Рост автоматизации современного производства неизбежно приводит к увеличению количества внедрённых средств КИП, которые в свою очередь должны обеспечивать бесперебойный технологический процесс.
В связи с этим отказы датчиков и исполнительных механизмов приводят к нежелательным последствиям, таким как нарушение технологического процесса, увеличение незапланированных простоев технологических объектов и, как следствие, к потере финансовых средств.
В настоящее время в ООО «КИНЕФ» используются средства КИП со встроенными функциями самодиагностики, своевременный мониторинг которых позволит предотвратить основную часть отказов.
Выходным сигналом современных интеллектуальных датчиков, использующихся на предприятии ООО «КИНЕФ», является аналоговый токовый сигнал 4 - 20 мА с наложенным на него цифровым сигналом в виде частотной модуляции.
Цифровой сигнал передает диагностическую информацию в режиме реального времени.
Таким образом, для обеспечения более надёжной эксплуатации средств КИП остаётся только принять и структурировать эти данные. Эта цифровая часть обеспечивает не только более качественную обработку значений сигналов, но и организацию обмена данными через сетевые каналы, которые в настоящий момент не задействованы.
Для реализации системы диагностики представители службы КИП ООО «КИНЕФ» обратились в отдел АСУТП с предложением приёма диагностических данных с датчиков и последующей её обработкой.
Но, по причине загруженности серверов, от данной схемы реализации пришлось отказаться.
Исходя из сложившейся ситуации, для решения данной проблемы было предложено использовать современные беспроводные технологии.
Таким образом, стало возможным создать систему диагностики средств КИП на основе беспроводной передачи данных.
Современные средства КИП
В процессе эксплуатации интеллектуальные приборы выполняют анализ своей работы: при возникновении различных сбоев, нарушений и неисправностей фиксируют место их возникновения и причину, анализируют работу базы данных датчика, рассматривают правильность учета факторов, корректирующих выходные показания прибора.
Прибор может выдавать до тридцати различных сообщений, конкретизирующих текущие особенности его работы и резко облегчающих и ускоряющих его обслуживание. Анализ этих сообщений позволяет точно спланировать работу по обслуживанию средств КИП и, при необходимости, оперативно вмешаться в их работу.
Информация, выдаваемая датчиком об отдельных его неисправностях, подразделяется на 2 типа:
- некритическая информация, когда датчик требует определенного обслуживания, но измеряемые им значения могут использоваться для управления;
- критическая информация, когда выходные данные датчика неверны, и либо требуется немедленное вмешательство технологического персонала по приостановке использования его показаний, либо сам датчик переводит свой выход в постоянное безопасное, для управления процессом, значение и сообщает о необходимости срочного обслуживания.
Из этого следует, что датчики с функцией самодиагностики сообщают не только о уже возникших сбоях и неисправностях, но и выдают прогноз по их возможной некорректной работе и дают рекомендации по их техобслуживанию.
Сейчас информация об ошибках используется в малой степени, только при подключении к прибору.
Сегодня на предприятии ООО «КИНЕФ» основная часть датчиков имеет функцию самодиагностики. На РСУ принимается только параметр измеряемой величины, при этом вся дополнительная информация не используется.
Для анализа и диагностики приборов необходимо провести ряд действий:
- обработку дополнительных сигналов или дополнительных величин, которые не входят в цепь передачи измерительного сигнала;
- анализ и установку предельных значений параметров сигнала для установленных условий применения;
- применение избыточности информации, учитывающую известные соотношения между сигналами нескольких датчиков или их связь с параметрами модели контролируемого технологического процесса.
Дополнительный анализ информационных параметров может выявить отказы, а также грубые дефекты в работе датчиков и в ряде случаев позволяет заблаговременно диагностировать неисправность оборудования.
Интеллектуальные средства измерения на предприятии ООО «КИНЕФ».
Основные приборы, используемые на предприятии:
Датчики давления Rosemount 3051S диагностируют:
- кавитацию насосов,
- закупорка импульсных линий
- проблемы токовой петли,
- попадание влаги в клеммный отсек,
- нестабильность источника питания.
Радарные и волноводные уровнемеры Rosemount 5400 (рис. 1) диагностируют:
- сила эхосигнала,
- отношение сигнал/шум,
- качество работы,
- диагностика состояния зонда (или антенны).
