připravených scénářů, navolí délky úseků (tj. dobu otevření trysky a délku pauzy), zapne/vypne logování a aktivuje/deaktivuje chod scénáře. Nic víc nepotřebuje ovládat, ostatní se děje automaticky. Když zapne logování, jsou každou sekundu ukládány údaje o tlaku vody, aktivitě trysek (tj. otevřena/zavřena) a vybraném scénáři do souboru csv na kartě SD jednotky PFC. Data lze přímo prostřednictvím webového prohlížeče sledovat v programu Dataplotter, nainstalovaném v jednotce PFC, či si je stáhnout do PC.   3. Zkušenosti z praxe Modernizovaný simulátor, včetně nového řídicího systému, je od druhé poloviny roku 2015 využíván v rámci projektů výzkumu eroze a povrchové a podpovrchové hydrologie. Možnost rychle nastavit a korigovat hodnoty vstupních veličin, kterou nabízí, je důležitá především z hlediska výzkumu vlivu vegetace na erozi a povrchový odtok, kdy je základem metodiky porovnání měření vykonaného na vzorku s vegetací se vztažným měřením provedeným na udržovaném úhoru. Důležité pro obě měření je nastavit a v průběhu experimentu udržet konkrétní tlak vody. Možnost nastavit sekvenci srážek o různých intenzitách je důležitá jednak při replikaci přirozených srážek a jednak při ověřování odezev návrhových hydrogramů, což bude předmětem zájmu v budoucnu.   Možnost použít bezdrátové ovládání prostřednictvím tabletu nebo mobilního telefonu přes síť WiFi se ukázala jako velmi užitečná vzhledem k tomu, že je možné zároveň vizuálně sledovat průběh měření i ovládat zařízení, popř. na dálku sledovat a řídit jeho chod.   Inovovaný simulátor deště musel být vyzkoušen, aby se ověřilo, zda produkuje umělý déšť požadovaných parametrů s potřebnou přesností. Určujícím parametrem je přitom index rovnoměrnosti, tzv. CU-index [5]. Část výsledků rozšířených měření prostorového rozložení umělého deště při stabilním nastavením tlaku vody uskutečněných na hotovém zařízení je pro ilustraci uvedena v tab. 1.   Z údajů v tab. 1 je patrné, že jednotlaký scénář č. 3 (schéma trysek 3) s průměrnou intenzitou srážek 50 mm/h produkuje velmi vhodné a stabilní pokrytí deštěm (CU-index = 82,9 %) se směrodatnou odchylkou intenzity 16 %. Při zařazení pauzy do schématu lze při zachování rovnoměrnosti dosáhnout intenzity srážek 40 mm/h. Jednotlaký scénář č. 4 (schéma trysek 2) produkuje větší intenzity srážek, se kterými by bylo možné zařazením pauzy dosáhnout požadované intenzity od 50 do 100 mm/h. Rovnoměrnosti jsou stále na velmi dobré úrovni (CU-index nad hranicí 80 %). Relativní směrodatná odchylka intenzity je ve všech případech téměř stejná. Lze tedy konstatovat, že s novým zařízením je možné dosáhnout libovolné intenzity srážky od 20 do 150 mm/h s dostatečnou přesností a se zachováním uspokojivé rovnoměrnosti po ploše.   Uvedené tvrzení bylo prokázáno a ověřeno měřením průtoků jednotlivými tryskami a měřením na plachtě po celé pracovní ploše. K nastavení intenzity deště již není nutné měnit tlak v zařízení, což v minulosti negativně ovlivňovalo jeho další parametry. Změny je nyní dosaženo stanovením doby otevření jednotlivých sekcí trysek a délky vložené pauzy bez deště. Novým zařízením se dosahuje lepšího pokrytí okrajů plochy (v podélném směru) deštěm, jeho chod je stabilní a automatizovaný.   Stabilitu tlaku v zařízení a v rozložení intenzity deště v čase lze posoudit na záznamu z experimentu ověřujícího vlastnosti modernizovaného zařízení na obr. 9. Na začátku záznamu je patrný přechodový úsek, kdy se tlak v potrubí nastavuje na požadovanou hodnotu. Dále je během celé simulace tlak konstantní až po pokles hodnot zaznamenaný na závěr po vypnutí simulátoru. Z grafu na obr. 9 je rovněž patrný vyrovnaný průběh intenzity deště, přičemž záznam minutové intenzity deště H je velmi podrobný a nad rámec možností používaného člunkového srážkoměru.   Pro porovnání se současným stavem je na obr. 10 ukázán průběh tlaku před zavedením nového řídicího systému se zpětnou vazbou ze snímače tlaku. Hodnoty tlaků zde vykazují během měření značnou variabilitu a velmi kolísá i intenzita deště.   4. Závěr a další vývoj V současnosti je úspěšně završena první etapa projektu modernizace mobilního simulátoru deště FSv ČVUT, tj. návrh a realizace jeho základního řídicího systému po stránce jak hardwaru, tak i ovládacího softwaru, uživatelského rozhraní s použitím vizualizace a zpětnovazební regulace tlaku. Chod simulátoru je vyladěn, takže uživatel nemusí nastavovat žádné parametry. Operátor jen vybere schéma, nastaví doby trvání deště a pauzy a zapne/vypne logování. Systém je úspěšně vyzkoušen v praxi v polních podmínkách, přičemž se dostalo velkého uznání jeho vizualizaci fungující na jakémkoliv tabletu i inteligentním telefonu s operačním systémem Android. Hlavní přínos spojení řízení se zaznamenáváním dat spočívá v tom, že lze opustit dosavadní praxi, kdy bylo nutné zaznamenávat naměřené hodnoty ručně nebo s použitím autonomních záznamníků dat a následně srovnávat časy pořízení apod., tedy postupovat způsoby náchylnými ke vzniku chyb.   Projekt simulátoru není z pohledu automatizace a snímací techniky uzavřen a vstupuje do další etapy, kdy je plánováno přidání dalších čidel a převodníků. K tomuto má modernizovaný řídicí systém simulátoru velmi dobré předpoklady: dostatečně dimenzovaný rozváděč, možnost přidat další karty I/O ze systému WAGO-I/O-System 750, a především záznamník dat vestavěný v jednotce PFC, který poskytuje přesně tu integrující funkci, která předchozí verzi simulátoru chyběla. Po připojení nových snímačů k řídicímu systému se jejich výstupní údaje budou automaticky logovat synchronně s časem a s ostatními údaji, jako jsou tlak, vybraný scénář či aktivované trysky. Analytik si pak snadno stáhne soubor typu CSV z jednotky PFC prostřednictvím WiFi k následnému zpracování a vyhodnocení měření v kanceláři.   V plánu je především připojení ultrazvukového převodníku polohy hladiny Banner U-GAGE S18U, kdy z naměřených hodnot bude možné vypočítat průtok. Dále je v plánu připojení srážkoměru s funkcí ověření bodové hodnoty srážky a náhrada v současnosti využívané sondy vlhkosti půdy ThetaProbe ML2x se speciálním výstupním signálem 0 až 1 V novým snímačem vlhkosti se standardním výstupem na 0 až 20 mA, přímo připojitelným k dosavadní kartě I/O WAGO 750-453. Rovněž se uvažuje o integraci komunikačního standardu SDI-12, v tuzemsku nepříliš známého, což je speciální sériová komunikační sběrnice vyvinutá v USA koncem 80. let minulého století k současnému připojení až 62 různých snímačů parametrů okolního prostředí. K tomu bude nutný převodník SDI-12/RS-232, který umožní připojit sběrnici SDI-12 k řídicímu systému prostřednictvím portu RS-232 vestavěného v jednotce PFC.   Pokud jde o software, je naplánováno přidat další scénáře a dále pokročit v automatizaci chodu celého simulátoru tak, aby zaškolení obsluhy bylo co nejsnazší. Cílem je omezit roli obsluhy při výběru intenzity deště, popř. některé ze sekvencí dešťů v případě variabilní srážky (uživatel jen zadá, jakou chce intenzitu deště, a systém sám vybere scénář s potřebnými parametry).   Poděkování Příspěvek vznikl s podporou v rámci projektů NAZV QJ1520265 Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině a NAZV QJ1530181 Metodika stanovení hodnot C faktoru pomocí simulátoru deště.   Literatura: [1] ISERLOH, T. et al.: European small portable rainfall simulators: A comparison of rainfall characteristics. Catena, 2013, pp. 100–112. [2] KOLÁČKOVÁ, J. et al.: Výzkum půdní eroze pomocí laboratorního dešťového simulátoru. In: Sborník konference Workshop 2002 Extrémní hydrologické jevy v povodích, pp. 73–78. [3] KAVKA, P. et al.: Modernizace a kalibrace mobilního dešťového simulátoru. Stavební obzor, svazek 05/2013, pp. 137–142. [4] STRAUSS, P. et al.: Rainfall Simulation for Outdoor Experiments. In: Current research methods to assess the environmental fate of pesticides, 2000, pp. 329–333. [5] CHRISTIANSEN, J.: Irrigation by Sprinkling. California Agricultural Experiment Station, 1942, Bulletin No. 670.   Ing. Ondřej Nývlt, Ph.D. (nyvlt@feramat.com), Feramat Cybernetics s. r. o., Ing. Petr Kavka, Ph.D., Fakulta stavební ČVUT v Praze   Obr. 1. Mobilní simulátor deště FSv ČVUT v terénu Obr. 2. Schéma nového (2015) rozložení trysek při nejčastěji využívaném měření dvou postřikovaných ploch (1 × 1 m a 8 × 2 m) Obr. 3. Příprava mobilního simulátoru deště k měření Obr. 4. Ventily k řízení toku vody do postřikovacího ramene simulátoru – zleva: obtok trysek na rameni, regulační ventil, hlavní ventil Obr. 5. Procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 Obr. 6. Sestava řídicího rozváděče simulátoru Obr. 7. Operátorské rozhraní k manuálnímu ovládání simulátoru Obr. 8. Operátorské rozhraní k ovládání scénářů Obr. 9. Časový průběh tlaku vody a minutové intenzity deště v průběhu experimentu s novým řídicím systémem (9. 7. 2015) Obr. 10. Časový průběh tlaků v potrubí a kontrolní minutové intenzity naměřené srážkoměrem – stav před instalací nového řídicího systému   Tab. 1. Rozšířené měření prostorového rozložení umělého deště (červen 2015) Číslo zkoušky Schéma trysek Qmean1) (l) CU-index (%) Naměřená intenzita srážek (mm/h) Relativní směrodatná odchylka (%) 1 schéma 1 10,65 78,9 105,8 ± 22,6 ±21 2 schéma 3 2,77 78,8 53,4 ± 10,8 ±20 3 2,97 82,9 50,3 ± 7,8 ±16 4 schéma 2 5,78 82,4 102,1 ± 16,4 ±16 5 5,60 80,8 104,5 ± 18,6 ±18

