Передовые методы разработки промышленных панельных компьютеров для применения в опасных зонах

Опубликовано в номере:
PDF версия
Для обеспечения непрерывнои? работы нефтегазового оборудования особенно важно, чтобы панельные вычислительные системы были надежными и легко восстанавливаемыми. Высокие температуры эксплуатации вызывают отключения и снижение четкости ЖК-дисплеев, что может отразиться на считывании показании? приборов самым непредсказуемым и негативным образом. Солнечныи? свет ухудшает видимость сенсорных экранов, а микроцарапины быстро понижают «отзывчивость» управления. В статье показано, как использование ИТ совместно с принципами промышленного дизаи?на позволило создать инновационныи? полевои? вариант комнаты управления.

На месторождениях провинции Альберта в Канаде операторам требуются панели управления, которые способны выдерживать холодные ветры и мороз суровых зим. При этом в Саудовскои? Аравии высокие температуры и агрессивное воздеи?ствие песка быстро разрушают панельные компьютеры и элементы управления. Хотя условия нефтяных и газовых месторождении? отличаются по всему миру, у них есть одна общая черта: все они находятся в суровых и, часто, отдаленных местах. Успешность использования панельных компьютеров в нефтегазовои? отрасли определяют три ключевые особенности: надежная модульная конструкция, различимость показании? экрана и термодинамическая конструкция.

ТЕНДЕНЦИИ ВНЕДРЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПАНЕЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ (IPC)

В прошлом панельные компьютеры были пригодны для использования только в крупных системах SCADA, осуществлявших управление в мягких и комфортабельных офисных условиях. Но сегодня «Интернет вещеи?» уже проник в сферу промышленнои? добычи и переработки нефти, поэтому возможность использования распределенных систем управления (DCS) с относительно недорогими и очень мощными промышленными панельными компьютерами (IPC) стала определяющим параметром при выборе оборудования.

Сегодня системы управления производством (MES) стремительно повышают функциональность систем DCS. IPC вытесняют PLC и RTU за счет своеи? масштабируемости, гибкости и вычислительнои? мощности. Инженеры по эксплуатации и операторы могут одновременно управлять многочисленными точками добычи и устрои?ствами с однои? буровои? платформы или удаленного центра управления производственнои? площадкои?.

Десять лет использования Ethernet и оптоволокна в области автоматизации процессов обеспечили обилие эксплуатационных и диагностических данных для каждого этапа работы. Другими словами, требуется собирать и анализировать все больше и больше информации, что требует значительного увеличения скорости передачи данных. А основнои? путь к достижению этого — использование более быстрого процессора. IPC позволяют решить данную проблему за счет значительного увеличения доступнои? для операторов вычислительнои? мощности, что в свою очередь обеспечивает более наглядное представление данных и более высокую доступность сети, а также снижает эксплуатационные риски при использовании оборудования для разведки, добычи, нефтепереработки и нефтехимии.

ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ IPC

Широкие возможности управления устрои?ствами и повышенная мощность IPC по сравнению с PLC и RTU все же имеют определенные минусы. Подобное увеличение мощности и возможностеи? управления за счет IPC значительно повышает уровень сложности платформы. Сбои в работе дисплея устрои?ства обычно влекут за собои? дорогои? и длительныи? ремонт, особенно при поломке на удаленных объектах. Отказы IPC потенциально означают простои? производства, что само по себе недопустимо даже в том случае, если IPC значительно улучшают процессы управления и сбора данных. Модульность и простота — это ключевые элементы любои? технологии управления в сфере автоматизации технологических процессов, потому что они обеспечивают быстрыи? ремонт и снижают риск простоя.

Удаленное местонахождение нефтегазовых месторождении? — довольно распространенное явление. Например, если с морскои? буровои? вышки отправляют блок HMI стоимостью $10 000 производителю на ремонт, то эта процедура растягивается на 8–12 недель, влечет за собои? расходы на доставку в размере более $2000 и приводит к потере производительности и снижению наглядности работы узла. Этот сценарии? встречается довольно часто, так как большинство IPC не рассчитаны на столь суровые условия промышленного использования. Зачастую они представляют собои? традиционные панельные компьютеры в прочном корпусе. Интеллектуальные решения для обогрева, внутреннее распределение тепла, сенсорныи? экран и конвекционныи? корпус — все это обычно проработано поверхностно и испытано довольно слабо. Раньше IPC были очень дорогими, громоздкими и неэргономичными, они часто ломались, а их ремонт и замена влекли за собои? серьезные трудности. Недаром нефтегазовая промышленность осторожно относится к использованию IPC, как это было 10 лет назад и с Ethernet-технологиями.

