Использование интеллектуальных устройств

Эволюция от простых пневматических устройств к сложным интеллектуальным устройствам была обусловлена стремлением потребителя к повышению производительности, облегчению труда обслуживающего персонала и к более продолжительному сроку автономной работы оборудования. Интеллектуальные устройства с избытком удовлетворили эти потребности, однако ценой все возрастающей сложности оборудования. Выгодой от осознания принципа действия интеллектуальных устройств и их внедрения является упрощение процесса, увеличение производительности и снижение себестоимости продукции за счет согласованности управления процессами с эксплуатационными периодами информационной системы.

Старая поговорка гласит, что для управления процессом необходимо знать его параметры, и сегодня это так же верно, как прежде. Следовательно, для того, чтобы пользователи чувствовали себя достаточно комфортно в условиях риска, связанного с ужесточением параметров контроля, им необходима достоверная информация об измерениях процесса.

Предположим, к примеру, что процесс требует минимальной плотности потока 38 л/мин. Если оператор не уверен в точности выполняемых устройством измерений, он может сугубо «на всякий случай» установить настройки на 40 л/мин, даже если избыточный расход увеличивает как стоимость используемого сырья, так и затраты на утилизацию отходов. С точным интеллектуальным устройством для измерения плотности потока, которому он может доверять, оператор будет чувствовать себя комфортно, снизив расход до 38,5 л/мин., экономя деньги за счет повышения эффективности.

Кроме того, интеллектуальные устройства снижают количество неполадок и перебоев, поскольку сообщают обслуживающему персоналу о текущих или ожидаемых неблагоприятных изменениях в работе еще до того, как прибор окончательно выйдет из строя. Несомненные аварии легко обнаруживаются большинством типов измерительных приборов, но лишь интеллектуальные устройства позволяют обнаружить незначительные нарушения, которые могут привести к отклонению в параметрах и часто становятся прелюдией к возникновению аварии.

 

Что делает устройство интеллектуальным?

Определение интеллектуальных устройств на протяжении последних десятилетий менялось (табл. 1). Первоначально использовались простые устройства с пневматическим приводом и давлением 0,2×1 бар, управляемые одношаговыми логическими контроллерами. Информация отображалась локально, часто при помощи манометра, и обычно фиксировалась вручную путем записи на бумаге в процессе осмотра техником. В случаях, когда данные требовали автоматического сохранения и анализа, использовался локальный самописец.эволюция интеллектуальных устройсв пневматики

В дальнейшем устройства стали более интеллектуальными за счет использования на выходе постоянного тока 1×5, 4×20 или 10×50 мА, изменяющегося пропорционально PV (переменной процесса). Появление технической возможности передавать данные на расстоянии позволило вести измерения, отображать их и управлять процессом удаленно.

Параллельное с процессорами и элементами ввода/вывода развитие систем управления привело к появлению более эффективных средств сбора информации, генерируемой этими устройствами с током на выходе 4?20 мА, оценки этой информации в технических единицах измерения и централизованных действий на основе этой информации и ее записи. Это сделало реальным внедрение циклических устройств, позволив запитать различные передатчики от одного источника тока, зачастую – через аналоговый модуль входа/выхода.

Серьезным шагом вперед стало превращение микропроцессоров в достаточно серьезные устройства, позволяющие устанавливать их непосредственно в полевых устройствах, что сделало возможным преобразование локальных сигналов при помощи цифровой техники. Это привело к появлению того, что может быть названо первыми по-настоящему интеллектуальными устройствами, поскольку эти устройства позволяли преобразовывать аналоговые параметры переменного тока 4×20 мА в цифровой сигнал, пригодный для передачи через сеть. Локальный микропроцессор был в состоянии также выполнять другие задачи по отношению к оборудованию, такие как калибровка и диагностика.

Сейчас, когда интеллектуальные устройства могут генерировать цифровые аналоги переменной процесса (PV) и другие параметры, стали появляться сети Fieldbus.  Первой из них стала сеть, использующая существующие каналы передачи сигналов 4×20 мА как физическую среду коммуникации, применяемые в первую очередь для доступа переносных устройств к калибровке оборудования, находящегося в произвольном месте циклической цепи с напряжением 4×20 мА. Кроме доступа с переносных устройств, некоторые системы распределенного управления получили характеристики хоста для такого рода коммуникации и обеспечили цифровой доступ к переменным процесса (PV) и диагностическим данным оборудования.