Měření množství tepla

Měření množství tepla je základním předpokladem pro platby za odebrané teplo nebo pro hodnocení ekonomiky určité části provozu či pro optimální provoz a řízení zdroje tepla a horkovodu. Z dlouhodobého hlediska měření tepla poskytuje informace pro posouzení velikosti tepelných ztrát a technického stavu zařízení.   1. Principy měřičů přeneseného tepla   Teoretickým základem měřičů tepla, které je předávané teplonosnou látkou (voda, pára), je vztah pro výpočet tepelného výkonu   Pq= Qm(h1 – h2)          (1)   kde Pqje tepelný výkon (W), Qmhmotnostní průtok teplonosné látky (kg/s), h1, resp. h2 měrné entalpie teplonosné látky na vstupu, resp. na výstupu tepelné sítě (J/kg).   Tepelný výkon Pq je tedy vypočten ze součinu hmotnostního průtoku teplonosné látky Qm a rozdílu měrných entalpií teplonosné látky na vstupu a na výstupu tepelné sítě h1 a h2. Měrnou entalpii teplonosné látky h však není možné zjistit přímým měřením, ale pouze výpočtem ze vztahu   h = cp(t – tref)          (2)   kde cpje měrná tepelná kapacita teplonosné látky (J/(kg∙K)), t teplota teplonosné látky (°C), tref referenční teplota (obvykle 0 °C) [1].   Stejný princip, který je využíván k měření předaného tepla, lze využít i k měření chladu předávaného prostřednictvím vhodného média.   1.1 Měření tepla přenášeného kapalným médiem Jestliže je hmotnostní průtok Qm nahrazen průtokem objemovým QV (m3/s) a podle vztahu (2) je dosazen do vztahu (1), získá se   Pq= QV(ρ1 cp1 t1 – ρ2 cp2 t2)          (3)   kde ρ a cpjsou hustoty (kg/m3) a měrné tepelné kapacity (J/(kg∙K)) teplonosné látky na vstupu (index 1) a výstupu (index 2) tepelné sítě. Hustota a měrná tepelná kapacita obecně závisejí na teplotě.   Je-li teplonosným médiem voda, v důsledku opačných průběhů hustoty a měrné tepelné kapacity v závislosti na teplotě (obr. 1) lze v určitém rozmezí provozních teplot považovat hodnotu součinu hustoty a měrné tepelné kapacity za velmi málo závislou na teplotě a tento součin je pak možné nahradit tzv. tepelným součinitelem k (J/(m3∙K)). V praxi jsou hodnoty tepelného součinitele uloženy v paměti vyhodnocovací jednotky a není nutné je nastavovat.   S využitím tepelného součinitele se pak získá základní vztah pro tepelný výkon předávaný vodou jako teplonosným médiem   Pq= QVk (t1 – t2)           (4)   Z tohoto teoretického vztahu plyne, že pro vyhodnocení tepelného výkonu Pqje třeba měřit objemový průtok QVa teplotní rozdíl (t1 – t2).   Celkové odebrané teplo Qq(J nebo W·s) se získá integrací tepelného výkonu Pqza časový interval od τ1 do τ2.   rovnice 5          (5)   Zjednodušený výpočet podle vztahu (4) lze využít jen při měření v teplovodních sítích. V horkovodních sítích by zjednodušení znamenalo zanesení poměrně velkých chyb, protože jak hustota vody, tak její měrná tepelná kapacita se s teplotou značně mění. V těchto případech je nutné při výpočtu závislosti na teplotě postupovat v souladu se vztahem (3).   Schéma na obr. 2 ukazuje obecné zapojení zařízení pro měření tepelného výkonu a spotřebovaného tepla předávaného kapalným teplosměnným médiem (nejčastěji vodou).   Základní součásti, které tvoří zařízení pro měření tepla přenášeného vodou, jsou: snímač průtoku FI 03, párované teploměry TI 01 a TI 02 a vyhodnocovací jednotka, která vypočítává tepelný výkon a předané teplo podle vztahů (4) a (5).   Jako snímače teploty se nejčastěji používají párované odporové teploměry Pt100 nebo Pt500 ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok se měří ve větvi s ochlazenou vodou a k měření se u kompaktních měřičů využívají průtokoměry lopatkové nebo turbínové, ultrazvukové a indukční (za předpokladu dostatečné elektrické vodivosti vody), u výkonnějších průmyslových měřičů tepla se používají průtokoměry se škrticími orgány (se clonou), ultrazvukové a vírové.   Mikroprocesorem řízená vyhodnocovací jednotka (kalorimetrické počítadlo) vyhodnocuje množství tepla při zohlednění hustoty a měrné tepelné kapacity teplosměnného média, popř. pomocí tepelného součinitele k. Vyhodnocovací jednotka je vybavena displejem, na kterém se zobrazují aktuální hodnoty tepelného výkonu, množství předaného tepla, dále je možné zobrazit momentální průtok média, teploty na vstupu a výstupu, maximální hodnoty apod.   Na obr. 3 je schéma zapojení měřiče tepla a příklad kompaktního elektronického měřiče tepla s lopatkovým průtokoměrem PolluCom E [2].   Průtokoměry pro průmyslové měření tepla musí splňovat mnoho požadavků: musí mít malou nejistotu měření, dlouhodobou stabilitu a opakovatelnost měření i při náročných provozních podmínkách. Takovým požadavkům vyhovují např. ultrazvukové průtokoměry. Na obr. 4 je ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 3030 s velmi dobrými metrologickými parametry zapojený do měřicí tratě při měření tepla [3].   Na obr. 5a je příklad vyhodnocovací jednotky měřidla tepla EngyCal RH33 [4], kterou lze použít k měření tepla přenášeného kapalnými médii, jako je voda, směsi vody s glykolem, tepelné oleje apod. Velmi přesně počítá entalpii, tepelný výkon, hustotu a objemový průtok. Jednotka je vybavena univerzálními vstupy, které umožňují připojit různé průmyslové snímače. Pro průtokoměry se využívá proudový signál 4 až 20 mA, popř. pulzní, pro snímače tlaku a teploty 4 až 20 mA, popř. vstupy pro odporové teploměry Pt100, Pt500 nebo Pt1000. Na obr. 5b je vyhodnocovací jednotka měřiče tepla a chladu INMAT 57D s mnoha možnostmi použití [5].   V zahraniční literatuře je možné se setkat s označením BTU-flowmeter; je to přístroj k měření energetického obsahu v tekoucí kapalině udávaného v BTU (British thermal unit).   1. 2 Měření tepla přenášeného vodní párou Pro tepelný výkon předávaný přehřátou a následně kondenzující párou Pqplatí   Pq= Qmcpáry (tp – tk) + QmΔvýpH + Qmcvody (tk – tkv)          (6)   kde Qmje hmotnostní průtok páry nebo vody, cpáry, cvody měrné tepelné kapacity páry a vody (obecně závisejí na teplotě), ΔvýpH měrná výparná entalpie (měrné skupenské teplo kondenzační), tp teplota přehřáté páry v přiváděcím potrubí tepelné sítě, tk teplota kondenzace (≈100 °C), tkv teplota kondenzátu ve vratném potrubí tepelné sítě.   Jednotlivé členy v rovnici (6) představují tepelné výkony předávané: a) ochlazením přehřáté páry z teploty tp na teplotu kondenzace tk ≈ 100 °C, b) kondenzací páry při teplotě tk, c) ochlazením vody na teplotu odcházejícího kondenzátu tkv.   Parametry, které se měří, jsou vyznačeny ve schématu na obr. 6. Jsou to teplota tp a tlak pp přehřáté páry, teplota tkv kondenzátu a průtok Q teplonosného média. Je možné měřit buď průtok páry (přímá metoda) [6], nebo průtok kondenzátu (nepřímá metoda) [7]. Měří-li se objemové průtoky, jsou jejich hodnoty ve výpočetní jednotce přepočteny na hmotnostní průtoky.   Při poklesu hodnot parametrů páry pod mez sytosti (mokrá pára) se pro výpočet množství tepla používá tzv. náhradní metoda, při které se výpočet doplňuje korekčním součinitelem dohodnutým mezi dodavatelem a odběratelem tepla [6], [7].   K měření teploty se obvykle používají párované odporové teploměry ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok bývá měřen měřidly se škrticími orgány, ultrazvukovými a vírovými průtokoměry.   Výpočetní jednotka obsahuje matematický člen pro výpočet tepelného výkonu, množství přeneseného tepla na základě měřených parametrů a pro provádění potřebných korekcí měrných tepelných kapacit a hustoty v závislosti na provozní teplotě a tlaku. Mikroprocesorem řízená výpočetní jednotka poskytuje na displeji údaje o tepelném výkonu, množství tepla, průtoku a proteklém množství teplonosného média, teplotách, tlaku i o příslušných součinitelích a konstantách.   Na obr. 7 až obr. 9 jsou ukázky přístrojové techniky využívané k měření množství tepla předávaného v parních tepelných sítích.   Na obr. 7 je ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 s vyhodnocovací jednotkou pro měření množství tepla. Na obr. 8 je vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9]. K měření tedy nejsou zapotřebí další snímače pro měření tlaku a teploty páry; jako výstup je k dispozici i údaj o hmotnostním průtoku. Na obr. 9 je ukázáno clonové měřidlo průtoku s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]. Přístroje pro měření tepla v páře a přístroje pro měření tepla a chladu rovněž vyrábí a dodává firma ELIS Plzeň [6], [7].   2. Použití měřičů tepla Měřiče tepla pro kapalná teplonosná média je možné využít k měření tepla nebo chladu. Nacházejí uplatnění v komunálních teplárenských sítích, při vytápění a chlazení průmyslových objektů a využívají se zejména jako fakturační měřidla. Měřiče tepla přenášeného párou lze využít při používání páry k čištění a sterilizaci v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Investice do měření tepla se vyplatí, protože umožní efektivněji využívat teplonosná média, a tím snižovat provozní náklady.   Některé přístroje jsou vybaveny záznamníkem dat (datalogger), který umožňuje ukládat naměřené hodnoty do paměti v požadovaném formátu včetně časového údaje, důležitého např. při fakturaci. Používá-li se měřidlo pro fakturaci, musí to být stanovené pracovní měřidlo ve smyslu § 3 zákona o metrologii č. 505/1990 Sb. Tato měřidla podléhají povinnému úřednímu ověření.   Měřidla tepla bývají vybavena komunikačním rozhraním (Ethernet, Modbus nebo M-Bus) a díky tomu lze měřidlo integrovat do řídicího a informačního systému závodu nebo teplárenské sítě.   Text článku vychází z kapitoly 10 Měření množství tepla v knize Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.), Ostrava, Key Publishing, 2015.   Literatura: [1] KADLEC, K.: Měření množství tepla. In: Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.). Ostrava, Key Publishing, 2015. [2] JSP: Kompaktní měřič tepla PolluCom E [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/kompaktni-meric-tepla-pollucom-e.html [3] KOMP, P.: Měření průtoku horké vody v průmyslu v soupravách pro měření množství tepla. Automa, 2010, č. 11, s. 46–47. [4] ENDRESS+HAUSER: Měřič tepla EngyCal RH33 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.cz.endress.com/cs/Polni-instrumentace-sita-na-miru/System-Components-Recorder-Data-Manager/M%C4%9B%C5%99i%C4%8D-tepla-RH33?highlight=engycal [5] ZPA Nová Paka: Měřič tepla a chladu, vyhodnocovací jednotka průtoku plynu INMAT 57D [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.zpanp.cz/meric-tepla-a-chladu-vyhodnocovaci-jednotka-prutoku-plynu-inmat-57d-280.html [6] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře přímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 4000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st4000.html [7] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře nepřímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 5000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st5000.html [8] JSP: Ultrazvukový měřič tepla a kondenzátu Ultraheat UH50 [on-line]. [cit. 1. 2 . 2 016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/ultrazvukovy-meric-kondenzatu-ultraheat-uh50.html [9] KROHNE: Vírový průtokoměr OPTISWIRL 4070 [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://cz.krohne.com/cs/vyrobky/mereni-prutoku/virove-prutokomery/optiswirl-4070/ [10] EMERSON: Rosemount Compact Orifice Flowmeters [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/flow/dp-flow-products/compact-orifice-flowmeters/pages/index.aspx   doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz)   Obr. 1. Závislost hustoty a měrné tepelné kapacity vody na teplotě Obr. 2. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného vodou Obr. 3. Elektronický měřič tepla: a) obecné schéma, b) kompaktní měřič tepla PolluCom E [2] Obr. 4. Ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 330 v potrubí při měření tepla [3] Obr. 5. Vyhodnocovací jednotky měřidel tepla: a) jednotka EngyCal RH33 [4], b) jednotka INMAT 57D [5] Obr. 6. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného párou Obr. 7. Ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 [8] Obr. 8. Vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9] Obr. 9. Průřezový kompaktní průtokoměr s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]

