Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Anketa: moderní snímače jako zdroj informací

Snímače musí plnit svou základní funkci: měřit s dostatečnou přesností požadovanou veličinu. V moderní době však dokážou mnohem více: mají komunikační schopnosti, paměť pro nastavení parametrů, umějí poskytovat diagnostické informace. Tyto snímačejsou označovány jako inteligentní. Anketa hledá odpověď na to, zda jejich funkce uživatelé skutečně potřebují a využívají.

Jaký je podle vašich údajů nebo vašeho odhadu podíl měřicích míst, kde se vy­užívá jednoduchý binární nebo analogový výstup, výstup s protokolem HART nebo některá z komunikačních sběrnic? Můžete uvést typické příklady projektů z poslední doby, kde jste využili inteligentní snímače? 

Martin Kraml:

Mnoho přístrojů je dodáno s nějakým komunikačním protokolem, ale ten se využívá většinou jenom k prvotnímu nastavení či k vynulování přístrojů. Během provozu se však využívá většinou jen analogový signál. 

Ivan Šifta:

Odpověď není tak jednoduchá. Zastoupení komunikačních platforem HART, Profibus-PA,Profibus-DP nebo Foundation Fieldbus (FF) roste se složitostí a komplexností funkce snímačů. Nejčastější je např. u analyzátorů, hmotnostních průtokoměrů a obdobných přístrojů, kde je k dispozici řada diagnostických a pomocných technologických dat, která je užitečné monitorovat.

Jednoznačně nejrozšířenější jsou snímače vybavené komunikací HART. V praxi však je tato komunikační platforma většinou využívána jen pro diagnostiku a nastavení při servisu a uvádění do provozu. Projektů, kde je komunikační protokol HART využíván pro rutinní trvalý provoz, je malý zlomek. Oproti tomu přístroje na platformě Profibus nebo FF jsou vždy provozovány s komunikací v trvalém provozu.

V průmyslu lze odhadnout podíl přístrojů s možností komunikace HART na přibližně 50 až 60 %, ale rutinně a trvale je HART využíván u nanejvýš 10 % instalovaných přístrojů. Podíl přístrojů s komunikací Profibus-PA, Profibus-DP nebo FF plošně nepřesahuje 5 až 10 % z množství dodaných přístrojů.

Z toho vyplývá, že analogový standard 4 až 20 mA, případně doplněný protokolem HART pro diagnostiku, je dnes jednoznačně převládající se zastoupením 80 % a více. 

Dalibor Prokel:

Zde je nutné rozlišit dvě úlohy – limitní spínání např. podle polohy hladiny, tlaku, teploty atd. a kontinuální snímání těchto veličin. V prvním případě se používají téměř výhradně snímače s binárním výstupem, který je pak obvykle vyhodnocován v řídicím systému. Ale i tyto spínače mohou mít přímo v hlavici kompaktní elektroniku s obsáhlými autodiagnostickými funkcemi, jako jsou např. hlídání frekvence (vibrační hladinový spínač s detekcí koroze nebo nánosů), kompletní kontrola měřicích algoritmů a zdvojení všech systémů (hladinové spínače s certifikací SIL 3 pro autonomní použití) nebo automatická kompenzace nánosů na kapacitní sondě. Výstupem těchto diagnostických funkcí potom je obvykle přepnutí do bezpečnostního stavu.

Takzvané inteligentní nebo smart přístroje, jak se jim kdysi říkalo, se v dnešní době používají minimálně pro 90 % všech měřicích úloh, kde je požadován spojitý výstup měřené veličiny. Většina z těchto 90 % úloh využívá komunikaci HART. Ne však proto, že uživatelé s touto komunikací aktivně pracují, ale proto, že ji tyto snímače mají již ve standardním provedení. Komunikace HART je převážně využívána pro nastavování přístrojů, pro přenos dat mezi přístroji v lokálních sítích typu multidrop nebo pro bezdrátovou komunikaci WirelessHART, protože přenos dat je relativně pomalý a tento způsob komunikace nelze dost dobře použít pro řízení procesů. Další relativně často požívanou komunikační platformou je Modbus přenášený po lince RS-485 nebo Modbus TCP. Komunikace Modbus se začíná velice často používat např. v projektech pro čistírny odpadních vod. 