В конечном счете, однои? из важнеи?ших задач автоматизации процессов является предотвращение простоев, а риск использования IPC раньше часто перевешивал возможные выгоды. Тем не менее сеи?час положение дел изменилось.

ПЕРЕДОВЫЕ МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ IPC

В течение последних пяти лет несколько поставщиков устрои?ств промышленнои? автоматизации занимались развитием устои?чивых и надежных IPC. Они имеют большои? опыт успешного внедрения IPC в удаленных зонах с экстремальными условиями эксплуатации, от сильного мороза до невероятнои? жары. Соответствие строгим требованиям отрасли основано на трех ключевых характеристиках: модульности, удобстве использования и надежности (в порядке возрастания сложности).

РИС. 1. IPC, соответствующии? стандарту UL Class 1 Division 2

РИС. 1. IPC, соответствующии? стандарту UL Class 1 Division 2

Модульность
Ключевои? метод разработки IPC и промышленного интерфеи?са HMI — это надежная и сертифициро- ванная (по стандартам Ex и UL Class 1, division 2) модульная конструкция (рис. 1). Уменьшение количества сборных деталеи? обеспечивает более быстрыи?, дешевыи? и простои? ремонт и долгую эксплуатацию. Большинство IPC высокого класса имеют раз- дельные заднюю и переднюю панель, блок двои?ного энергопитания AC и DC, а также материнскую плату с возможностью подключения как обычных устрои?ств ввода/вывода, так и кабелеи? стандарта Zone 2.

Настоящая модульность позволяет пользователю заранее приобрести запасные части, чтобы быстро отремонтировать компьютер в полевых условиях. Кроме того, модульность предполагает безвентиляторную конструкцию, устраняя необходимость в использовании наружнои? вентиляции для охлаждения IPC. Данная конструкция без лишних механических элементов основана на принципах естественнои? конвекции и низкого энергопотребления. Благодаря еи? IPC потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла по сравнению со своими аналогами потребительского класса.

Удобство использования
Удобство использования — это широкии? термин, которыи? включает в себя как различимость показании? экрана, так и сенсорное управление. При создании IPC разработчикам приходится добиваться максимальных результатов в обеих этих областях, но по разным причинам обеспечить это не так просто. Например, свою роль здесь играют ограничения резистивнои? и емкостнои? сенсорных технологии?.

Резистивные сенсорные дисплеи широко используются в IPC и HMI, потому что при их создании можно применять более долговечныи? материал и ими можно пользоваться в перчатках, что является общим требованием для нефтяных и газовых объектов. Ограничения резистивнои? технологии заключаются в ее неспособности распознавать несколько касании?, т. е. пользователь должен управлять интерфеи?сом HMI одним пальцем или стилусом. Команды для резистивных сенсорных дисплеев определяются по давлению на одну точку экрана.

Емкостные сенсорные дисплеи более чувствительны и распознают несколько нажатии?, они распространены на смартфонах и потребительских планшетах. Работа с емкостным дисплеем требует больше ловкости, чем интуиции, но при этом пользователь должен управлять устрои?ством голыми руками, с помощью специальных перчаток или стилуса, так как эта технология использует электрические свои?ства человеческого тела при определении точек нажатия. Из-за этого емкостные дисплеи нельзя использовать с механическим стилусом или в обычных перчатках, что делает их непрактичными в промышленных условиях.

Тем не менее, хотя резистивные сенсорные дисплеи более устои?чивы к истиранию и разрушению, чем их обычные емкостные аналоги, они по-прежнему уязвимы к проколам, а их видимость может пострадать из-за использования полиэфирнои? пленки и воздушнои? прослои?ки между матрицеи? экрана и защитным стеклом. Грязь и блики от солнечного света могут помешать использованию IPC на промышленных удаленных площадках, подверженных воздеи?ствию прямых солнечных лучеи?, поэтому IPC должны иметь яркость не менее 800 кд/м2, чтобы соответствовать таким условиям.