Рис. 1. Радарный уровнемер 5400 с преобразователем Rosemount 775
Ультразвуковые расходомеры. Диагностируют:
- скорость звука в среде,
- скорость звука в измеряемой среде,
- соотношение сигнал / шум,
- уровень усиления сигнала,
- сообщения о состоянии и диагностическая информация в соответствии со стандартом NAMUR NE 107 (состояние электроники, процесса измерения и параметров настройки)
Клапаны с интеллектуальными электропневматическими позиционерами FIELDVUE DVC (рис. 2). Могут диагностировать:
- положение клапана,
- пониженное давление питания,
- передавать дискретные сигналы ошибок, таких как ошибка хода клапана, превышение заданного количества циклов, ошибка сенсора давления питания и давления подачи в привод.
Рис. 2. Клапаны с интеллектуальными электропневматическими позиционерами FIELDVUE DVC.
Кроме этого есть возможность настроить предупреждения о 43 различных ошибках. Передача информации о температуре внутри самого позиционера позволяет косвенно определить работоспособность и состояние системы обогрева клапана, и тем самым предотвратить возможные отказы при низких температурах.
Организация потока данных от полевого КИП: реализация по HART протоколу.
Для организации передачи данных от полевого КИП по HART протоколу необходима дополнительная настройка контроллеров системы управления для сбора динамических переменных по HART протоколу и до трех дополнительных функциональных блоков AI (входа-выхода) на один модуль управления.
При этом могут потребоваться дополнительные лицензии для системы управления и, как правило, нет возможности считать флаги состояния полевого оборудования.
В виду множества проблем, связанных с передачей динамических данных, стал вопрос об альтернативном пути их передачи.
WirelessHART - это стандарт, расширяющий возможности связи с полевыми устройствами. Широкий спектр устройств можно комбинировать и подключать к одной сети, а традиционные проблемы беспроводной связи, такие как ограниченная область охвата и невысокая надёжность были сведены к минимуму. Все приборы работают одновременно как передатчики и как повторители, тем самым увеличивая количество путей сигнала к приёмнику. При потере одного пакета данных используется альтернативный пакет, чтобы обеспечить успешную передачу данных.
ООО «КИНЕФ» для реализации системы диагностики использует беспроводную технологию передачи данных.
Таким образом, получается беспроводная сеть на базе проводных и беспроводных полевых приборов (рис. 3), которая будет передавать основную переменную по проводам, а дополнительные по беспроводной сети, тем самым решая проблемы, связанные с организацией и обработкой информации.
Организация потока данных от полевых датчиков по беспроводной сети, WirelessHART:
- динамические переменные и дискретные сигналы состояния передаются по беспроводной сети;
- промышленный протокол WirelessHART позволяет считать динамические переменные и флаги состояния;
- данные собираются на шлюзе 1420 и доступны для последующей обработки по протоколам OPC, Modbus TCP, Modbus RTU;
- визуализация данных может быть реализована в ПО систему управления, накопление истории и более подробное отображение может быть реализовано на вспомогательных рабочих станциях с любой SCADA.
Основные элементы для создания беспроводной сети.
Основные элементы для создания беспроводной сети на ООО «КИНЕФ»:
- Беспроводной шлюз для сбора данных от беспроводных полевых приборов и последующую интеграцию этих данных в систему верхнего уровня.
- Преобразователь сигнала Rosemount 775 HART в беспроводной WirelessHART.
SKADA-системы, алгоритмы диагностики приборов.
Визуализация данных может быть реализована в ПО системы управления, накопление истории и более подробное
Рис. 3. Беспроводная сеть на базе проводных
и беспроводных полевых приборов.
отображение может быть реализовано на вспомогательных рабочих станциях с любой SCADA.
Для организации динамического обмена данными используется рабочая станция, которая подключается к шлюзу через Ethernet.
Шлюз имеет 2 порта связи Ethernet. Эти соединения могут использоваться для доступа к веб-интерфейсу шлюза и для связи по протоколам Modbus TCP, OPC, AMS Wireless Configurator и HART TCP.
Для создания системы диагностики используется передача по OPC-протоколу.
Для этого устанавливается OPC-сервер на рабочую станцию (ПК), с помощью которой будет производиться опрос полевых датчиков. Тем самым будут передаваться данные, полученные от шлюза на верхний уровень (например, в SCADA InTouch, Citect).
Сервер OPC является наиболее широко используемым в промышленной автоматизации. Он обеспечивает обмен данными (запись и чтение) между клиентской программой и физическими устройствами.
Данные состоят из 3х полей: значение, качество и временная метка. Параметр качества данных позволяет передать от устройства клиентской программе информацию о выходе измеряемой величины за границы динамического диапазона, об отсутствии данных, ошибке связи и другие.