Petr Fukač:

Počet zařízení s binárním nebo analogovým výstupem stále převládá nad zařízeními s inteligentní komunikací (HART, Profibus apod.). Protože se však cena převodníků HART přiblížila ceně analogových přístrojů bez HART a přitom poskytují velký komfort nastavování a diagnostiky, jsou v rámci unifikace přístroje HART mnohdy používány i tam, kde HART nebyl původně požadován.

Běžně také dodáváme levné a přitom přesné digitální převodníky, které nesplňují plnohodnotný standard komunikace HART, ale využívají pouze základní funkce HART, jako je možnost dálkového nastavení po proudové smyčce apod., a přitom jejich cena je na úrovni analogových převodníků.

Zajímavým projektem z poslední doby je například systém chemické analýzy vody a páry na právě rekonstruovaném zdroji Prunéřov II 3× 250 MW, kde většina blokových analyzátorů komunikuje pomocí sběrnice Profibus a je schopna přenést do řídicího systému kromě informace o vlastních hodnotách měřených veličin také například informaci o průtoku vzorku, teplotě vzorku, spotřebě pomocných chemikálií apod. 

Jaké jsou hlavní důvody, že se v mnoha případech používají snímače jen se základní měřicí funkcí, bez komunikačních schopností, bez vlastní paměti a bez dia­gnostiky? Je to cena inteligentních snímačů, technická náročnost využití jejich funkcí nebo to, že uživatelé neumějí jejich schopnosti plně využít? 

Petr Fukač:

Hlavním důvodem je pravděpodobně stále nižší cena analogových a binárních přístrojů, ale také konzervatismus uživatelů i neznalost toho, jak moderní přístroje plně využít. 

Ivan Šifta:

Inteligentní přístroje se používají tam, kde to neznamená výrazné navýšení ceny. V oblasti průmyslových standardů jsou již snímače tlaků, hladin a průtoků s inteligencí naprostou samozřejmostí. Málokdy se však promítá inteligence přístrojů do přenosu, respektive spojení s řídicím systémem.

Je jen velmi málo programátorů, kteří dokážou sami o sobě využívat potenciál inteligentních přístrojů. Tato bariéra může být prolomena rozšiřováním platforem distribuovaných řídicích systémů – DCS, kde jsou tyto možnosti součástí standardních objektů vy­užívaných těmito systémy.    

Marcela Bučková:

Používání takzvaných inteligentních snímačů vyžaduje k tomu přizpůsobenou sběrnicovou síť a její vřazení do topologie řídicích systémů. S tím potom souvisí kapacita a přenosové rychlosti rozhraní řídicích systémů a v konečné fázi jde o finanční náročnost zvolené koncepce.

Podle mých zkušeností byly snímače s komunikací požadovány již v době, kdy jejich sortiment nebyl tak široký jako dnes. Vývoj inteligentních snímačů byl opatrnější, hledaly se nejvhodnější komunikační protokoly, které by vyhovovaly pro jejich použití v praxi. V nabídce výrobců senzoriky jsou dnes již standardně zařazeny jak snímače se základními funkcemi, tak jejich ekvivalenty s komunikačním rozhraním. Co se týče uživatelů, ti se učí velice rychle a jsou schopni zvládnout integraci inteligentních snímačů do technologických zařízení. 

Martin Kraml:

Důvodů, proč zákazníci plně nevyužívají vlastnosti inteligentních snímačů, je několik a většinou se kombinují. Rozdíl v ceně není natolik dramatický, aby to byl zásadní problém. V mnoha případech se zákazníci rozhodnou nakoupit inteligentní přístroje v dobré víře, že to přinese nějaké úspory. Ne vždy se však tato očekávání naplní. Provozní podmínky většinou zůstávají neměnné, proto je konfigurace přístrojů na dálku využívána minimálně. Diagnostika je využitelná především u akčních členů, jako jsou inteligentní pozicionéry. Nicméně i zde se naráží na bariéru náročnosti vyhodnocení takových dat. Jenom málo zákazníků dokáže s těmito daty efektivně pracovat. 