Надежность
Надежность достигается за счет объединения модульнои? конструкции с удобством использования. Готовое решение должно заключать в себе все необходимое физическое оборудование, а также поддерживать удаленныи? доступ с помощью простого протокола сетевого управления (SNMP). SNMP — это всемирно признанныи? интернет-протокол управления устрои?ствами в IP-сетях. В устрои?ства, поддерживающие SNMP, входят маршрутизаторы, коммутаторы, серверы, рабочие станции, принтеры, модемные стои?ки и др.

С точки зрения аппаратного обеспечения, надежные IPC, способные непрерывно работать в диапазоне температур ниже 0 °C вплоть до –55 °C, должны обеспечивать быструю конвекцию и равномерное распределение тепла. Этот принцип конструкции связан с модульностью, но при этом сильнее затрагивает термодинамические свои?ства материалов. Внутренние источники тепла, в том числе процессоры, должны быть размещены на равном расстоянии от заднеи? панели и экрана.

Тепло, которое образуется вокруг процессора, часто не учитывается при разработке обычных панельных компьютеров и блоков HMI, но при использовании критически важных IPC контроль над температурои? важен для обеспечения быстрого охлаждения и обогрева в экстремальных условиях. Радиаторная конструкция вертикальнои? заднеи? панели увеличивает скорость конвекции безвентиляторных IPC, быстрее отводя тепло от ядра устрои?ства. Такои? тип радиатора лучше всего подходит для устрои?ств, устанавливаемых в теплых помещениях или подверженных воздеи?ствию прямых солнечных лучеи?.

РИС. 2. Пропорциональныи? контур управления *T — температура, определенная датчиком на интеллектуальном модуле обогрева. ** Теоретически такая ситуация не произои?дет. В целях повышения надежности EXPC-1319 имеет встроенныи? механизм защиты от перегрева

РИС. 2. Пропорциональныи? контур управления
*T — температура, определенная датчиком на интеллектуальном модуле обогрева.
** Теоретически такая ситуация не произои?дет. В целях повышения надежности EXPC-1319 имеет встроенныи? механизм защиты от перегрева

Но контроль над температурои? подразумевает собои? не только предотвращение перегрева. Промышленные площадки, связанные с нефтянои? промышленностью, все чаще и чаще возводятся в отдаленных местах, подверженных воздеи?ствию экстремально низких температур, поэтому IPC, работающие в таких условиях, должны быть в состоянии выдерживать их и при этом стабильно функционировать. Чтобы избежать возникновения искажении?, например белых пятен и размытости ЖК-дисплея, IPC должны быть оборудованы внутренними автоматизированными системами обогрева, которые адаптируются к растущеи? температуре процессора при активации механизма обогрева. Обогреватели должны иметь возможность оценивать температуру окружающеи? среды, поддерживать оптимальную температуру в тех случаях, когда система с этим не справляется, а также не допустить ее перегрева в случае увеличения внутреннеи? температуры. Это решение реализовано с помощью программного пропорционального контура управления (рис. 2).

Пропорциональные контуры управления обеспечивают наибольшую эффективность использования энергии и мощности, но их конструкцию нельзя назвать простои?. При использовании нагревательного элемента мощность контролируется за счет потребляемого количества энергии. Деи?ствительно эффективная конструкция IPC подразумевает использование пропорциональных элементов управления обогревом, которые определяют необходимое значение мощности с помощью широтно-импульснои? модуляции (ШИМ), а не просто последовательным включением и отключением нагревателя. Также необходимо установить датчик, определяющии? тепловую мощность, и, наконец, две или три программные подсистемы, необходимые для интеллектуального управления и контроля над температурои? системы. Каждыи? из этих элементов имеет свои собственные конструктивные проблемы, значительно увеличивая сложность пропорциональных систем управления в сравнении с простыми гистерезисными элементами управления, которые просто включают и отключают внутреннии? обогреватель. Гистерезисные элементы управления, которые иногда называют «двухпозиционными», заключают в себе множество нежелательных побочных эффектов и потенциальных точек отказа при использовании в приборах с широким диапазоном рабочих температур. Помимо значительно меньшеи? эффективности, обогреватели, использующие метод гистерезиса, могут негативно повлиять на стабильность питания (делают платформу более склоннои? к сбоям) или излишне перегреть внутренние компоненты компьютера, снижая его среднее время безотказнои? работы (MTBF).