Kybernetická bezpečnost průmyslových řídicích systémů (část 3)

Mario Chiock, Del Rodillas   Článek popisuje, co hrozí průmyslovým řídicím systémům z hlediska kybernetické bezpečnosti, a shrnuje, jak těmto hrozbám čelit. Uvádí devět základních funkcí, které by měla splňovat moderní platforma pro zabezpečení průmyslových řídicích systémů, aby zajistila maximální dostupnost zařízení a přitom je ochránila před existujícími i dosud neznámými hrozbami.   Článek je redakčně upravenou verzí studie Defining the 21st Century Cybersecurity Protection Platform for ICS společnosti Palo Alto Networks. První dvě části článku byly zveřejněny v č. 2/2016, str. 34–36, a v č. 4/2016, str. 42–44.   2.5 Detekce neznámého malwaru a prevence proti němu Dále je třeba zabývat se otázkou, jak se vypořádat s neznámým malwarem, který se šíří v komunikační síti ICS. To je úkol centrálního jádra pro inteligentní rozpoznávání hrozeb. Moderní bezpečnostní platforma musí izolovat místo v síti s podezřelou komunikací a poslat informace bezpečnostnímu jádru, které provede rychlou automatickou analýzu a navrhne ochranná opatření jako spuštění antivirového programu, úprava slabého místa apod. Komponenta, která má tuto funkci, může pracovat samostatně, ale efektivnější je tehdy, když je součástí kompletní platformy. Potom může automaticky nejen analyzovat hrozby, ale také poskytnout ochranným zařízením, tj. firewallům, návrh opatření. Detekce je totiž užitečná, ale svého efektu dosahuje jen v uzavřené smyčce. Protože bezpečnostní jádro sbírá různé informace i s jejich kontextem, je analýza velmi efektivní a pomáhá se vypořádat i s útoky typu zero day. Při výběru vhodné platformy je tedy třeba být opatrný na taková řešení, která uživateli jen oznámí, že má problém, ale s jeho řešením mu nepomůžou. Na obr. 6 je ukázán koncept řešení, které rychle odhalí neznámé hrozby a pomůže je zastavit. Jestliže takový systém navíc podporuje vytváření bezpečnostních elektronických podpisů, pomůže i těm zákazníkům, kteří jsou citliví na sdílení souborů mimo hranice podniku.   2.6 Obrana proti útokům typu zero day na koncová zařízení V dalším textu bude věnována pozornost ochraně terminálů HMI, řídicích serverů, pracovních stanic a počítačů administrátorů s privilegovaným přístupem. Na těchto počítačích je provozován software, jehož slabá místa mohou být napadena i na dálku – tento útok se nazývá remote exploit. Uživatel také může podvodný malware spustit sám, úmyslně nebo omylem. Tradiční systémy zabezpečení koncových zařízení hledají signatury, řetězce a chování typické pro kybernetický útok. Takto lze ovšem zastavit jen útok známým malwarem, pro dosud neznámý malware nebo exploit takový typ ochrany vyžaduje značný výpočetní výkon, a přesto je jeho účinnost dosti problematická. Koncová zařízení ICS přitom neohrožují jen útoky zero day v pravém slova smyslu, ale i útoky známým malwarem a již prozrazenými exploity, proti nimž není koncové zařízení dostatečně chráněno, protože od poslední aktualizace jeho softwaru uplynula značně dlouhá doba.   Přístup, který hledá známé signatury, tedy může být jen jednou z variant, ale systém, který zastaví i neznámý exploit, musí účinně blokovat všechny metody používané exploity a malwarem [8]. Každoročně se objeví velké množství nového malwaru, ovšem počet metod průniku, které malware používá, je v řádu desítek až stovek a ročně se objeví jen dva až čtyři nové exploity. To je množina, s níž už lze pracovat. Přestože exploit často využívá kombinaci metod, jimiž se snaží systém napadnout, většinou stačí zablokovat i jen jednu z nich, aby byl útok odvrácen. Ukazuje se, že účinnější je soustředit se na to, jak útok zastavit, než hledat typické řetězce a chování malwaru. Tato metoda je použitelná také pro ověřování instalačních balíčků stažených ze stránek dodavatele softwaru, zda neobsahují trojské koně, podobné např. viru Energetic Bear. Také účinně zabraňuje pokusům o instalaci neautorizovaného softwaru. To, že instalaci nového softwaru je třeba autorizovat, pomáhá udržovat kázeň a přehled o tom, jaký software je na koncových zařízeních nainstalován.   Systém ochrany koncových zařízení využívající popsaný způsob obrany před útoky typu zero day musí také spolupracovat se systémem ochrany komunikační sítě a komunikovat s centrálním jádrem pro detekci hrozeb (obr. 7).   2.7 Centralizovaná správa a reportování Průmyslové řídicí systémy ICS jsou zpravidla velmi distribuované: někdy zahrnují jen jednotlivé stroje a linky v jednom závodě, ale jindy také různé geograficky vzdálené závody nebo např. u distribučních sítí kompresorové stanice plynovodů či rozvodny elektrické sítě. Platforma zabezpečovacího systému musí zajišťovat jejich centralizovanou správu. Spíše než sice centralizované, ale jednotlivé samostatné bloky je výhodnější mít jednu platformu pro všechny potřebné funkce: správu bezpečnostních pravidel, prevenci útoků, databázi povolených URL atd. Systém musí být schopen efektivně agregovat lokálně získané informace a vytvářet konsolidovaný pohled na celý provoz. To výrazně pomáhá při vyšetřování incidentů a při tvorbě podpůrné dokumentace vyžadované při auditu.   2.8 Zabezpečení mobilních zařízení a virtualizovaných systémů Mobilní zařízení a virtualizovaná datová centra zatím nejsou zcela běžnou součástí ICS, ale mnohé významné podniky již zjistily, že využití této techniky pomáhá zvýšit efektivitu a snížit náklady. Začínají se tak využívat např. mobilní terminály HMI v podobě průmyslových tabletů, vhodných pro práci přímo v provozu. Pro zajištění bezpečnosti musí i tato zařízení konzistentně respektovat všechna bezpečnostní pravidla. Některé organizace také již začaly slučovat fyzické servery určené pro aplikace, SCADA, Historian atd., do několika virtualizovaných strojů s jedním supervizorem. Většina uživatelů ICS je při využití mobilních zařízení a virtualizace váhavá, ale jejich čas přichází. To je spojeno s novými požadavky na zabezpečení virtualizovaného prostředí, např. zabezpečením komunikace horizontálním směrem, mezi jednotlivými stroji. Ať už je stupeň využití virtualizace a mobilních zařízení v podniku jakýkoliv, s ohledem na budoucnost je třeba vybírat takové zabezpečovací systémy, které si i v tomto případě mohou poradit.   2.9 Výkonné API a rozhraní pro správu podle průmyslových standardů Platforma, která je vybavena popsaným inteligentním jádrem, přesto potřebuje mít možnost začlenění dodatečných modulů, které pokryjí dříve nepředvídatelné potřeby nebo dodají nové funkce. Proto musí platforma podporovat rozhraní pro správu podle průmyslových standardů a otevřená rozhraní API (Application Programming Interface). Tato rozhraní společně umožní integraci systémů třetích stran, potřebných např. pro zlepšenou správu a konfiguraci bezpečnostních pravidel, analýzu logů, reportování a další důležité bezpečnostní funkce. Například systémy SIEM (Security Information and Event Management) jsou samy o sobě velmi výkonné a dokážou agregovat data z mnoha zdrojů, včetně komunikační sítě, serverů, databází i ze zabezpečovacího systému.   V uplynulých několika letech byly vytvořeny standardy zabývající se speciálně kybernetickou bezpečností kritické infrastruktury a ICS. Jde např. o standardy NERC CIP (North American Electric Reliability Corporation – Critical Infrastructure Protection) pro elektrické rozvodné sítě nebo CFATS (Chemical Facility Anti-Terrorism Standards) pro chemický průmysl. Normy ISA 62443 (Network and system security for industrial-process measurement and control, původně označená a stále běžně známá jako ISA S-99) nebo NIST Special Publication 800-82 Guide to Industrial Control Systems (ICS) Security mohou sloužit jako průvodce a doporučení pro implementaci zabezpečovacího systému. Nejnovější normou je NIST Cybersecurity Framework (CSF). Splnění podmínek této normy je povinné pro vládní agentury USA, ale současně může být dobrým návodem pro všechny podniky kritické infrastruktury [9]. Podniky, které budou používat 21st Century Cybersecurity Protection Platform, budou schopny lépe plnit podmínky uvedených norem, snáze projdou bezpečnostním auditem, ale především budou odolnější proti všem kybernetickým hrozbám.   Vyčerpávající popis NIST CSF není úkolem tohoto článku, ale v tab. 1 je alespoň přehledově uvedeno, jaké funkce NIST CSF popisuje a jak souvisejí s 21st Century Cybersecurity Protection Platform od Palo Alto Networks.   3. Závěr Kybernetické hrozby namířené proti ICS dosáhly takového stavu, že současné metody obrany přestávají být účinné. Jsou třeba nové platformy, které se dokážou vypořádat s různými typy hrozeb a zaručí maximální dostupnost průmyslových zařízení. Tyto platformy, aby dokázaly útok zastavit už v samém počátku, musí kombinovat zabezpečení komunikační sítě a zabezpečení koncových zařízení s inteligentním jádrem pro detekci hrozeb. Navíc musí přinášet podrobný přehled na aplikační a uživatelské úrovni. Taková platforma musí nejen detekovat hrozby, ale také předcházet útokům, a to i těm dosud neznámým. Nebezpečí spojená s provozem kritické infrastruktury a průmyslových zařízení jsou zkrátka tak velká, že nic jiného než prevence nepřipadá v úvahu. Nakonec, platforma musí být snadno použitelná a ovladatelná a musí spolupracovat s ostatními zabezpečovacími systémy.   Literatura: [8] Enterprise Security Platform [online]. Webové stránky produktu. Palo Alto Networks, Inc., Santa Clara, USA, 2007 až 2015 [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <https://www.paloaltonetworks.com/products/platforms.html> [9] ANSI/ISA-62443-1-1: Security for Industrial Automation and Control Systems, Part 1: Terminology, Concepts, and Models. ISA, 2007. [10] Forrester Research. Developing a Framework to Improve Critical Infrastructure Cybersecurity [online]. Prepared for NIST, 2013. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <http://csrc.nist.gov/cyberframework/rfi_comments/040813_forrester_research.pdf> [11] Traps: Advanced Endpoint Protection [online]. Palo Alto Networks, Inc., Santa Clara, USA, 2015 [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <https://www.paloaltonetworks.com/content/dam/paloaltonetworks-com/en_US/assets/pdf/datasheets/Endpoint/endpoint-protection.pdf> [12] NIST Framework for Improving Critical Infrastructure Cybersecurity [online]. National Institute of Standards and Technology, 2014 [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <www.nist.gov/cyberframework/upload/cybersecurity-framework-021214-final.pdf>   Upozornění: Tento článek vyjadřuje osobní názory autorů, nikoliv oficiální stanoviska firem, pro něž autoři pracují. Článek je určen pro vzdělávací účely, nikoliv jako propagace firem, pro něž autoři pracují, ani jiných firem.   Mario Chiock, American Petroleum Institute, Del Rodillas, Palo Alto Networks   Mario Chiock, Cybersecurity & Disruptive Technology Executive Adviser, American Petroleum Institute Mario Chiock dříve pracoval jako náměstek pro kybernetickou bezpečnost (CISO) ve společnosti Schlumberger a získal velké zkušenosti v oboru zabezpečení ICS určených pro těžbu ropy a zemního plynu. Je také aktivním členem společnosti ISSA (Information Systems Security Association) a dobrovolným školitelem programu Certified Information Systems Security. Byl členem správních a dozorčích rad společností WatchFire (nyní IBM), McAfee, ISS (nyní IBM), Qualys, Solera Networks (nyní Blue Coat) a v současné době je aktivním členem správní rady firmy Palo Alto Networks a dozorčích rady firem Onapsis a Watchful Software. Je předsedou podvýboru pro kybernetickou bezpečnost společnosti American Petroleum Institute (API) a jedním ze zakladatelů střediska pro výměnu informací o bezpečnostních hrozbách ISAC (Information Sharing and Analysis Center) v oblasti těžby ropy a zemního plynu.   Del Rodillas, Senior Manager, SCADA and Industrial Controls Cybersecurity, Palo Alto Networks Del Rodilas vystudoval elektrotechniku na Univerzitě Santa Clara (master of science) a titul MBA získal na Whartonově škole při Pensylvánské univerzitě. Pracoval a pracuje na mnohých projektech v oblasti distribučních sítí, těžby ropy a zemního plynu, dopravy i průmyslové výroby.   Obr. 6. Nativní funkce pro vytváření zabezpečeného prostředí pro běh počítačových aplikací, která neznámé hrozby převede na známé a doporučí potřebná opatření Obr. 7. Pokročilý systém zabezpečení koncových zařízení zastavuje útoky a současně komunikuje s inteligentním jádrem pro detekci hrozeb   Tab. 1. Vztah NIST CSF a 21st Century Security Platform Funkční oblasti NIST CSF Odpovídající funkce v 21st Century Security Platform   identifikace identifikace provozu v síti s využitím velmi jemné segmentace aplikace, protokoly ICS, funkční protokoly definování uživatelů a skupin uživatelů, povolené a zakázané IP adresy, země podezřelé programy, datové řetězce, URL, domény ochrana omezení počtu vektorů hrozeb včetně aplikací, protokolů, domén, URL, uživatelů a segmentů ochrana neaktualizovaných systémů před exploity typu zero day a neznámým malwarem ochrana před podvodným použitím protokolů ICS zabezpečení mobilních zařízení a virtualizovaného prostředí ochrana před únikem dat detekce detekce neautorizovaných akcí (ať podvodných, nebo nechtěných) dešifrování šifrovaných přenosů, aby bylo možné identifikovat malware přenášený zašifrovanými zprávami detekce známých hrozeb a detekce neznámých hrozeb (IPS, antivirové programy, detekce podvodných domén a URL, příkazů a útoků označovaných jako Son of Stuxnet) detekci lze realizovat v koncových zařízeních i v síti reakce sdílení informací spojených s hrozbami mezi aplikacemi a uživateli zvyšuje účinnost reakce a umožňuje zjistit původ hrozby inteligentní jádro pro detekování hrozeb v cloudu automaticky analyzuje hrozby a doporučuje obranné opatření pro komunikační síť i koncová zařízení analytické funkce obohacuje integrace s jinými typy zabezpečovacích systémů, např. SIEMS náprava doporučení pro prevenci útoků jsou z inteligentního jádra v cloudu automaticky doručena všem koncovým zařízením informace ze všech postižených zařízení jsou přenášeny do systému centralizované správy a mohou být zprostředkovány dalším součástem systému snadná implementace segmentace a vytvoření dodatečných bezpečnostních pravidel zvyšují zabezpečení systému