Dalibor Prokel:

Jak jsem již zmínil, například inteligentní snímače s komunikací HART se v současné době používají zcela běžně, uživatelé však většinou nevyužívají jejich možnosti naplno. Jejich plné využití je třeba zohlednit již ve fázi projektu, který je již postaven na přístrojích s digitální komunikací (např. Profibus-PA a -DP nebo Foundation Fieldbus) a s odpovídajícím řídicím systémem. Doplnění I/O modulů, které umí odbočit digitální komunikaci HART ze stávajících snímačů s přenosem 4 až 20 mA do systému řízení údržby a správy instalovaných přístrojů, bývá obvykle finančně náročné. 

Má-li snímač analogový nebo binární výstup, je zajištění interoperability velmi snadné: jednoduše se připojí k jakémukoliv standardnímu vstupu řídicího systému. U inteligentního snímače, mají-li se využít jeho možnosti například v oblasti diagnostiky nebo řízení údržby, je zajištění interoperability problematičtější. Jak jsou v dnešní praxi využívány standardy jako FDT/DTM nebo EDDL? Co soudíte o nově vzni­kajícím standardu FDI?  

Ivan Šifta:

Tato otázka mi připadá akademická. Pro uživatele zpravidla není důležité, který z uvedených standardů se využívá v konkrétním případě. Právě příliš velká košatost a obvyklé problémy s kompatibilitou jsou častými komplikacemi při používání inteligentních přístrojů. V této oblasti platí, že méně znamená více. Neotřesitelnost platformy 4 až 20 mA tkví mimo jiné i v tom, že neskýtá žádné možnosti se v ní „šťourat a pořád ji vylepšovat“, což následně často způsobuje problémy s kompatibilitou. 

Petr Fukač:

V naší praxi používáme tyto standardy pouze jako součást běžných komunikačních prostředků pro konfiguraci snímačů. Co se týče rozšíření nových standardů, vždy záleží na tom, zda je budou podporovat největší výrobci, a tím zajistí jejich rozšíření mezi uživatele.  

Martin Kraml:

Podle mého názoru přijala dnes většina firem jako standard FDT/DTM. Velikou výhodou je jednotné základní prostředí Pactware. Již není třeba instalovat programy od jednotlivých výrobců, což zjednodušuje využití těchto prostředků a jejich interoperatibilitu.   

Dalibor Prokel:

Standard FDT/DTM je již běžně používán a velký počet výrobců měřicí techniky jej má integrován ve svých přístrojích. Současně je k dispozici i mnoho softwarových nástrojů pro řízení údržby a správy instalovaných přístrojů v podstatě od všech významných výrobců. Jako příklad bych uvedl FieldCare s nástavbou W@M od Endress+Hauser. Standard EDDL, dříve známý jako DD, byl vyvinut jako řešení pro správu různých revizí softwaru přístrojů a dnes je nedílnou součástí komunikačních protokolů HART, Foundation Fieldbus, Profibus a WirelessHART. FDI je jednotná platforma vyvinutá pěti největšími sdruženími pro automatizaci – FDT Group, Fieldbus Foundation, HART Communication Foundation, Profibus & Profinet International a OPC Foundation. Platforma FDI by měla zajistit jednotnost správy informací z inteligentních provozních přístrojů a řešení různých úloh spojených s jejich provozem po celou dobu životnosti, od konfigurace, přes uvedení do provozu a diagnostiku až po kalibraci. Co se týče budoucnosti, tak již samotná zakládající sdružení a sedm významných podporujících výrobců (ABB, Emerson Process Management, Endress+Hauser, Honeywell, Invensys, Siemens a Yokogawa) jsou zárukou budoucnosti této platformy.  

V sortimentu mnoha firem se stále častěji objevují snímače s bezdrátovou komunikací. Jaké je jejich využití v praxi a jaké jsou perspektivy jejich rozvoje? Může být překážkou jejich širšího využití ukončení spolupráce na vývoji společného standardu mezi ISA (ISA 100) a HCF (WirelessHART)? 

Petr Fukač:

Standard WirelessHART má výhodu v tom, že jako první představil bezdrátový systém opravdu vhodný pro snímače v průmyslovém prostředí. Standard ISA 100 je proti tomu zase univerzálnější. Na trhu také je a stále přibývá mnoho dalších zajímavých řešení, které samozřejmě mají své výhody i nevýhody. Zatím se nezdá, že by mohl existovat nějaký univerzální standard vhodný pro všechny úlohy, ale v oblasti procesních snímačů je vidět, že standard WirelessHART má určitý náskok. 

Ivan Šifta:

Využití bezdrátové komunikace v průmyslu, a zejména v řízení technologických procesů, je a dlouho bude spíše speciální a okrajovou záležitostí. Vlastnosti těchto technologií jsou vyhovující a přínosné například v oblastech techniky budov a distribuce energií. Pro průmyslové řízení jsou v podstatě nepoužitelné. Zdůrazňuji, že řečené platí v oblasti průmyslových ASŘ. Naproti tomu například průtokoměry s bezdrátovou komunikací a podobná měřicí technika v oblasti distribuce tepla, energie apod. jsou na silném vzestupu.

Martin Kraml:

Stejně jako to bylo v případě Foundation Fieldbus, také o tomto se dlouho mluví, ale zavádění do praxe je pomalé. I zde se naráží na mnohé technické problémy, které výrazně limitují využití bezdrátové komunikace. Časem si oba standardy jistě najdou své místo na trhu, kde budou dominantní. Rozhodně ale neočekávám, že by bezdrátová komunikace v nejbližší době převážila. 

Dalibor Prokel:

Snímače s bezdrátovou komunikací určitě své využití mají, ale jejich masovému rozšíření obvykle brání rychlost datového toku, v typicky provozním prostředí s hustou strukturou technologických zařízení nutnost instalace opakovačů, dále popřípadě hustota místních sítí WLAN a obsazení komunikačních kanálů a v neposlední řadě stále ještě „na pozadí“ přetrvávající nedůvěra v bezdrátovou komunikaci jako takovou (výpadky mobilních sítí, digitálního TV vysílání, rušení atd.) a také i cena. Jen na okraj – špičkové protitankové střely jsou i dnes stále řízeny signály přenášenými po tenkém drátku. 

Správnost měření, spolehlivost snímače a jeho životnost jsou do značné míry závislé na správném výběru a montáži snímače. Vychovávají podle vás střední a vysoké technické školy dostatek odborníků v oboru technických měření?  

Martin Kraml:

Z mnoha stran slyšíme, že se vychovává málo technicky vzdělaných lidí, a to bohužel platí i v oboru měření a regulace. 

Marcela Bučková:

Máme učňovské, střední i vysoké školy, které umí vychovávat technicky velmi zdatné odborníky. Tak jako v mnohých oborech i v technice platí, že ten, kdo hoří, dokáže zapálit. Když je na straně vyučujícího odborník, který zaujme výkladem a umí ukázat, proč jsou znalosti nutné, co může být jejich výsledkem, jsou na protipólu žáci či studenti, kteří dokážou naslouchat, umějí a chtějí se učit. Jsou školy, které v rámci grantů vybavují své laboratoře pomůckami pro praktické výukové programy. Na výstavách a veletrzích při diskusích s žáky a studenty středních škol slýchávám, že jim chybí praktická výuka. Mají sice elektrotechnické dílny a laboratoře, ale nechodí tam tak často, jak by je to bavilo, protože na to není ve výuce čas.

Dalibor Prokel:

Z vlastních zkušeností vím, že absolvující studenti mají většinou dobré znalosti o principech měření a jejich obvyklém použití. Nemají ale určitě dostatek příležitostí blíže se seznámit s nejnovějšími typy měřicích přístrojů, které jsou aktuálně na trhu, a jejich použitím v praxi se všemi pro a proti. Ale toto vše lze určitě rychle dohnat při běžné denní praxi. 