РИС. 3. Система аварии?нои? сигнализации на основе протокола управления сетью SNMP

РИС. 3. Система аварии?нои? сигнализации на основе протокола управления сетью SNMP

Последнее требование для оптимальнои? конструкции IPC — это поддержка удаленного мониторинга и управления. С помощью механизма оповещения SNMP-Trap (рис. 3) настоящие компьютеры промышленного класса можно интегрировать в соответствующие системы мониторинга сети, что позволяет контролировать их внутренние показатели. Процессорное время, температура системы, использование памяти, уровень напряжения питания и емкость жесткого диска являются существенными факторами для критически важных приложении?, поэтому операторы сети обязательно должны иметь возможность постоянно их контролировать. Благодаря встроенному программному обеспечению (ПО) для диагностики, IPC теперь могут выдавать напоминания о проведении профилактического технического обслуживания и ухода, что позволяет предотвратить неисправности еще до их возникновения.

Кроме того, IPC можно оснастить рядом дополнительных функции? автоматического восстановления. Компьютеры, которые неоднократно запускают одно и то же ПО, часто провоцируют замедление скорости работы системы. Обычным решением в этом случае является переустановка или переписывание образа ОС. Для облегчения подобных операции? передовые IPC оснащены ПО для автоматического восстановления, которое позволяет IPC немедленно и автоматически распознавать управляемую сеть при перезагрузке после неожиданного выключения. Smart Recovery автоматически восстанавливает исходную копию ОС, также возможно восстановление по событию или расписанию.

ПРАКТИЧЕСКИИ? ПРИМЕР

Мировои? лидер в области производства буровых установок и лебедок заказал у компании Moxa надежное IPC-решение, которое может быть внедрено в консоли управления буровых установок по всему миру. Его буровые установки работают в одних из самых экстремальных условии? на земном шаре. При создании данных встроенных систем управления необходимо было учитывать тот факт, что пульт управления может оказаться в условиях критических температур — намного ниже 0 °C и выше +50 °C. Решение IPC должно было соответствовать стандарту UL, иметь надежную модульную конструкцию и гибкую программную поддержку, необходимую для установки компаниеи? своего собственного проприетарного ПО для управления тысячами исполнительных механизмов, которые каждыи? оператор дол- жен постоянно регулировать, и системои? безопасности.

Этот международныи? производитель передовых буровых установок выбрал модель EXPC-1319 за ее строгое соответствие промышленным стандартам и надежные принципы конструкции, малое время замены
и снижение стоимости управления запасами, а также за сведение влияния человеческого фактора к минимуму. Трехкомпонентые, аккуратные и эргономичные устрои?ства серии EXPC-1319 позволили заказчику предоставлять своим клиентам по всему миру надежные и качественно интегрированные системы управления, которые могут работать в любых условиях, от промерзлои? тундры провинции Альберта до знои?ных пустынь Саудовскои? Аравии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Промышленные панельные компьютеры, которые сеи?час внедряются таким же образом, что и человеко-машинные интерфеи?сы несколькими годами ранее, расширяют возможности распределенных систем управления далеко за пределы того, что раньше представлялось возможным. По аналогии с распространением интеллектуальных мобильных вычислительных устрои?ств на потребительском рынке высоких технологии?, более высокие скорости обработки данных позволили инженерам нефтегазовои? отрасли использовать IPC для одновременного управления большим количеством приборов. Тем не менее при выборе IPC необходимо учитывать некоторые конструктивные особенности. Самые качественные IPC имеют надежную и соответствующим образом сертифицированную модульную конструкцию. Они основаны на резистивнои? или резистивно-емкостнои? комбинированнои? технологии и оборудованы дисплеями яркостью не менее 800 кд/м2. Кроме того, в деи?ствительно надежных IPC, которые могут выдерживать высокие и низкие температуры, вместо гистерезисных механизмов для обогрева используются интеллектуальные решения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *