Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Bezdrátové digitální struktury pro průmysl

S použitím současných bezdrátových přístrojů spolupracujících v pevných i mobilních rádiových sítích lze lépe než dosud řídit zejména spojité technologické procesy i zaří­zení, provozy a závody, v nichž jsou procesy realizovány. Má-li být použití bezdrátové techniky skutečně efektivní, je třeba mít k dispozici současně jak vhodné prostředky, tak i strategii jejich použití odpovídající danému podnikatelskému záměru. Za těch­to podmínek lze přednosti bezdrátové techniky začít využívat okamžitě, s možností budoucího rozšíření digitální infrastruktury závodu podle potřeby. Obojí, rozšiřitel­né technické a programové prostředky i podporu při tvorbě strategie pro celý závod, nabízí společnost Emerson Process Management v rámci svého otevřeného koncep­tu Smart Wireless.
 
Digitální struktura závodu má z hlediska jeho každodenního provozu mnoho předností umožňujících dosáhnout trvale většího výko­nu a větší dostupnosti zařízení a vyšší kvali­ty produktu při menších nákladech. Uživatelé uvádějí nejméně 2% zlepšení celkové účin­nosti výrobního zařízení.
 
Vedle větší kvality regulace, a tím menší variability technologických procesů, je příno­sem inteligentních provozních přístrojů pro­pojených digitální infrastrukturou možnost tr­vale sledovat stav výrobního zařízení a v něm probíhajícího technologického procesu, včet­ně použité řídicí techniky. Uvedené schop­nosti umožňují optimalizovat provoz závodu, efektivně udržovat jeho technologické zaříze­ní i přístrojové vybavení a předcházet jejich poruchám, a tím také prostojům či haváriím.
 

Bezdrátové provozní sítě

 
Přesun inteligence z vlastního řídicí­ho systému (DCS) do provozních přístrojů umožňuje uživateli lépe sledovat probíhající technologické procesy a získat lepší přehled o aktuálním a budoucím stavu těchto přístro­jů i výrobního zařízení jako celku. Některé z informací důležitých z hlediska zvyšování produktivity závodu ovšem zatím nadále zů­stávaly mimo dosah řídicího systému z dů­vodu nadměrných nákladů nebo základních fyzikální omezení bránících jejich pořízení.
 

Přednosti bezdrátových sítí s topologií mesh

Bezdrátová technika umožňuje realizovat úlohy dříve, při omezených možnostech ka­belové propojovací techniky, neodůvodnitel­né či neschůdné. Společnost Emerson uve­dením systému Smart Wireless na principu samočinně se organizující sítě s mřížovou (mesh) topologií významně rozšířila použi­telnost digitální struktury závodu, kterou na­bízí pod označením PlantWeb®. Síť s topolo­gií mesh je zároveň základem nedávno zveřej­něného otevřeného standardu WirelessHART. Systém Smart Wireless a jeho komponenty mají za sebou několik let ověřovacích zkou­šek v provozním prostředí a již více než dva roky „ostrého“ provozu v průmyslu. Během této doby prokázaly, že beze zbytku splňují přísné požadavky kladené na automatizač­ní techniku. Prokázaná spolehlivost přenosu dat větší než 99 % i v nejtvrdších provozních podmínkách znamená dostatečně vysokou úroveň bezpečnosti.
 
Z principu samočinně se organizující sítě plyne, že každý v ní začleněný bezdráto­vý provozní přístroj může být směrovačem (router) pro další přístroje ve své blízkos­ti, což umožňuje přesměrovávat zprávy tak dlouho, až dosáhnou svého cíle. Tato schop­nost sítě mesh dává možnost ad hoc vytvá­řet redundantní komunikační cesty a zaru­čuje větší spolehlivost přenosu dat než sys­témy vyžadující existenci přímého spojení („viditelnosti“) mezi přístrojem a bránou příslušné rádiové sítě. Každá změna, ať už sítě či hodnot parametrů okolního prostředí, které ovlivňují rádiové spojení, způsobí, že přístroje a brány v samočinně se organizu­jící síti ve vzájemné spolupráci vyberou pro každou zprávu přenosovou cestu zaručující maximální spolehlivost přenosu dat při mi­nimální spotřebě energie.
 