Bezdotykové snímače provozních veličin – přednosti a omezení (část 1)

Karel KadlecV příspěvku jsou uvedeny charakteristické rysy bezdotykových a dotykových snímačů provozních veličin, podrobněji jsou popsány principy vybraných bezdotykových snímačů (snímače teploty, polohy hladiny, průtoku a složení) a diskutovány jejich přednosti a omezení. This paper presents characteristics of contactless and contact sensors of process variables, describes in more details principles of selected contactless sensors (temperature sensors, level sensors, flowmeters and analytical sensors), and discusses their advantages and limitations. 1. Obecně o bezdotykových snímačíchJedním z hledisek, podle kterého lze rozdělovat snímače, je skutečnost, zda snímač je nebo není přímo v kontaktu s měřeným médiem. Podle toho se rozlišují snímače:dotykové (kontaktní) – některá konstrukční část snímače je v přímém kontaktu s měřeným médiem a je nutné počítat se vzájemným ovlivňováním vlastností snímače a měřeného prostředí,bezdotykové (bezkontaktní) – nepřicházejí do přímého styku s měřeným médiem, snímač neovlivňuje měřenou veličinu a měřené médium nepůsobí na materiál snímače. Bezdotykové snímače nejčastěji využívají principy elektromagnetické indukce (snímače indukční), šíření záření a ultrazvuku (snímače optické a ultrazvukové) či změny magnetického a elektrického pole (snímače magnetické a kapacitní). Bezdotykové snímače se obecně používají k vyhodnocování polohy částí strojů, materiálů či výrobků, k měření posunutí, vzdálenosti, úhlu (natočení rotujících částí strojů), frekvence otáčení, ale i k měření dalších provozních (procesních, technologických) veličin, jako jsou teplota, poloha hladiny, průtok a složení provozního média, s nimiž se lze často setkat v chemicko-technologických či potravinářských a dalších výrobách. Předložený příspěvek je věnován právě této skupině bezdotykových snímačů, jejich přednostem a omezením. Bezdotykové snímače mají mnoho předností a díky vyloučení mechanického opotřebení vykazují vysokou spolehlivost, přesnost i dlouhou životnost. Při jejich využití je však nutné se zamyslet i nad případnými omezeními a nevýhodami. Při rozhodování o využití bezdotykových snímačů je vhodné posoudit tato hlediska:existence možnosti bezdotykového měření dané veličiny,schopnost bezdotykového měření poskytnout objektivní informaci o měřené veličině,vliv přítomnosti dotykového snímače v měřeném médiu na hodnotu měřené veličiny a vzájemné působení provozního média a materiálu snímače,dynamické vlastnosti snímače. 2. Bezdotykové snímače teplotyBezdotykové měření teploty je oblast, ve které bylo díky elektronice a optice dosaženo značného pokroku. Přenosné bezdotykové teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontrole potrubních systémů, nádrží apod. K měření rozložení teploty na povrchu objektů a k diagnostickým účelům se stále častěji využívají termokamery, které patří k nejmodernější termodiagnostické technice. Při bezdotykovém měření se teplota vyhodnocuje z intenzity infračerveného záření vyzařovaného měřeným objektem. Toto záření je optickým systémem soustředěno na vhodný detektor, jehož elektrický signál je dále zpracován v elektronických obvodech. K bezdotykovému měření teploty se využívají jednak bezdotykové teploměry (IČ teploměry, pyrometry), které poskytují obvykle číslicový výstup na displeji, a jednak termokamery (IČ termokamery, termovizní kamery), jejichž výstupem je termogram na displeji termokamery. 2.1 Přístroje pro bezdotykové měření teplotyZjednodušené blokové schéma uspořádání IČ teploměru a termokamery je na obr. 1. Tepelné záření vyzařované měřeným objektem se soustřeďuje optickou soustavou na detektor IČ záření měřicího přístroje. Optická soustava většinou funguje i jako filtr a musí propouštět záření požadovaných vlnových délek. Termokamera pracuje na principu bezdotykového měření teploty, a princip funkce je tedy stejný jako u IČ teploměrů. Zásadní rozdíl je v tom, že IČ teploměr vyhodnocuje teplotu v jednom bodě (přesněji řečeno vyhodnocuje průměrnou teplotu v určité oblasti), zatímco termokamera vyhodnocuje teplotní pole na povrchu celých objektů (obr. 1). Většina současných typů termokamer využívá tzv. maticové (mozaikové) detektory. Rozdíl je tedy takový, že v pyrometru je použit jeden senzor IČ záření, v termokameře je maticový detektor, obsahující velký počet jednotlivých senzorů tepelného záření [1]. Jako senzory infračerveného záření se používají senzory teploty, u nichž IČ záření vyvolává změnu teploty, která se poté vyhodnocuje. Takovým senzorem je např. mikrobolometr (miniaturní odporový teploměr), který mění elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího záření. Senzory teploty pracují v široké oblasti vlnových délek a nevyžadují chlazení detekčního systému. Dále se používají kvantové fotonové senzory (fotodiody a fotorezistory), které poskytují po dopadu IČ záření elektrický signál (změna napětí či elektrické vodivosti). Kvantové detektory jsou citlivější než detektory teploty, vyžadují většinou chlazení a detekují záření jen v úzkém rozsahu spektra. Elektronické obvody řízené mikroprocesorem vypočítávají teplotu na základě změřeného zářivého toku dopadajícího na detektor. Většina IČ teploměrů má displej, na kterém je možné číst naměřené hodnoty v požadovaných jednotkách, zobrazit maximální a minimální teplotu v jistém časovém intervalu, vypočtenou průměrnou teplotu, rozdíl teplot, nastavenou emisivitu a popř. i další údaje. Výstupem termokamery je barevný obraz na monitoru – termogram. Počet zobrazených bodů na termogramu odpovídá počtu senzorů na maticovém detektoru a každý bod termogramu obsahuje informaci o teplotě. Hodnotu emisivity, popř. dalších korekcí zadává operátor prostřednictvím obslužné klávesnice. Běžnou součástí bezdotykového teploměru je zaměřovací systém, který umožňuje zaměřit přístroj na žádanou oblast měřeného objektu. K zaměření se v současné době nejčastěji používají laserové zaměřovače, které na měřeném objektu vizuálně vyznačí viditelnou stopu. Bodový laser vymezuje přibližně střed měřeného terče, dvojitý laser vymezuje průměr měřeného terče, kruhový nebo křížový laser vymezuje přibližně plochu měřeného terče. 2.2 Chyby při bezdotykovém měření teplotyJednou z hlavních příčin chybných výsledků měření je nesprávné zaměření snímané plochy měřeného objektu. Při měření musí plocha měřeného objektu zcela vyplňovat zorné pole pyrometru. Je-li tato podmínka splněna, není výsledek měření závislý na vzdálenosti přístroje od měřeného objektu. Jestliže měřený objekt zorné pole přístroje nevyplňuje, je naměřená teplota váženým průměrem teploty objektu a jeho pozadí (váha je dána podílem ploch). Další faktory, které jsou zdrojem chyb při bezdotykovém měření teploty, jsou:charakter povrchu měřeného objektu (lesklý, drsný, barevný, černý nebo také transparentní) – chyby lze kompenzovat nastavením emisivity,odraz záření z rušivých zdrojů (zdrojem záření mohou být všechny předměty v okolí měření) – chyby lze u některých přístrojů kompenzovat nastavením tzv. odražené teploty,zdroj tepelného záření za transparentním měřeným objektem,prostředí mezi měřeným povrchem a IČ teploměrem (prostupnost prostředí ovlivní např. CO2, vodní pára, prach aj.), popř. měření přes okno propustné pro IČ záření. Při měření bezdotykovým teploměrem je třeba mít vždy na zřeteli, že IČ teploměr nebo termokamera měří teplotu povrchu objektu; k měření vnitřní teploty je zapotřebí použít vhodný dotykový teploměr. Pro předcházení chybným výsledkům měření je rovněž nezbytná pravidelná kontrola a případná kalibrace bezdotykového teploměru. 3. Bezdotykové snímače polohy hladinyZjišťování polohy hladiny kapalin a sypkých hmot v zásobnících a provozních nádobách, jako jsou různé tanky, zásobní a provozní nádrže, destilační kolony, odparky, krystalizátory, mísicí nádoby apod., je v provozní praxi jednou z velmi častých úloh. Různorodost požadavků na měření hladiny se odráží ve velkém počtu měřicích metod a přístrojů od jednoduchých, jako je plovák, až po moderní, mezi něž patří i bezdotykové snímače – hladinoměry optické, ultrazvukové, radarové a radioizotopové. 3.1 Optické hladinoměryPrincip optických snímačů polohy hladiny může být založen na využití průchodu, odrazu nebo lomu paprsků viditelného, infračerveného nebo laserového záření [1]. Snímače, které využívají laser, pracují na podobných principech jako radarové (mikrovlnné) hladinoměry a jsou vhodné pro bezkontaktní měření polohy hladiny v náročných podmínkách. Laserové snímače mohou využívat pulzní metodu měření nebo měření frekvenčně modulovanou kontinuální vlnou, které budou zmíněny u radarových snímačů polohy hladiny. V dalším textu jsou uvedeny především snímače pracující se zářením ve viditelné a IČ oblasti. Transmisní (absorpční) snímače využívají průchod paprsku viditelného nebo IČ záření skrz průhlednou či průsvitnou nádobu (ze skla či plastu) nebo přes vhodné okénko. Snímač může pracovat jako mezní spínač nebo může monitorovat hladinu spojitě (obr. 2). Konstrukční části snímače sice nejsou v přímém kontaktu s měřeným médiem, to je však v kontaktu s okénky, na nichž by neměly ulpívat nečistoty a usazeniny. Reflexní snímače využívají pro detekci polohy hladiny odraz paprsků viditelného či IČ světla od hladiny měřeného média, kterým může být jak kapalina, tak i sypká látka (obr. 3). Paprsek světla je směrován k povrchu měřeného média a odráží se zpět směrem k detektoru, který je umístěn ve stejném pouzdru jako světelný zdroj. Tento typ snímače pracuje jako bezdotykový a lze jej použít v případech, kdy je parní prostor čistý. Funkci spínače významně ovlivňují změny v charakteru odrazivosti povrchu měřeného média. Refrakční snímače, které využívají lom světla na rozhraní dvou optických prostředí, patří do snímačů dotykových. 