Ivan Šifta:

Tyto podle mě velmi zajímavé a velmi komplexní obory byly ve školství podceňovány už v minulosti a situace není lepší ani v současnosti. Studenti se s ohledem na současnou společenskou atmosféru orientují spíše na méně náročné obory humanitního typu a exaktní technické obory jsou často upozaděny, protože v technice je relativně náročné něco vytvořit, ale je snadné výsledky porovnat. Nicméně by nebylo spravedlivé vinit z tohoto neuspokojivého stavu pouze školy – je totiž nezbytné, aby se prohloubila spolupráce mezi státními školami a privátními subjekty a zvýšila se aktivita právě na straně soukromých firem. Naše společnost v České republice spolupracuje se třemi desítkami středních a vysokých škol a zvýšená aktivita je patrná také u dalších firem. 

Petr Fukač:

Ano, správný návrh měření, ale i celého měřicího řetězce od čidla, přes převodník až k vyhodnocovacímu zařízení (například volba a umístění teploměrné jímky v potrubí) má velký význam pro přesnost, stabilitu a opakovatelnost měření, ale také pro životnost snímače.

Troufám si říci, že všechna moderní čidla českých i světových výrobců běžně splňují veškeré kvalitativní požadavky měření a že ve výsledku tedy nezáleží ani tolik na volbě výrobce čidla jako právě na správném ná­vrhu celého měřicího řetězce a správné insta­laci. Markantní je to například při měření průtoku, kdy je zapotřebí správně navrhnout celou měřicí trať.

Obecně se ve školském systému vyučují pouze základní úlohy měření a regulace. Snažíme se proto pravidelným pořádáním odborných seminářů a konferencí či informacemi na webových stránkách apod. neustále znalosti koncových uživatelů i projektantů zvyšovat. Tato investice se vrací ve spokojenosti s námi vyrobenými či dodávanými přístroji. 

Karel Kadlec:

Moje odpověď se týká situace ve vý­uce základního kurzu měření a regulace na VŠCHT
Praha, jež vychovává technology, kteří se v praxi určitě setkávají s moderními snímači technologických veličin.

Předmět Měřicí a řídicí technika patří mezi disciplíny, které dotvářejí inženýrský profil absolventa technické vysoké školy a posluchač v něm získává základní znalosti o měření, principech snímačů, regulaci a počítačovém řízení procesů chemických a  potravinářských technologií. Podle současných studijních plánů je tento předmět jako povinný zařazen pouze na Fakultě chemicko-inženýrské ve třetím ročníku bakalářského studia (dvě hodiny přednášek a dvě hodiny laboratoří) a na Fakultě technologie prostředí (pro vybrané obory v 1. ročníku magisterského studia, pouze přednášky bez laboratoří). Na Fakultě chemické technologie a na Fakultě potravinářské a biochemické technologie je tento předmět v nabídce pouze jako volitelný, ale zapisuje si jej jen velmi málo studentů. Podle mých zkušeností absolventi poznávají až po nástupu do praxe, že jim chybí znalosti z oblasti měření a regulace a musí si je dodatečně doplňovat.

V minulosti byly na základě dohody mezi vedením podniku Chemopetrol, a. s., a VŠCHT Praha realizovány kurzy celoživotního vzdělávání pro technology všech provozů podniku, jejichž cílem mimo jiné bylo i doplnění znalostí z oblasti technologického měření a řízení technologických procesů. Účastníci kurzů (převážně absolventi VŠCHT Praha) hodnotili náplň jako velmi užitečnou pro jejich každodenní práci v závodě.

Jestliže jsem si postěžoval na to, že na VŠCHT Praha se měření a řízení vyučuje jen na některých oborech, tak podle mých informací je situace ještě nepříznivější na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice, kde byl příslušný předmět vypuštěn ze studijních plánů a problematika měření a řízení není vyučována vůbec.