Samočinně se organizující sítě mesh se vy­značují jednodušší infrastrukturou a menšími náklady na zavedení i provoz než bezdrátové sítě jiných typů. Přístroje v takové síti auto­maticky najdou efektivní komunikační cestu ke své bráně. Naproti tomu tradiční rádiová pojítka realizující spojení typu bod-bod vy­žadují složité ověření v provozu za účelem zjistit, zda každý přístroj má svou vlastní spo­lehlivou přenosovou cestu k bráně. Toto pře­zkoušení je časově a finančně nákladné a vý­sledkem je často infrastruktura s až trojnásob­ným počtem uzlů oproti síti mesh.
 
Systém Smart Wireless umožňuje zajistit spojení se vzdálenými přístroji instalovaný­mi na špatně dostupných nebo vůbec neob­sluhovaných odlehlých zařízeních a dovoluje si tak „posvítit“ i na tmavá místa, kde se mě­ření zatím neprovádějí tak často, jak by bylo třeba. Protože přitom nejsou zapotřebí kabe­lové svazky a kabelové kanály s jejich fyzi­kálními a ekonomickými poža­davky, lze náklady na instalaci přístrojů snížit až o 90 %.
 

Využití současné instalované základny snímačů a převodníků

Souběžně s novými přístroji přímo určenými k použití v bez­drátových sítích jsou nabízeny produkty, které za použití bezdrátového přenosu dat umožňu­jí získat přístup k dosud nedo­stupným diagnostickým údajům z mnoha současných inteligent­ních přístrojů s rozhraním HART. Jde o přístroje již nainstalované a ke spokojenosti uživatelů fun­gující v analogových obvodech, jejichž modernizace přechodem na digitální sběrnicovou techni­ku by byla příliš nákladná. Pro takové případy dodává společnost Emerson adaptér Smart Wireless THUM™ s bezdrátovým rozhraním WirelessHART. Použitím adaptéru např. na korektoru polohy ventilu získá obsluha přístup k dosud nevy­užívaným diagnostickým údajům, což jí po­skytne možnost predikovat chování přístroje a příslušně upravit provozní postupy či na­plánovat údržbu.
 

Bezdrátová technika v praxi

 
Bezdrátová technika je v praxi úspěšně používána již v nejrůznějších úlohách v prů­myslu. Ke sledování zařízení a procesů jsou používány provozní bezdrátové sítě Smart Wireless jak stacionární, tak i mobilní.
 

Sledování teploty v cisternových vagonech

Systém Smart Wireless je používán i fir­mou Croda Inc., výrobcem speciálních che­mikálií, pro sledování teplot v cisternových vagonech s chemikáliemi. Bezdrátový měři­cí převodník teploty umístěný na každém jed­notlivém vagonu předává minutu po minutě bez ohledu na to, kde se vagon ve výrobním areálu právě nachází, aktuální naměřenou teplotu do centrálního počítače. Firma Cro­da využívá tyto údaje ke zvýšení výkonnosti a bezpečnosti svých zařízení. Bezdrátový sys­tém od společnosti Emerson tím, že upozor­ňuje obsluhující personál na každý neočeká­vaný vzestup teploty, jednak přispívá k větší celkové bezpečnosti závodu a jednak podni­ku spoří náklady na údržbu ve výši více než 15 000 amerických dolarů za rok.
 
Bezdrátové převodníky teploty lze snadno a rychle upevnit na každý cisternový vagon ihned při jeho příjezdu do závodu. Na mís­tě je převodník ponechán po celou dobu pří­tomnosti vagonu ve výrobním areálu. Komu­nikaci se sítí bezdrátových přístrojů zajišťu­je brána, která je součástí řídicího systému Emerson DeltaV. Zatímco obsluhující per­sonál hlídá případné nárůsty teploty, systém AMS Suite od společnosti Emerson součas­ně sleduje stav měřicího převodníku a v pří­padě, že přístroj přestane pracovat nebo po­skytuje chybné údaje, vydá výstražné hlášení.
 