3.2 Ultrazvukové hladinoměryUltrazvukové hladinoměry využívají několik principů. Při spojitém měření polohy hladiny se měří doba průchodu ultrazvukové vlny od vysílače přes odraz od hladiny zpět k přijímači a z naměřené doby se při známé rychlosti šíření ultrazvuku v daném prostředí vypočítá vzdálenost. K limitnímu měření polohy hladiny se využívá jednak útlum (absorpce) ultrazvukových vln v závislosti na složení prostředí, kterým ultrazvuk prochází, jednak měření odrazu ultrazvuku přes stěnu nádoby [1]. Na obr. 4 je nakresleno schéma ultrazvukového hladinoměru, který využívá měření doby šíření ultrazvukového impulzu. Měřicí zařízení tvoří generátor a vysílač ultrazvukového signálu, přijímač ultrazvuku a elektronické vyhodnocovací zařízení. Vysílač a přijímač ultrazvukových impulzů tvoří konstrukční celek, obvykle umístěný v horní části nádrže. Funkci celého zařízení řídí generátor pulzů. Na počátku měřicího cyklu je z vysílače vyslán ultrazvukový impulz, který se po odrazu od hladiny vrací k přijímači. Doba t naměřená elektronickým obvodem závisí na rychlosti ultrazvuku c v daném prostředí a na délce dráhy ultrazvuku L, a tím i na poloze hladiny. Poloha hladiny h se stanovuje odečtením naměřené dráhy L od maximální vzdálenosti Lmax (vzdálenost ke dnu nádrže). 3.3 Radarové hladinoměryRadarové hladinoměry pracují analogicky jako ultrazvukové hladinoměry, využívají však mikrovlnné záření. Mikrovlnné záření je elektromagnetické vlnění o frekvencích 1 až 300 GHz. U radarových hladinoměrů se využívají frekvence v rozmezí 5,8 až 26 GHz. Rychlost šíření mikrovln odpovídá rychlosti světla. Ve vakuu je to 3·108 m·s–1, v jiných médiích je rychlost závislá na permitivitě materiálu. Kvalita odrazu mikrovln závisí na permitivitě povrchu. Téměř dokonale se vlnění odrazí od povrchu hladiny dobře vodivé kapaliny. Při dopadu mikrovlnného záření na elektricky vodivý povrch nastane zkrat elektrického pole a vlnění je účinně odraženo. U elektricky nevodivých kapalin (organické látky) účinnost odrazu významně záleží na hodnotě relativní permitivity média [1]. Radarové hladinoměry lze rozdělit na dvě skupiny, a sice na bezkontaktní a kontaktní. U bezkontaktních radarových hladinoměrů se mikrovlny šíří plynným prostředím nad hladinou měřeného média, u kontaktních radarů se mikrovlny šíří vlnovodem, který je ve styku s měřeným médiem. Bezkontaktní pulzní radarový hladinoměr pracuje s krátkými mikrovlnnými impulzy s frekvencí např. 6 GHz a s dobou trvání asi 1 ns, které jsou pomocí antény vysílány směrem k hladině měřeného média (obr. 5). Na hladině se vlna částečně odrazí zpět k vysílači a částečně prochází do druhého prostředí. Měří se čas potřebný k průchodu elektromagnetických vln z vysílače k hladině (t1) a zpět k přijímači (t2). Podle této doby je metoda označována jako TOF (Time Of Flight). Z doby, která uplyne mezi vysláním a přijetím elektromagnetické vlny (t = t1 + t2) se stanoví poloha hladiny h. Další vysílaný impulz následuje po přestávce, která je potřebná pro příjem odražené vlny (tzv. echa). Po dobu přestávky je vysílač přepnut do funkce přijímače. Jedna perioda měření trvá řádově 106 s. Při technické realizaci tohoto principu se objevují problémy měření velmi krátkých úseků času. Při požadavku měřit polohu hladiny s chybou menší než 1 mm je nutné měřit čas s rozlišením 6·1012 s. Vzhledem k velkým požadavkům na přesnost měření času u pulzního radaru je vhodnějším řešením radar s rozmítaným spojitým signálem. Tento radar využívá frekvenční metodu, která je založena na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave). Předností frekvenční metody je skutečnost, že se vyhodnocuje rozdíl frekvencí (řádově v kilohertzích), který lze stanovit velmi přesně, což umožňuje stanovit polohu hladiny s přesností až ±1 mm [1]. 3.4 Radioizotopové hladinoměryRadioizotopové hladinoměry využívají skutečnost, že intenzita radioaktivního záření klesá úměrně s tloušťkou vrstvy materiálu mezi zářičem a detektorem. Vyhodnocuje se tedy zeslabení svazku ionizujícího záření při jeho průchodu monitorovaným hmotným prostorem. Měřicí zařízení tvoří radioaktivní zářič a detektor záření s elektronickými obvody. Intenzita záření dopadající na detektor závisí na tloušťce vrstvy měřeného materiálu. Jako radioaktivní zářiče se používají zdroje záření gama, které velmi dobře proniká materiálem, ale nemá schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu). Lze je proto používat i k měření v potravinářském průmyslu. Aby nebyly nutné časté kalibrace, používají se izotopy s delším poločasem rozpadu, např. Co 60 (poločas 5,5 roku) nebo Cs 137 (poločas 30,5 roku). Zářič musí být opatřen olověným ochranným krytem tloušťky několik desítek centimetrů. K detekci záření se používá buď Geigerův-Müllerův detektor nebo citlivý scintilační detektor s fotonásobičem. Scintilační detektory jsou citlivé na teplotu (neměla by překročit hodnotu přibližně +55 ºC). K dispozici jsou systémy s automatickou kompenzací poločasu rozpadu zářiče, které nevyžadují v podstatě žádnou údržbu, a vybavené chlazením detektoru, které mohou pracovat i při zvýšené teplotě. Na obr. 6 je znázorněno limitní a spojité měření polohy hladiny v nádrži. Při limitním měření se skokově mění absorpce radioaktivního záření, při spojitém měření se s polohou hladiny mění tloušťka vrstvy materiálu. Důležitou předností radioizotopových hladinoměrů je možnost montovat zářič i přijímač na vnější stranu stěn zásobníku. Příklad takového bezkontaktního měření s využitím scintilačního detektoru je na obr. 6c. 4. Bezdotykové snímače průtokuPro měření průtoku a proteklého množství tekutin je k dispozici mnoho přístrojů, které jsou založeny na různých fyzikálních principech. Je to dáno tím, že existují velké rozdíly v chemických i fyzikálních vlastnostech průmyslových tekutin a v podmínkách i účelu měření. Bezdotykové snímače lze nalézt mezi průtokoměry ultrazvukovými a indukčními. 4.1 Ultrazvukové průtokoměryPodle vyhodnocení ultrazvukového (UZ) signálu se ultrazvukové průtokoměry rozdělují do dvou hlavních skupin:průtokoměry s vyhodnocováním doby průchodu signálu (transit-time flowmeters),průtokoměry využívající Dopplerův jev. U každé z těchto skupin lze nalézt další podrobnější způsoby členění. Z hlediska montáže průtokoměru do potrubního systému se rozeznávají:provedení se smáčenými (zásuvnými) snímači (in-line), které jsou pevnou součástí měřicí trubice,provedení s příložnými snímači (clamp-on), kdy snímače jsou přikládány na stěnu potrubí; v tomto případě jde o bezdotykové měření. 4.1.1 Průtokoměry s vyhodnocením doby průchodu signáluUltrazvukový průtokoměr je tvořen měřicí trubicí, ve které je zabudován jeden nebo několik párů vysílače a přijímače ultrazvukového signálu. Průtokoměry jsou velmi často konstruovány v diferenčním zapojení, kdy je ultrazvukový signál vysílán jednak ve směru, jednak proti směru proudění. Schéma takového průtokoměru se dvěma páry vysílače a přijímače ultrazvukových impulzů je na obr. 7. Vysílač V1 vysílá impulzy ve směru proudění, vysílač V2 proti směru proudění. Ultrazvukový impulz vyslaný vysílačem V1 se šíří rychlostí c + v cos α kdec je rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí,v střední rychlost proudícího média. Rychlost šíření impulzu od vysílače V2 je c – v cos α Doby mezi vysláním a přijetím impulzu pro jednotlivé dvojice vysílače a přijímače jsou t1 a t2 a lze je vyčíslit jako podíl vzdálenosti L a příslušné rychlosti. Z naměřeného rozdílu Δt = t2 – t1 lze vypočítat rychlost proudícího média a jeho objemový průtok [1]. 4.1.2 Průtokoměry využívající Dopplerův jevPrůtokoměr založený na Dopplerově jevu lze použít v případě, že proudící médium obsahuje částice odrážející zvuk, tj. např. pevné částice či bubliny plynu v kapalině. Bez přítomnosti těchto částic nemůže průtokoměr tohoto typu pracovat. Průtokoměr se skládá z vysílače a přijímače ultrazvuku, které mohou být připevněny na jedné nebo obou stranách potrubí. Ultrazvukový signál o známé frekvenci přibližně 1,2 MHz je vysílačem vysílán do proudící kapaliny (obr. 8). Vysílaný signál se odráží od pohybující se částice či bubliny a při zachycení odraženého signálu přijímačem je vyhodnocována změna frekvence přijatého signálu. Rozdíl mezi oběma frekvencemi je úměrný rychlosti proudícího média. Vhodným zpracováním signálu lze zjistit střední rychlost průtoku. Elektroakustické měniče ultrazvukového průtokoměru mohou být v těsném bezprostředním styku s měřenou kapalinou – tak tomu je u průtokoměrů se zásuvnými (smáčenými) snímači (obr. 9a). Mohou však být instalovány na potrubí z vnějšku – u průtokoměrů s příložnými snímači (clamp-on; obr. 9b). Příložné průtokoměry měří bezdotykově a neovlivňují měřený průtok, protože nezasahují do proudícího média. Mohou být na potrubí instalovány, aniž by bylo nutné přerušit provoz. S výhodou je lze využít k měření průtoku kalů a znečištěných tekutin, které běžným průtokoměrům způsobují těžkosti. Pro potravinářský a farmaceutický průmysl je důležité, že měření je naprosto hygienické, nehrozí žádná kontaminace média a nemůže ani docházet k usazování kalů v průtokoměru. Při čištění a sanitaci potrubí není třeba brát na průtokoměr žádný ohled – nehrozí nebezpečí jeho poškození nebo zničení. 