Программные системы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие работу компьютерных операторских станций, в литературе получили наименование «SCADA‑программы» (аббревиатура «SCADA» означает «Supervisory Control and Data Acquisition» - «сбор данных, наблюдение и управление»).
Средства визуализации - одно из базовых свойств SCADA - систем. В каждой из них существует графический объектно - ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций.
Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий круг операций над выбранным объектом. Предлагается использование SCADA системы InTouch.
Для системы диагностики средств КИП созданы алгоритмы по контролю полевых приборов, таких как датчик давления, уровнемер, клапана и датчик расхода.
С последующей реализацией в SCADA системе InTouch.
Диагностика датчика давления. При диагностике датчика давления информация о его состоянии принимается дистанционно.
Актуальна температура корпуса датчика, это позволяет контролировать обогрев, тем самым предотвратив замерзание прибора в холодное время года, а также дискретные сигналы об ошибках, таких как проблема токовой петли, попадание влаги в клеммный отсек, нестабильность источника питания и ошибка сенсора.
В новых датчиках давления появилась функция диагностики закупорки импульсных линий, которую можно реализовать в алгоритме, тем самым своевременно обнаружить их загрязнение.
Алгоритм диагностики расходомера. Контролируя сигналы о состояния сенсора, такие как сигнал-шум, усиление сигнала, проводимость способствует выявлению проблем на ранней стадии.
Также получаемая информация о температуре электроники, состояние токовой петли, нестабильность источника питания облегчает обслуживание приборов.
В дополнение к этому на предприятии ООО «КИНЕФ» будет проводиться балансовый расчет с расходомеров. Будут использоваться данные с нескольких приборов, стоящих на одном трубопроводе, при этом будет сверяться сумма приходящего и уходящего продукта.
Алгоритм диагностики уровнемера. При диагностике уровнемера актуальными данными являются: мощность сигнала опорного импульса, мощность полезного сигнала (от поверхности измеряемого продукта), качество сигнала и температура корпуса прибора.
Следующие дискретные сигналы ошибок: состояние прибора, состояние опорного сигнала, поверхности, зонда.
Мониторинг этой информации позволит заблаговременно увидеть тенденцию уменьшения опорного сигнала, связанного с образованием конденсата под фланцем или уменьшения полезного сигнала, связанного с попаданием грязи в выносную камеру, тем самым даст нам время на устранение проблемы.
Ниже приведена реализация диагностики уровнемера в SCADA системе InTouch (рис. 4).
Рис. 4. Реализация диагностики уровнемера в SCADA системе InTouch.
Алгоритм диагностики клапана. Актуальными данными являются: токовый выход, давление воздуха питания, задание на клапан, положение клапана.
При этом будет производиться сравнение хода клапана с заданием.
Следующие дискретные сигналы ошибок: отказ прибора, ошибка сенсора хода, ошибка сенсора давления, ошибка ПЗУ.
Мониторинг этой информации позволит заблаговременно увидеть рассогласование клапана, залипание клапана, выход из строя электропневматического позиционера, разрыв (пропуск) мембраны исполнительного механизма, это даст время на устранение проблемы.
Также контроль давления на позиционере выявит проблему отсутствие воздуха КИП.
В SCADA системе реализовано множество функций, такие как: сигнализация при определенном значении, цветовая сигнализация, выбор диапазон измеряемого параметра.
Заключение
Созданная система диагностики работы интеллектуальных средств КИП ООО «КИНЕФ» с применением беспроводных технологий позволяет оперативно выявлять предаварийные ситуации, связанные с отказом средств КИП.
Гибкость системы позволяет использовать «широкую» линейку средств КИП различных производителей.
Важным результатом работы стало создание безопасных и комфортных условий работы обслуживающего персонала.
Графический интерфейс системы представляет информацию о процессе в удобном виде и обеспечивает быстрое освоение системы обслуживающим персоналом.
Компания Эмерсон
г. Москва, ул. Дубининская, 53, стр. 5
Т: +7 (495) 995-95-59
Промышленная группа «Метран»
г. Челябинск, Новоградский пр., 15
Т: +7 (351) 799-51-52
Автор: К. В. Ротчев, ведущий инженер ООО «КИНЕФ»; Р. В. Вешняков, приборист ООО «КИНЕФ»; А.Е. Смирнова, руководитель направления «Беспроводные технологии» в Европе и странах СНГ, Эмерсон