Denny Fetters, projektant přístrojové­ho a elektrického vybavení z firmy Croda, k tomu řekl: „Systém od společnosti Emerson (...) nejen ušetřil čas a peníze. Od té doby, co provozní personál již nemusí denně vagony kontrolovat, se výrazně zlepšila také bezpeč­nost závodu i osobní bezpečnost pracovníků. Bez ohledu na to, kde se vagon ve výrobním areálu právě nachází, se údaje bez problémů připojí do našeho řídicího systému.“
 

Zvýšení produktivity práce údržby

Alespoň v nejbližší budoucnosti bezdráto­vá technika úplně nenahradí přístroje tradič­ně propojené kabely. V oblasti údržby ovšem existuje mnoho úloh, kde použití bezdráto­vých přístrojů dovoluje minimalizovat pochůz­ky provozního personálu po výrobním areálu. Například provozní způsobilost jednotlivých čerpadel na tankovišti byla dosud kontrolo­vána tak, že pracovník v pravidelných inter­valech obcházel tankoviště, upevnil na motor čerpadla přenosný analyzátor vibrací a změřil vibrace motoru a čerpadla. Tato činnost je nyní automatizována tak, že na každém čerpadle je trvale upevněn bezdrátový měřicí převodník vibrací Emerson CSI9420, který údaje o vi­bracích předává v reálném čase po síti Smart Wireless do řídicího systému (obr. 1). Je tudíž možné trvale zaznamenávat a analyzovat úda­je a sledovat dlouhodobé trendy.
 

Snadné dosažení shody s legislativními požadavky

Další příklad účelného použití sítě Smart Wireless techniky je také z tankoviště, kde podle nových předpisů je k zamezení přeplnění nádrže vyžadována redundance jak při měření polohy hladiny v nádržích, tak i detekce dosa­žení její přípustné hodnoty. Po instalaci hladi­noměrného systému od společnosti Emerson a bezdrátového převodníku diskrétních signá­lů Rosemount 702 je obsluha vždy spolehlivě upozorněna, kdy je třeba vypnout čerpadla, aby nedošlo k přeplnění nádrže. Opět jsou to snadná montáž a úspora nákladů, pro něž byla dána přednost bezdrátovému systému.
 

Dodatečná automatizace sběru údajů z technologického provozu

Přínosy plynoucí z náhrady dosavadních ručkových ukazatelů bezdrátovými převodní­ky jsou dobře patrné na plošině pro těžbu ropy Grane firmy StatoilHydro v norském sektoru Severního moře poblíž přístavu Bergen. Spo­lečnost Emerson zde úspěšně v rámci moder­nizace vybavení plošiny dodatečně nainstalo­vala svou síť Smart Wireless ke sledování tlaku v prstencovém vyústění a tlaků ve výměníku tepla. Instalace postupovala rychle a síť byla uvedena do provozu bez jakýchkoliv problémů.
 
Síť Smart Wireless na plošině Grane zahr­nuje 22 bezdrátových převodníků tlaku znač­ky Rosemount jako náhradu tradičních ma­nometrů (obr. 2). Údaje ze všech převodníků jsou přes základnovou bezdrátovou stanici (bránu) přenášeny na operátorská stanoviště ve velínu plošiny. Bezdrátová síť umožňuje na plošině nepřetržitě sledovat potřebné tlaky a odstraňuje potřebu každodenních pochůzek do prostoru ústí vrtu za účelem odečtu a ruč­ního záznamu údajů manometrů. Při nepřetr­žitém sledování tlaků lze dříve odhalit jejich neobvyklé hodnoty a podniknout potřebné akce, kdy cílem je najít a opravit závady dří­ve, než případně přerostou ve vážný problém.
 
„Měli jsme určité obavy, zda tato nová technika bude v náročném prostředí naší plo­šiny dostatečně spolehlivá,“ říká Geir Leon Vadheim, zodpovědný ve firmě StatoilHydro za technické vybavení plošiny Grane. „Mu­seli jsme myslet také na to, jak tok dat z bez­drátové brány integrovat do stávají­cích systémů od jiných dodavatelů. Jak se ukázalo, byla integrace do­cela snadná a výkonnost převodní­ků i sítě Smart Wireless překonala i naše nejoptimističtější očekávání.“
 
Prostor okolo ústí vrtu vyplňu­jí na plošině Grade kovová potrubí, kovové ochozy a další kovové před­měty bránící volnému šíření rádiového signálu (obr. 3). Přes tyto vel­mi nepříznivé provozní podmínky každý z převodníků naistalovaných v první etapě modernizace, jakmi­le byl zapnut, ihned navázal spoje­ní s bránou a bez problémů se auto­maticky začlenil do společné sítě. Když byly později přidány další pří­stroje, snadno se do sítě automatic­ky začlenily i ty. Intenzita a konzistence sig­nálů jsou po celou dosavadní dobu provozu sítě vynikající.
 
Geir Leon Vadheim dodává: „Stačilo krát­ké vyškolení a naši přístrojoví technici si byli jisti, že v případě potřeby sami dokážou další bezdrátové přístroje začlenit do sítě již sami. Běžně znamená instalace jednoho bezdráto­vého přístroje asi dvě hodiny práce v porov­nání se dvěma dny, které trvá instalace běž­ného přístroje připojeného kabelem.“ Vzhle­dem k úspěchu uvedené modernizační akce má firma StatoilHydro v plánu nainstalovat síť Smart Wireless od společnosti Emerson i na dalších svých těžních plošinách v dané oblasti.
 

Celozávodní síť

Základní úlohou bezdrátových samočinně se organizujících provozních sítí ve výrob­ních závodech je v současnosti zejména pod­pora sledování technologických údajů, zvy­šování kvality regulace a optimalizace péče o výrobní zařízení (obr. 4). Společnost Emer­son však již pracuje na dalším rozšiřování je­jich funkčních schopností. Ve spolupráci s fir­mou Cisco postupně vyvíjí metody a modu­ly umožňující začlenit do jedné sdílené sítě mobilní pracovníky, hlasovou komunikaci přes internet (VoIP), funkce sledování pohy­bu pracovníků a přístrojů po závodě a systém videodohledu. Celozávodní síť takového typu umožní zákazníkům s provozy s nespojitou i se spojitou výrobou zvýšit výkonnost, bez­pečnost i produktivitu jejich závodů.
 
Kombinovaná bezdrátová digitální struktu­ra od společností Emerson a Cisco usnadňuje uživatelům zavádění otevřených, snadno roz­šiřitelných a spolehlivých komunikačních sítí zahrnujících osoby i předměty, které se pohy­bují v náročných prostředích průmyslových závodů. S použitím bezdrátové techniky za­ložené na otevřených standardech a univer­zální síťové platformě lze budovat specifické zákaznické systémy, jak principiálně ukazu­je obr. 5. Ty svým uživatelům umožňují zís­kat v menším měřítku počáteční rozhodující technický náskok, přičemž je posléze libo­volně lze rozšiřovat v souladu s technickým rozvojem v dané oblasti.
 

Závěr

 
Náklady na instalaci bezdrátových pří­strojů jsou v porovnání s náklady na instalaci tradičních přístrojů s kabelovým připojením výrazně menší. Uživatelé nyní mohou v pro­storu závodu snadno instalovat další snímače a převodníky, popř. využívat dosud opomíjené údaje z již nainstalovaných přístrojů. Na zá­kladě těchto údajů mohou získat úplnější in­formace ze zařízení umožňující např. nejen zvýšit kvalitu regulace či účinnost údržby, ale i celkovou produktivitu závodu.
 
Bezdrátová infrastruktura a příslušné apli­kační moduly na bázi otevřených standar­dů, které společně vypracovaly společnosti Emerson a Cisco, zjednodušují realizaci pří­nosných bezdrátových automatizačních sys­témů a minimalizují související rizika. Ať již se v oblasti výrobního zařízení či ve světě IT objeví jakékoliv dokonalejší zařízení či metoda, bezdrátovou síť lze příslušně rozší­řit a zdokonalit. Zákazníci se ve svých poža­davcích již nyní nemusí omezovat ani z dů­vodu rušivých vlastností kovových konstrukcí v závodě, ani z důvodu omezených možností kabelového spojení.
Bob Karschnia,
Emerson Process Management
 
Originální text: Karschnia, R.: Digitale Architek­ten; překlad Emerson Process Management, s. r. o.,úprava redakce.
 
Obr. 1. Bezdrátový převodník vibrací CSI9420 umožňuje dosáhnout větší disponibility technologického zařízení
Obr. 2. Převodník tlaku typu Rosemount Smart Wireless měří tlakovou ztrátu na výměníku tep­la na těžní plošině Grane (foto: StatoilHydro)
Obr. 3. Síť Smart Wireless spolehlivě pracuje v prostoru ústí vrtu na těžní plošině společnosti StatoilHydro zcela zaplněném technologickými zařízeními
Obr. 4. Pracovník v provozu sleduje chod technologického procesu a stav zařízení při použití systému Smart Wireless
Obr. 5. Společnosti Emerson a Cisco společně vyvíjejí univerzální otevřenou bezdrátovou strukturu umožňující efektivně provázat stacionární i mobilní technologická zařízení, IT i pra­covníky v závodě