Podle mého názoru by každý absolvent vysoké školy s technologickým zaměřením měl projít disciplínou, kde by se seznámil s principy využívanými pro měření technologických veličin (teplota, tlak, průtok, poloha hladiny, složení) a měl by mít i základní znalosti o regulaci, logickém a počítačovém řízení procesů. Myslím si, že jestliže vedoucí pracovníci v průmyslu poznávají, že absolventi nemají potřebné znalosti z oblasti měření a regulace, tak by bylo vhodné o tom informovat vedení vysoké školy a podpořit tak zařazení příslušného předmětu do studijních plánů.

(Anketu připravil Petr Bartošík.)

Martin Kraml, Invensys, Česká republika

„V mnoha případech se zákazníci rozhodnou nakoupit inteligentní přístroje v dobré víře, že to přinese nějaké úspory. Ne vždy se však tato očekávání naplní. Provozní podmínky většinou zůstávají neměnné, proto využití konfigurace přístrojů na dálku je minimální. Dia­gnostika je vy­užitelná především u akčních členů, jako jsou inteligentní pozicionéry. Nicméně i zde se naráží na bariéru náročnosti vyhodnocení takových dat.“ 

Ivan Šifta, obchodně-technický zástupce, Siemens, s. r. o.

„Je jen velmi málo programátorů, kteří dokážou sami o sobě využívat potenciál inteligentních přístrojů. Tato bariéra může být prolomena s rozšiřováním platforem distribuovaných řídicích systémů – DCS, kde jsou tyto možnosti součástí standardních objektů využívaných těmito systémy.“ 

doc. Ing. Karel Kadlec CSc., Fakulta chemicko-inženýrská, VŠCHT Praha

„Podle mého názoru by každý absolvent vysoké školy s technologickým zaměřením měl projít disciplínou, kde by se seznámil s principy využívanými pro měření technologických veličin (teplota, tlak, průtok, poloha hladiny, složení) a měl by mít i základní znalosti o regulaci, logickém a počítačovém řízení procesů. Myslím si, že jestliže vedoucí pracovníci v průmyslu poznávají, že absolventi nemají potřebné znalosti z oblasti měření a regulace, tak by bylo vhodné o tom informovat vedení vysoké školy a podpořit tak zařazení příslušného předmětu do studijních plánů.“

Ing. Marcela Bučková, obchodně-technický poradce, ifm electronic, spol. s r. o.

„V nabídce výrobců senzoriky jsou dnes již standardně zařazeny jak snímače se základními funkcemi, tak jejich ekvivalenty s komunikačním rozhraním. Co se týče uživatelů, ti se učí velice rychle a jsou schopni zvládnout integraci inteligentních snímačů do technologických zařízení.“ 

Ing. Petr Fukač, měření a regulace, JSP, s. r. o.

„Počet zařízení s binárním nebo analogovým výstupem stále převládá nad zařízeními s inteligentní komunikací (HART, Profibus apod.). Protože se však cena převodníků HART přiblížila analogovým přístrojům bez HART a přitom poskytují velký komfort nastavování a dia­gnostiky, jsou v rámci unifikace mnohdy přístroje HART používány i tam, kde HART nebyl původně požadován.“ 

Dalibor Prokel, Product Marketing Manager, Endress+Hauser Czech, s. r. o.

„Snímače s bezdrátovou komunikací určitě své využití mají, ale jejich masovému rozšíření obvykle brání rychlost datového toku, v typicky provozním prostředí s hustou strukturou technologických zařízení nutnost instalace opakovačů, dále popřípadě hustota místních sítí WLAN a obsazení komunikačních kanálů a v neposlední řadě stále ještě „na pozadí“ přetrvávající nedůvěra v bezdrátovou komunikaci jako takovou, a také i cena.“

 

Tab. 1. Zkratky používané v oblasti standardů pro správu a údržbu snímačů a akčních členů

Zkratka

Význam

Norma

Webová adresa

FDT

Field Device Tool

IEC 62453

www.fdtgroup.org

DTM

Device Type Manager

FDI

Field Device Integration

 

www.fdi-cooperation.com 

EDDL

Electronic Device Description Language

IEC 61804-3

www.eddl.org 

DD

Device Description