4.2 Laserový senzor rychlosti proudění využívající Dopplerův jevNovinkou mezi bezdotykovými senzory je senzor LaserFlow, který měří průtok v průtočném profilu bezkontaktním laserovým senzorem na principu Dopplerova jevu a polohu hladiny ultrazvukovým senzorem (obr. 10a). Senzor LaserFlow využívá pokročilý princip měření rychlosti laserovým paprskem v jednom nebo několika bodech pod hladinou (obr. 10b) a s využitím pokročilého softwaru lze zohlednit rozložení rychlostí v průtočném profilu [2], [3]. Senzor LaserFlow je vhodný k měření průtoku mělkých vod ve velkých i malých potrubích, k monitorování různých druhů odpadních vod v kanálech i potrubích, měření průtoku ve výrobním procesu, v zavlažovacích kanálech, k měření průtoku dešťové vody apod. 4.3 Indukční průtokoměryTéměř ve všech publikacích je měřicí princip indukčního průtokoměru vysvětlen na základě Faradayova indukčního zákona, podle kterého vzniká napětí jako důsledek časové změny magnetického toku při pohybu vodiče v magnetickém poli. Jiné vysvětlení principu měření, které je bližší fyzikální podstatě děje, vychází z působení Lorentzova zákona, který určuje magnetické síly působící na náboj q, jenž se pohybuje v magnetickém poli o indukci B rychlostí v, a elektrické síly působící na tento náboj v elektrickém poli o intenzitě E [4]. V proudící vodivé kapalině jsou v dostatečné koncentraci obsaženy nabité částice (ionty), které se pohybují ve směru proudění. Síla Fm vyvolaná magnetickým polem, která působí vychýlení iontu s nábojem q (při rychlostí v a indukci B), je dána vektorovým součinem Fm = q(v×B). (Poznámka: veličiny, které mají charakter vektoru, jsou vyznačeny tučně). Tato síla způsobí vychýlení nábojů směrem k elektrodám umístěným ve stěně potrubí o průměru d. Vychýlené náboje vytvoří na elektrodách rozdíl potenciálů o napětí U. Hodnota intenzity elektrického pole je pak dána napětím na elektrodách U a  jejich vzdáleností d |E| = U/d Síla Fe vyvolaná elektrickým polem je podle Lorentzova zákona dána součinem intenzity elektrického pole a náboje Fe = qE Síly Fm a Fe působí proti sobě a pro rovnováhu platí |q(v×B)| = qU/d Za předpokladu, že spojnice elektrod je kolmá k rovině vektorů B a v, pro vektorový součin platí U = Bdv což je formálně stejný vztah jako vztah odvozený podle Faradayova zákona [4]. Průtokoměr tvoří tři základní komponenty: měřicí trubice, elektromagnet a elektrody (obr. 11). Tyto prvky jsou vestavěny do pouzdra, které musí být v souladu s provozními podmínkami. Měřicí trubice je vyrobena z nemagnetického materiálu (korozivzdorná ocel, keramika, plast). Je-li trubice z vodivého materiálu, musí být opatřena izolační výstelkou (pryž, keramika, teflon či jiné plasty), která izoluje snímací elektrody od vodivých částí měřicí trubice. Snímací elektrody snímají signální indukované napětí a jsou v přímém kontaktu s proudící kapalinou. Soustava elektrod bývá nejčastějším zdrojem závad, které jsou vyvolány korozí či abrazí elektrod, zanášením úsadami anebo porušením jejich těsnosti. Někteří výrobci nabízejí indukční průtokoměry s kapacitními elektrodami, které nejsou v kontaktu s měřeným médiem (obr. 11b). Měřicí elektronika vyhodnocuje náboj vyvolaný pohybující se kapalinou v magnetickém poli, který vzniká na izolovaných plošných elektrodách. Signál z kapacitních elektrod lze použít i pro vyhodnocení zaplnění trubice kapalinou, a proto přístroje vybavené kapacitními elektrodami mohou měřit i při neúplném zaplnění měřicí trubice. Kapacitní elektrody jsou integrovány ve výstelce, nejsou v kontaktu s měřenou kapalinou, a proto nemohou být znečištěny např. tukem plovoucím na hladině měřeného média [5]. (Článek vznikl na základě přednášky přednesené na konferenci ARaP 2016, www.arap.cz.) Literatura:[1] KADLEC, Karel, Miloš KMÍNEK, Pavel KADLEC a kol. Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách. Ostrava: Key Publishing, 2015. ISBN 978-80-7418-232-7.[2] TELEDYNE ISCO. LaserFlow™ Non-contact Velocity Sensor: Advanced laser Doppler technology for non-contacting area velocity flow measurement. [online]. Lincoln, USA: Teledyne Isco [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.isco.com/products/products3.asp?PL=2022720[3] TECHNOAQUA. Isco bezkontaktní rychlostní senzor LaserFlow [online]. Dolní Břežany: Technoaqua, s. r. o., 2006 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.technoaqua.cz/underwood/download/files/isco-bezkontaktni-laserflow-rychlostni-senzor.pdf[4] ĎAĎO, Stanislav. Měřicí obvody indukčních průtokoměrů (část 1). Automa. FCC Public, 2005, 11, s. 41–47. ISSN 1210-9592.[5] KROHNE. Optiflux 7300: Magneticko-indukční průtokoměr s kapacitními elektrodami a keramickou výstelkou [online]. Duisburg: Krohne, 2011 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: http://cdn.krohne.com/dlc/TD_OPTIFLUX7300_cs_111031_4001701201_R01.pdf (pokračování příště) doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha(karel.kadlec@vscht.cz)  Obr. 1. Blokové schéma IČ teploměru a termokameryObr. 2. Transmisní hladinoměry: a) mezní spínač, b) spojité snímání hladinyObr. 3. Reflexní spínač hladinyObr. 4. Princip ultrazvukového hladinoměruObr. 5. Princip radarového hladinoměruObr. 6. Radioizotopové hladinoměryObr. 7. Ultrazvukový průtokoměr s vyhodnocením doby průchodu signálu (transit-time)Obr. 8. Princip Dopplerova průtokoměruObr. 9. Zásuvný a příložný snímač ultrazvukového průtokoměruObr. 10. Laserový senzor rychlosti proudění využívající Dopplerův jev: a) měření rychlosti a polohy hladiny, b) vícebodové měření rychlostního profilu laserem (upraveno podle [3])Obr. 11. Měření s kontaktními a bezkontaktními kapacitními elektrodamiTab. 1. Přednosti a omezení bezdotykových teploměrů Přednosti Omezení a nevýhody – zanedbatelný vliv měřicího zařízení na objekt, – možnost měřit rychlé změny teploty, – možnost měřit rotující a pohybující se objekty, – možnost snímat rozložení teplot na celém povrchu objektu (termokamera) – měří se pouze teplota povrchu objektu, – chyby způsobené nejistotou stanovení emisivity objektu, – chyby způsobené propustností prostředí (absorpce tepelného záření v prostředí mezi objektem a IČ teploměrem – sklo, CO2, vodní pára, dým), – chyby způsobené odraženým zářením z okolí  Tab. 2. Přednosti a omezení ultrazvukových hladinoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – absence pohyblivých součástí, – bezkontaktní spojité měření, – možnost instalovat z vnější strany nádrže bez porušení těsnosti, – nezávislost na elektrické vodivosti a dielektrických vlastnostech, – kompaktní provedení snímačů, – rozlišovací schopnost až 1 mm, přesnost měření řádu desetin % měřicího rozsahu – ovlivnění signálu v přítomnosti těžkých par a prachu, – rušivé působení turbulentního povrchu hladiny a přítomnosti pěny, – ve vakuu se zvuk nešíří a ultrazvukové hladinoměry není možné využívat již při tlacích menších než 60 kPa  Tab. 3. Přednosti a omezení bezdotykových radarových hladinoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – pracují bez pohyblivých mechanických součástí, – vysoká přesnost (±1 mm) a spolehlivost, – i pro velmi náročné provozní podmínky (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí), – vhodné i pro měření velmi viskózních a lepivých médií, pro pasty a kaly, pro zkapalněné plyny i těkavé a agresivní kapaliny – nevhodné pro kapaliny s nízkou permitivitou, – poměrně vysoká cena zařízení  Tab. 4. Přednosti a omezení radioizotopových hladinoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – bezkontaktní měření (montáž vně nádrže), – nezávislost na teplotě a na tlaku, – nezávislost na změnách chemického složení média, – minimální poruchovost i ve ztížených podmínkách, – uplatnění v náročných provozních podmínkách, při kterých jiné metody nevyhovují, – měření látek silně agresivních, viskózních, při extrémních teplotách a tlacích i ve vakuu, v prostředí s nebezpečím výbuchu, při vysoké prašnosti i při vibracích nádoby – nutnost chránit obsluhu před účinky radioaktivního ozáření, – povinnost zajistit pravidelnou kontrolu ve smyslu příslušných zákonných předpisů  Tab. 5. Přednosti a omezení ultrazvukových průtokoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – široký rozsah měřených průtoků, – vhodné i pro velké průměry potrubí, – žádné překážky v toku, – žádné pohyblivé části, – nevykazuje tlakové ztráty, – rychlá odezva, – možnost měřit znečištěná média, – možnost instalovat snímač vně potrubí (vlastnosti snímače nejsou ovlivňovány proudící tekutinou), – možnost měřit v obou směrech – s Dopplerovým jevem jen pro zakalená a znečištěná média, – s měřením doby průchodu jen pro relativně čisté tekutiny, – nejistota měření závisí na profilu proudění, – změny teploty a hustoty ovlivňují ultrazvukový signál, – tekutina musí být akusticky transparentní, – potrubí musí být zaplněné, – turbulence, víření a pulzace průtoku mohou ovlivnit ultrazvukový signál, – přímé potrubí 10 až 20D před měřidlem a 5D za ním, – vyšší cena  ab. 6. Přednosti a omezení laserového senzoru rychlosti proudění Přednosti Omezení a nevýhody – jedno- nebo vícebodové měření pod hladinou kapaliny, – bez nutnosti manuálně profilovat rychlost, – obousměrné měření rychlosti – měřené médium by mělo obsahovat rozptýlené pevné částice nebo bubliny plynu  Tab. 7. Přednosti a omezení indukčních průtokoměrů s kapacitními elektrodami Přednosti Omezení a nevýhody – žádné překážky v toku média, dokonalá těsnost měřicí trubice, – nevykazuje tlakové ztráty, – velmi dobrá odolnost proti erozi, – nezávislost na změnách viskozity, hustoty, tlaku a turbulencích, – velmi dobrá dlouhodobá stabilita a přesnost, – možnost měřit v obou směrech, – vhodný pro úlohy s velkými požadavky na hygienu v potravinářství nebo ve farmacii, – vhodné i k měření agresivních médií, znečištěných kapalin a kalů, – značný rozsah měření průtoku pro velké rozpětí průměrů, – na rozdíl od snímačů s klasickými elektrodami nevyžadují zcela zaplněné potrubí, – nevznikají problémy s usazováním nečistot na elektrodách a vytváření nevodivých povlaků nebo vodivých povlaků na trubce měřidla – pouze pro elektricky vodivé kapaliny, – doporučuje se přímé potrubí 5D před měřidlem a 3D za ním, – doporučuje se správné uzemnění snímače, – vyšší cena  

Společnost Omron představila nové průmyslové mobilní roboty

Společnost Omron představila svou první produktovou řadu průmyslových mobilních robotů – LD Platform. Mobilní roboty LD jsou efektivní a cenově výhodný prostředek pro manipulaci se zbožím v rozlehlých výrobních provozech. Jedinečné mobilní roboty této řady jsou navrženy tak, aby nepřetržitě a spolehlivě přepravovaly materiál, a rovněž se umí samy navigovat i ve velmi dynamicky se měnícím prostředí.  Mobilní robotické platformy LD (obr. 1), ideální pro manipulaci se zbožím ve skladištích, distribučních centrech a výrobních závodech, zvládnou přepravu kusů o hmotnosti až 130 kg. V porovnání s tradičními automaticky naváděnými vozidly se mobilní roboty Omron umí samy navigovat v přirozeném prostředí podniku. Nejsou nutné žádné cenově a časově náročné úpravy infrastruktury, nejsou třeba podlahové magnety, naváděcí pásy nebo laserové závory, které se vyskytují u klasických automaticky naváděných vozidel. Body doručení lze u mobilních robotů LD snadno měnit a dosáhnout tím flexibilního rozvržení závodu. Mobilní roboty LD od firmy Omron tak doplňují tradiční automatizaci, např. dopravníkové pásy, a umožňují dosáhnout podstatně větší flexibility. Mobilní roboty LD jsou opatřeny systémem samočinné navigace, který spolehlivě pracuje i v prostředích, kde se nepřetržitě pohybují lidé, palety, vozíky či vysokozdvižné vozíky a jsou stále vyprazdňovány a přemisťovány regály. Platforma robotu je vybavena senzory a vestavěným řídicím systémem, které jí dovolují vyhnout se překážkám a zvolit si nejlepší cestu. To také umožňuje bezpečný provoz mezi lidmi, popř. i spolupráci s nimi. Z robotů lze vytvářet skupiny (až sto robotů na jednu skupinu), které jsou centrálně řízeny softwarem Enterprise Manager 1100, jenž spolupracuje se systémy pro správu závodu nebo skladu (např. MES nebo WMS). Součástí nové řady je LD Cart Transporter (obr. 2), autonomní tahač vozíků. Cart Transporter obsahuje zařízení pro automatické zapojení vozíku a dokáže přizpůsobit svou příjezdovou cestu tak, aby se vozík automaticky připojil k tahači. Díky tomu je Cart Transporter ideálním řešením pro doplňování zásob u výrobních a montážních linek nebo pro vyřizování objednávek e-shopů v distribučních centrech. Další informace: https://industrial.omron.cz/cs/products/mobile-robot. [Tisková zpráva Omron Electronics spol. s r. o. Leden 2017.] (Bk) Slovníček Platforma LD: základní část mobilního robotu. Skládá se z podvozku s koly, pohonů, nosných prvků pro upevnění nástavby, baterie, laserových a ultrazvukových snímačů, gyroskopu a řídicího systému LD Core, který obsahuje veškerý software potřebný k navigaci a konektory pro připojení signálů i napájení nástavby. Nástavba: cokoliv, co je neseno platformou. Může to být krabice nebo paleta, zařízení pro automatické připojení transportního vozíku (u zařízení LD Cart Transporter) nebo robotické rameno určené k manipulaci s transportovaným materiálem. Nástavba často zahrnuje také operátorský panel. Transportní vozík: mechanický čtyřkolový vozík (cart) určený k přepravě krabic a palet s materiálem. LD Core: průmyslový počítač vestavěný do platformy LD. Běží na něm software ARAM (Advanced Robotics Automation Management), který zpracovává údaje ze všech snímačů platformy, SetNetGo, který komunikuje s aplikací řídící celou flotilu robotů (Enterprise Manager), a MARC (Mobile Adept Robot Controller), který zpracovává údaje z gyroskopu a snímačů polohy v pohonech, komunikuje se systémem ARAM, určuje polohu robotu a řídí pohony, včetně bezpečnostního zastavení před překážkou. Autonomní inteligentní vozidlo: (AIV – Autonomous Intelligent Vehicle); v tomto případě platforma s nástavbou, tedy kompletní mobilní robot, který může přemisťovat materiál, polotovary, zboží apod. Enterprise Manager 1100: software, který řídí provoz celé flotily (až stovky) mobilních robotů. Obr. 1. Platforma mobilního robotu LD od firmy Omron Obr. 2. LD Cart Transporter, autonomní tahač manipulačních vozíků  

Nejrychlejší značení na světě pomocí JET3up RAPID

Vysoký stupeň automatizace má za následek zvýšenou produktivitu výroby. Avšak značicí systémy někdy nedokážou s touto rychlostí držet krok a celý proces zpomalují. Proto firma Leonardo technology uvedla na trh tiskárnu Leibinger JET3up RAPID (obr. 1). Je to jediná průmyslová inkoustová vysokorychlostní tiskárna na světě pracující na hranici fyzických možností: rychlost značení je až 1 000 m/min (60 km/h). To je víc, než kdybyste jeli v obci autem a tiskli přitom na obrubník souvislý text. Značení mimořádnou rychlostí 1 000 m/min Tato mimořádná rychlost je důležitá především při značení kabelů, hadiček, trubek apod. Tisk je přitom jasně čitelný na různých površích materiálů (obr. 2). JET3up RAPID dokáže zvýšit efektivitu produkce o až 40 % ve srovnání s jinými vysokorychlostními inkoustovými tiskárnami dostupnými na světovém trhu a zvýšit tak zisky výrobním společnostem – o to přece jde.        Proč je tisk s JET3up RAPID na hranici fyzických možností Tisk s JET3up RAPID je na hranici fyzických možností jak v oblasti mechaniky tekutin, tak v oblasti elektroniky. Musí se vypořádat s vlivem elektrostatického pole i turbulencí vzduchu. Nabíjecí matrice pro kapičky inkoustu totiž nejenže generuje napětí odpovídající poloze kapičky, ale za pomoci vysokorychlostní kamery snímající průlet kapičky vzduchem toto napětí ještě i dolaďuje. Kompenzuje totiž turbulence vznikající průletem kapičky vzduchem, které ovlivňují pohyb kapičky letící za ní. Je to, jako když jede cyklista z kopce za druhým cyklistou: vzhledem k menšímu odporu vzduchu ve vzduchovém úplavu jej dojíždí, až jej předjede. Proto se kompenzuje let kapiček správným načasováním a nabíjením. JET3up RAPID pracuje na limitu ne technických možností, ale fyzických vlastností omezujících maximální rychlost tisku, proto je tak výjimečná a světově jedinečná. Zájemci se o tom mohou přesvědčit na vlastní oči. Tiskárna bude značit na veletrhu Amper 2017 ve stánku firmy Leonardo technology č. 7.12 v hale V. Kontakt na firmu je v inzerátu na str. 1. (Leonardo technology s. r. o.)www.LT.cz Obr. 1. Vysokorychlostní inkoustová tiskárna Leibinger JET3up RAPID Obr. 2. Ukázky značení tiskárnou Leibinger JET3up RAPID 

Mico Pro – maximálně modulární kontrola proudu

Mico Pro je nový systém od společnosti Murrelektronik pro sledování elektrického proudu. Modulární konstrukce umožňuje přizpůsobit systémy přesně konkrétním požadavkům, což poskytuje příznivý poměr nákladů a užitných funkcí při maximální úspoře prostoru k instalaci. Patentované vypínací chování zajišťuje co největší možnou disponibilitu stroje. Další výhodou je integrovaná distribuce potenciálů, která výrazně omezuje požadavky na instalaci v rozváděči.  Napájecí systémy jsou jádrem strojů a zařízení. Zajišťují potřebnou energii, a proto nesmí být snadno ochromeny přetížením nebo zkratem – jinak hrozí zastavení strojů, výpadky výroby a vysoké náklady. Spolehlivost systémů elektrického napájení musí být vždy maximální. Mico Pro od společnosti Murrelektronik (obr. 1 Modulární systém Mico Pro pro sledování proudu v napájecích obvodech) zvyšuje spolehlivosti napájení. Inteligentní systém monitorování proudu důsledně sleduje všechny zátěžové a řídicí proudy a včas rozpozná kritické momenty. Mico Pro signalizuje mezní zátěže a cíleně vypíná chybové kanály, aby se zabránilo úplnému výpadku a zajistila se vysoká disponibilita stroje. Jeho vypínací chování je patentované a řídí se zásadou: „co nejpozději, jak je to možné, co nejdříve, když je to zapotřebí“. Mico Pro také rozpoznává přechodné chyby; např. když k přerušení vedení ve vlečném řetězu dochází pouze v určitých úhlech dráhy. Rozeznává kapacitní spotřebiče a spouští je kontrolovaně. Modulární konstrukce s úsporou prostoru Mico Pro je modulární systém pro provozní napětí 12 nebo 24 V DC. Z mnoha jeho modulů lze pro každý případ vybrat vhodné komponenty a zkompletovat je bez nářadí spolu s napájecím modulem do uceleného systému. Vybírat je přitom možné mezi moduly s jedním, dvěma nebo čtyřmi výstupními kanály. Jejich šířka je pouhých 8, 12 nebo 24 mm, a proto výrazně spoří místo. Jestliže uživatel použije např. systém s osmi kanály, je zapotřebí až o 65 % méně místa než při použití běžných jističů. Se zvětšujícím se počtem kanálů poměrná úspora místa dále roste. U fixních modulů jsou vypínací proudy (2, 4, 6, 8, 10 a 16 A) pevně nastavené, takže jde o řešení odolné proti nedovolené manipulaci. U flexibilních modulů lze nastavit vypínací proud stisknutím tlačítka od 1 do 10 A, popř. od 11 do 20 A. To je výhodné např. pro výrobce strojů a zařízení s přídavnými rozšířeními; současně se tak zmenšuje počet potřebných variant. Pro každou úlohu lze Mico Pro nakonfigurovat přesně na míru, systém je neustále flexibilní. Je-li třeba vyměnit jen jeden modul, např. protože po úpravě stroje je zapotřebí jiný proud, lze výměnu provést rychle a bez nástrojů. Díky tomu se dosahuje příznivého poměru nákladů a užitných vlastností.  Výrazné zjednodušení elektroinstalace v rozváděči Mico Pro má integrovanou distribuci potenciálů pro +24 V (popř. +12 V) a 0 V, čímž se výrazně zjednodušuje instalace kabelů v rozváděči. Na každém kanálu jsou možnosti připojení pro +24 a 0 V. Externí svorky 0 V tím mají „odslouženo“, protože nulový potenciál je možné připojit přímo přes Mico Pro. To zjednodušuje instalaci, výrazně omezuje počet kabelových propojení, šetří prostor v rozváděči a v konečném důsledku snižuje náklady. S rozšiřujícím potenciálovým modulem lze na každý kanál Mico připojit až dvakrát dvanáct potenciálů. Praktická manipulace Inovovaný systém můstků, kterým se jednotlivé komponenty propojí do jednoho celku, je charakteristický snadnou instalací. Dvě lišty se běžnými „štípačkami“ zkrátí přesně na správnou délku, jedním pohybem se zepředu zasunou do připravených úchytů (obr. 2 Systém Mico Pro v rozváděči https://www.youtube.com/watch?v=ay3kW69iPxo ) – a systém dimenzovaný na celkový proud až 40 A je hotov. Diagnostické a řídicí signály se připojí pomocí pružinových kontaktů po straně modulu. Jednotlivé vodiče lze připojit bez použití nástrojů, neboť všechny vstupy a výstupy systému jsou vybaveny pružinovými svorkami push-in. Montáž tak trvá jen krátce a v běžícím provozu není nutná odstávka na údržbu. Přední strana modulů Mico Pro není nikdy zakryta kabely nebo vodiči; operátor tak vždy vidí popisky a stavové LED. Diagnostika na místě nebo prostřednictvím řídicí jednotky Diagnostické funkce jsou v Mico Pro velmi důležité. Každý kanál je vybaven LED pro zobrazení stavu na přístroji a dále je možné předávat diagnostické signály do řídicí jednotky. Napájecí modul Mico Pro poskytuje hromadnou diagnostiku pro celý systém, nastavitelné flexibilní moduly navíc dodávají diagnostické signály k jednotlivým kanálům. Pro stavové LED platí: dokud je vše v pořádku, svítí zeleně. Dostane-li se hodnota na 90 % nastaveného vypínacího proudu, signalizuje LED blikáním v zelené barvě dosažení mezní oblasti. Taková situace může nastat, připojí-li se další spotřebiče nebo vzroste-li spotřeba energie již připojených spotřebičů, např. v důsledku opotřebení. Při uvádění do provozu může toto včasné varování pomoci okamžitě identifikovat nesprávně dimenzované proudové obvody. Mico Pro v takovém případě vyšle navíc diagnostický signál. Je-li překročen vypínací proud, Mico Pro vypne obratem a cíleně postižený kanál. LED bude blikat červeně a bude vyslán diagnostický signál. Operátor může kanál znovu aktivovat buď stisknutím tlačítka na místě, nebo signálem z řídicí jednotky. Pro účely údržby lze kanály vypnout také ručně. LED potom trvale svítí červeně a možnost dálkového zapnutí je během této doby deaktivována. Integrovaná spínací funkce Spínací funkce umožňuje cíleně pro konkrétní kanál prostřednictvím signálu z řídicí jednotky (PLC) u flexibilních modulů zapínat a vypínat části zařízení. Je možné realizovat jak vysoké spínací frekvence (až 10 Hz), tak i dlouhé doby spínání; např. pro vypnutí určitých úseků stroje během neprodukční doby. LED příslušného kanálu v průběhu této doby svítí oranžově. Mico Pro lze instalovat kaskádovitě, tzn. že na jeden kanál Mico s vypínacím proudem více než 10 A lze připojit další stanici Mico Pro. Je-li na jejích kanálech vypínací proud výhradně do 10 A, je zajištěna plná selektivita a nadále jsou vypínány pouze kanály postižené zkratem nebo přetížením. Zejména pro úlohy s decentralizovanou koncepcí rozváděče jde o významnou výhodu, která snižuje poměrné náklady na instalaci – už jen z toho důvodu, že není zapotřebí žádný dodatečný napájecí zdroj.  (Murrelektronik CZ spol. s r. o.)www.murrelektronik.cz Přehled výhod systému Mico Pro: -         sledování proudu v kanálech až do 20 A v modulárním systému – to je inovace v modulárních systémech pro sledování proudu, -         optimální možnosti značení pro přehledný rozváděč, -         integrovaný měřící bod pro pohodlné měření, -         napěťově nezávislá paměť závad: ideální pro hledání závad po obnovení napájení, -         zapínací kapacity až 30 mF na kanál, a to i při plném zatížení, -         provoz i s napájecími zdroji 5 A – dosud byly nutné zdroje 10 A, -         minimální vnitřní odpor, téměř žádný ztrátový výkon, -         nezávislost na teplotě, -         časově zpožděné zapnutí jednotlivých kanálů u vícekanálových modulů pro omezení proudových špiček. 

Strategické partnerství Comau a B&R dalo vzniknout unikátnímu konceptu openRobotics

Roboty Comau (www.comau.com/cz) s řídicími systémy B&R (www.br-automation.com) otevírají cestu do nové éry v používání robotů v průmyslové výrobě. OpenRobotics (http://bit.ly/2m13iq7) je koncept od společností B&R a Comau, který umožňuje zákazníkům získat všechny výhody celistvého přístupu k provozu, diagnostice a údržbě díky plné integraci řídicího systému robotu s řídicím systémem stroje.  Obr. 1. Walter Burgstaller, obchodní ředitel B&R pro Evropu (vlevo), a Tobias Daniel, vedoucí prodeje a marketingu společnosti Comau Robotics, představili openRobotics na veletrhu SPS IPC Drives v Norimberku v roce 2015 (foto: B&R)  „S openRobotics je možné použít stejný řídicí systém jak pro stroje, tak pro roboty automatizované linky,“ říká Walter Burgstaller, obchodní ředitel B&R pro Evropu. „Tímto způsobem se výrazně zvyšuje výkon závodů, protože stroje a roboty jsou dokonale integrovány a řízeny jediným řídicím systémem. V integrovaném systému jsou obsaženy i bezpečnostní funkce – systém SafeMotion řídí pohybové osy zařízení i robotu. V důsledku toho je možné zmenšit bezpečnostní zóny, což má značné výhody, co se týče zástavbové plochy. OpenRobotics je výhodný jak pro výrobce, tak pro obsluhu automatizovaných strojů.“ V této konfiguraci již není třeba rozváděč s řídicím systémem robotu, který je běžně součástí jeho dodávky. Řídicí systém robotu je totiž umístěn ve stejném rozváděči jako řídicí systém stroje. Toto spojení zjednodušuje kabeláž a sdílené napájení celý systém zlevňuje. Další výhodou použití jednoho řídicího systému je zmenšení počtu náhradních dílů potřebných pro údržbu, čímž se zjednodušuje řízení zásob náhradních dílů. O konceptu openRobotics si mohou zájemci pohovořit s odborníky z firmy Comau ve stánku B&R na veletrhu Amper ve dnech 21. až 24. března 2017.  (Comau Czech s.r.o.)  

Sběrnicový systém Cube – diagnostika hračkou

Sběrnicový systém Cube od společnosti Murrelektronik (www.murrelektronik.cz) nabízí rozsáhlé diagnostické možnosti. Nová diagnostická brána (gateway) Cube67 nyní ještě více usnadňuje přístup k diagnostickým datům. Tato brána se snadno implementuje, zajišťuje jasná hlášení při poruše a díky rychlejšímu odstranění poruch pomáhá zajistit vysokou disponibilitu strojů a zařízení. Systém Cube společnosti Murrelektronik je výkonný decentralizovaný sběrnicový systém, který se používá v mnoha strojích a zařízeních. Má modulární strukturu a díky množství vstupních, výstupních a multifunkčních modulů a široké škále komunikačních modulů (např. IO-Link, RS-485 atd.) mohou být instalace přizpůsobeny přesně na míru konkrétním požadavkům daného projektu. Systémovým kabelem jsou přenášena komunikační data i napájecí napětí, přičemž ke čtyřem větvím každého sběrnicového uzlu lze připojit až 32 modulů. Rozhodující výhody systému Cube jsou konektorové připojení, kompletně zalitý plášť modulů, charakteristické multifunkční kanály a rozsáhlé diagnostické možnosti.  Diagnostická data Vyhodnocení diagnostických dat a jejich využití pro programátora dosud znamenalo spoustu práce. Tuto práci bylo často nutné vykonávat pro každé zařízení zvlášť, protože různé řídicí systémy vyžadují různé diagnostické koncepce. U některých řídicích systémů nemohl být doposud dokonale využit kompletní rozsah diagnostických možností. Důsledek: chyby nebylo možné dostatečně rychle lokalizovat, v nejhorším případě vznikaly dlouhé provozní výpadky. S novou diagnostickou bránou Cube67 (obr. 1) má zákazník k dispozici nástroj, který ze systému Cube velmi jednoduše a rychle získá diagnostická data a poskytne je dále. Díky své robustní konstrukci a osvědčenému pouzdru je tato diagnostická brána předurčena pro použití v drsném průmyslovém prostředí. Zapojuje se do vedení mezi sběrnicovým uzlem Cube a až čtyřmi větvemi. Prostřednictvím běžného ethernetového rozhraní je diagnostická brána propojena s nadřazenou komunikační rovinou. Kompletní schéma topologie Když se spustí systém Cube, načte diagnostická brána celou topologii a následně celou provozní komunikaci a všechna diagnostická hlášení. Modul tato data vizuálně upraví a znázorní všechny informace – bez ohledu na systém řízení a platformu a bez jakéhokoliv dalšího softwaru, v libovolném prohlížeči a vždy stejným způsobem. Každý, kdo má přístup ke komunikační síti, může přistupovat k těmto datům, např. z terminálu HMI, tabletu nebo počítače v kanceláři (obr. 2). Na obrazovce se automaticky zobrazí uspořádání modulů jako přehledné schéma topologie a rovněž v podobě tabulky. Jsou zde vidět veškerá provozní data, např. stavy jednotlivých vstupů a výstupů. Diagnostická hlášení systému se zobrazí jak graficky ve schématu topologie, tak i v přehledné tabulkové podobě. Velkou výhodou tohoto nástroje je paměť diagnostických hlášení. V ní se zaznamenávají přechodné chyby, tj. chyby, které se vyskytují pouze dočasně, např. dochází-li při porušení kabelu v určitém úhlu na dráze vlečného řetězu k přerušení kontaktu nebo přehřívá-li se některý senzor vždy v určitou denní dobu, protože na něj svítí slunce. „Přechodná chyba“, která již není akutní, se v řídicím systému již nezobrazuje. Je v podstatě „odstraněna“. To je však špatně, protože taková chyba je často předzvěstí počínajícího většího problému. Označení modulů a chybová hlášení ve formátu prostého textu Nástroj poskytuje ke stažení přehlednou tabulku ve formátu CSV, která obsahuje přehled modulů, komponent a také všech vstupů a výstupů daného systému. V této tabulce je možné přiřadit jednotlivým komponentám název a spravovat označení pro všechny možné chyby ve formátu prostého textu. Zmíněná tabulka se zpětně importuje a nástroj potom používá uživatelem přiřazené názvy a označení. Uživatel tak neuvidí – ani ve schématu topologie, ani v tabulkovém seznamu – žádná „zakódovaná“ chybová hlášení, ale jasná oznámení jako „zkrat na hydraulickém agregátu“ nebo „přerušení vodiče na analogovém snímači, port dva čerpací jednotky“. S takovými informacemi se závady najdou rychle. Aby je bylo možné také rychle odstranit, lze prostřednictvím souboru CSV do systému importovat dokonce i pokyny pro postup opravy s konkrétními návrhy řešení, např. „zavřít ventil“ nebo „vyměnit kabel“. Do tabulky je možné uložit i identifikační číslo dílu, který je třeba vyměnit, a tím se odstranění závad ještě více urychlí. Data diagnostické brány Cube67 je možné uložit pro export nebo pro statistické průzkumy. Nabízí se tak např. možnost počítat cykly spínání vstupů a výstupů a tyto informace využít pro prediktivní údržbu v nepravidelných intervalech podle potřeby. Prostřednictvím vhodného formátu výměny dat lze data použít i pro jiné systémy a integrovat je přímo do různých aplikací, např. do systémů ERP a cloudových systémů. Nejrůznější možnosti využití Výhody diagnostické brány Cube67 využijí nejrůznější osoby podílející se na životním cyklu strojů a zařízení. Technik uvádějící zařízení do provozu může pomocí diagnostické brány prohlížet topologii a včas odhalit slabá místa, jako jsou zkraty nebo chyby zapojení (tj. rozdíly mezi požadovanou a skutečnou konfigurací). Cube67 mu také pomůže při testování vstupů a výstupů. Servisní technik výrobce stroje nebo zařízení může dočasnou integrací diagnostické brány lokalizovat chyby a rychle je opravit, aby byla zajištěna vysoká disponibilita stroje. Také dlouhodobá integrace je zajímavá, protože prostřednictvím vzdáleného přístupu poskytuje pohled na stroj nebo zařízení a umožňuje např. na dálku instruovat elektrikáře při opravě na místě. Operátor stroje nebo zařízení může včas díky Cube67 reagovat na hrozící problémové situace. Do systému je rovněž možné začlenit pokyny pro konkrétní závady, a je-li součástí pokynů i číslo položky náhradního dílu, může jej servisní pracovník vyzvednout ve skladu již po cestě do provozu.  (Murrelektronik CZ spol. s r. o.)  Obr. 1. Diagnostická brána Cube67 Obr. 2. Diagnostické informace je možné zobrazovat v libovolném webovém prohlížeči, např. na tabletu