Со временем технология HART (Highway Addressable Remote Transducer) позволила унифицировать  многочисленные и несовместимые, специфичные для каждого конкретного производителя сети, которые использовали в качестве передающей среды существующие электрические сигналы 4?20 мА. Технология HART была размещена в независимой от дистрибьюторов системе, и в итоге настолько развилась, что стала ведущим протоколом связи между полевыми устройствами, получив одобрение большинства поставщиков приборов и систем управления. В результате под интеллектуальным устройством стало пониматься устройство, работающее с использованием технологии HART.

Однако у технологии HART были свои ограничения: она требовала для использования цифровых значений переменной процесса (PV) максимальной производительности при управлении в режиме реального времени и предоставления большего объема информации об удаленных устройствах. С увеличением мощности микропроцессоров увеличились и возможности интеллектуальных устройств, и вскоре они были в состоянии генерировать много ценной информации, помимо информация о переменной процесса (PV), стимулируя таким образом потребность в создании более эффективных сетей.

Начинают появляться цифровые сети, специально предназначенные для подключения устройств к системам автоматизации, в частности, сети Foundation Fieldbus H1 и Profibus PA. Эти платформы отказались от хорошо известных решений, использующих на выходе ток 4×20 мА, и начали использовать сложную электронику и стандарты программирования для увеличения скорости, улучшения диагностики и добавления новых функций, таких как встроенные системы локального управления. Эти две сети наравне с другими получили одобрение органов по стандартизации и стали встроенными коммуникационными опциями в интеллектуальном оборудовании, выпускаемом различными производителями.

В последнее время появление мощных и надежных беспроводных технологий привело к развитию специфичных для конкретного производителя стандартных решений, связанных с двусторонней передачей данных между полевым устройством и удаленными точками доступа. Фонд HART Communication Foundation разработал совместимую с предыдущими версиями беспроводную технологию.  Эта технология была принята МЭК в качестве стандарта IEK 62591. Комитет ISA SP 100.11a планирует также утвердить стандарт для беспроводных коммуникационных устройств.

В наши дни под интеллектуальным устройством понимается, как правило, устройство, которое содержит один или несколько параметров цифровых коммуникационных сетей.  В связи с тем, что цифровая связь требует использования микропроцессора, современные интеллектуальные устройства обычно предоставляет и широкий спектр других возможностей.

 

Потенциал интеллектуальных устройств

Успех измерений зависит от надлежаще подобранной технологии оборудования, должным образом применяемой в правильном приложении.  Простое устройство не способно воспринимать какую-либо информацию о процессе, кроме сигналов, передаваемых его непосредственными датчиками. В свою очередь, интеллектуальные устройства имеют диагностический потенциал для обнаружения ошибок в установке или проблем, касающиеся данного приложения, каждое из которых способно негативно повлиять на качество и/или надежность измерений. Интеллектуальные устройства способны также отвечать на запросы или предоставлять информацию о состоянии оборудования в систему автоматизации, или на другие работающие в сети платформы.

Один из способов считывания информации, подготовленной интеллектуальным устройством, – это пользовательский интерфейс. Этим интерфейсом может быть локальный монитор устройства, локальный портативный интерфейс HMI (human machine interface – интерфейс человек-машина) или интерфейс, работающий в сети HMI. В отличие от локального монитора дисплей HMI облегчает обмен информацией между техником или инженером с одной стороны и устройством с другой.

Высший класс интеллектуальных устройств – это многофункциональные устройства, способные одновременно фиксировать несколько параметров процесса (PV) при помощи целого ряда внутренних датчиков и передавать данные в цифровом виде или без проводов.  Примером такого устройства является Кориолисов расходомер, измеряющий или рассчитывающий массу потока, его вязкость, плотность, температуру и общий объем.

Некоторые интеллектуальные устройства, оснащенные такими коммуникационными протоколами как HART 6+, WirelessHART или Foundation Fieldbus H1, могут напрямую обмениваться данными о переменных процесса (PV) между аналогично оснащенными устройствами.  Эти переменные процесса (PV) затем используются для выполнения дополнительных расчетов на месте, без применения каких-либо систем автоматизации или дополнительных способов выполнения вычислений.  Например, вихревой расходомер (vortex) может быть соединен с датчиком давления и сообщать откорректированные данные о расходе энергии, или два датчика относительного давления могут быть объединены для фиксации перепада давления.

Эпоха Интернета открыла широкий спектр новых возможностей для связи, управления информацией и доступа к ней.  Хотя многие из этих технологий были адаптированы к платформам автоматизации, платформы, как и в случае программируемых логических контроллеров, программируемых контроллеров автоматизации и распределенных систем управления, однако при подключении через Интернет или по связанным с ним технологиям устройств, управляющих критическими процессами, должны быть учтены вопросы безопасности и защиты.

Отчасти из-за опасений, связанных с безопасностью и защитой, большинство установленных устройств по-прежнему передают данные о переменной процесса (PV) в систему автоматизации с помощью традиционных сигналов 4×20 мА, которые преобразовываются и используются в системе автоматизации. Однако цифровые системы связи, такие как Foundation Fieldbus, Profibus и Ethernet/IP, и беспроводные сети, такие как WirelessHART, все шире используются для цифровой передачи данных о переменной процесса (PV) непосредственно с устройства на платформы автоматизации, что исключает необходимость использования электрического сигнала 4×20 мА и связанной с ним инфраструктуры входа/выхода.

Переменные процесса (PV), описывающие расход энергии, передающие информацию об окружающей среде, контролирующие электрическую цепь и технологические единицы, как правило, не являются частью систем управления, работающих в режиме реального времени. Следовательно, данные об этих переменных могут поставляться непосредственно из интеллектуальных устройств в соответствующие базы данных через точки доступа, сконструированные по технологиям IT, что значительно упрощает архитектуру систем автоматизации и информации.

 

Не только переменная процесса

Однако потенциал интеллектуальных устройств, далеко не исчерпывается просто измерением и передачей на различные узлы данных о переменных процесса (PV). В интеллектуальном устройстве наряду с данными о его состоянии создается одна или несколько преобразованных переменных процесса (PV), полностью необработанные аналоговые значения преобразовываются, приводятся к линейному виду и/или иным образом адаптируются.  Эти преобразованные значения переменных процесса (PV), наряду с данными об устройстве, в цифровом виде передаются в систему автоматизации и/или в другие точки сетевого доступа через локальную сеть fieldbus или беспроводную сеть.

В таблице 2 приведены основные типы данных, предоставляемых существующими на сегодняшний день интеллектуальными устройствами, а также подробная информация о преимуществах, которые можно получить с их помощью. Например, данные о состоянии устройства могут свидетельствовать о сомнительном качестве данных или служить предупреждением. Это позволяет на месте или через сеть, предпринять надлежащие технические или сервисные меры для дальнейшей идентификации и оценки проблемы, а также поиска ее решения. Возможные ремонтные работы могут включать в себя калибровку, изменение конфигурации или замену устройства.

Исходные данные о параметрах устройства оцениваются на основе калибровочных стандартов с целью подтверждения качества измерений.  Это достигается за счет калибровки при помощи специального идентифицируемого образца. Во многих интеллектуальных устройствах внутренняя автоматическая диагностика, такая как проверка динамики Кориолисова расходомера, может информировать о необходимости поверки с калибровкой при помощи идентифицируемого оборудования. Некоторые интеллектуальные устройства для измерения потока оснащены средствами идентифицируемой поверки Национального института стандартов и технологии США (National Institute of Standards and Technology), предназначенными для проверки соответствия оборудования требованиям ISO 2001 в части идентифицируемой поверки и калибровки (Раздел 7.6).

Производители интеллектуальных устройств 4?20 мА, пригодных к использованию при проектировании защитных систем автоматизации (safety instrumented system – SIS) все больше отвечают требованиям IEK 61508 к проектированию оборудования, его производству и управлению в эксплуатационный период. Проектировщики систем безопасности часто используют нормативы IEC 61511 и ANSI ISA 84.01-2004, касающиеся управления системой безопасности в эксплуатационный период, частично применяя стандарт IEC 61508 в области сертифицированного оборудования с внутренней диагностикой.

Такое сертифицированное оборудование может помочь проектировщикам достичь требуемого уровня интегральной безопасности (Safety Integrity Level ? SIL) процесса. Интеллектуальные устройства SIL способны также передавать диагностическую информацию на устройства контроля состояния оборудования, для того чтобы облегчить техническое обслуживание прибора.

Использование интеллектуальных устройств увеличивается, растет объем и сложность информации, связанной с диагностикой. Это требует введения нормативов распознавания кодов ошибок и диагностической информации. Отчасти попыткой такой стандартизации является рекомендация NAMUR NE107, предлагающая выделить пять стандартных категорий статуса сигнала при передаваемой с интеллектуальных устройств диагностической информации.

Автономный контроль и диагностика неисправностей в устройствах, соответствующие рекомендации NE107, выделяют и систематизирует диагностическую информацию, преобразуя ее в исполняемые указания. Это уменьшает сложность и снижает уровень необходимой подготовки операторов и техников, помогая улучшить безопасность и доступность инструмента.

Другой инструмент для стандартизации представления данных в интеллектуальных устройствах — это стандарты, определяющие, как это должен выглядеть каждый из типов данных в отношении их описания и терминологии. Два основных стандарта, используемые с этой целью в настоящее время,  это языки Electronic Device Description Language (EDDL) и Field Device Tool (FDT).

Развитие технологий, позволяющих на высоких скоростях передавать значительный объем цифровых данных, сделало эти устройства по-настоящему интеллектуальными, представляющими пользователям дополнительные преимущества, а также упростившими их внедрение и использование.

 

От обычных интеллектуальных устройств к продвинутым

Оборудование эволюционировало от простого к интеллектуальному, а на горизонте маячит продвинутая интеллектуальность. По всей видимости, в будущем устройства приобретут несколько каналов связи, каждый со встроенной системой безопасности, подобных нынешнему маршрутизатору, управляемого через сеть Ethernet. Эти каналы будут управляться с помощью IP-адреса и серверной технологии, тем самым превращая оборудование в реальный сервер данных.

Канал высокоскоростной передачи будет использоваться для передачи переменной процесса (PV) на контроллер в режиме реального времени и будет иметь приоритет перед остальными коммуникационными ресурсами устройства. Другие каналы связи будут использоваться для подключения прибора непосредственно к приложениям, таким как мониторинг процессов, состояния оборудования, окружающей среды, управление рациональным использованием энергии, управление активами, планирование технического обслуживания и расширенная диагностика. Это прямое соединение будет осуществляться параллельно с системой управления в режиме реального времени, что упростит общую архитектуру системы автоматизации и информации.

Промышленные стандарты беспроводной связи, за исключением WirelessHART и  ISA100.11a, могут развиться в ответ на требования пользователей, таких как соответствие NAMUR NE124. По мере того как пользователи будут все увереннее использовать беспроводную связь в качестве доминирующего решения, информация с интеллектуальных устройств будет все чаще направляться к беспроводным точкам доступа, которые в свою очередь будут напрямую интегрированы в управление или в серверы баз данных, IT-сети.

Нерешительность разработчиков систем и конечных пользователей, вызванная сложностью вопросов интеграции, побуждает ведущих производителей оборудования и организации, занимающиеся протоколом локальной сети fieldbus, искать консенсус в вопросе спецификации Field Device Integration (FDI). Спецификация FDI будет объединять существующие спецификации EDDL и FDT и должна позволить действительно универсальную схему интеграции полевых устройств, позволяющую подключать практически любое полевое устройство через любую локальную сеть fieldbus.

Процессные устройства безопасности, использующие сеть fieldbus приобретут более широкое распространение, поскольку уже разработано оборудование, позволяющее соблюсти такие рекомендации по безопасности, как NЕ 97 и такие стандарты как IEC 61508-2. Сертифицированные в отношении их безопасности устройства будут работать также с использованием протоколов безопасности для локальных магистралей, например, таких как CIP Safety, Foundation Fieldbus SIS и PROFIsafe.

Объединение всех этих прогрессивных решений приведет к появлению по-настоящему интеллектуальных устройств, которые могут быть легко интегрированы в будущие системы автоматизации и информации.  Это приведет к тому, что пользователи смогут использовать все преимущества интеллектуальных систем: лучшее управление процессом, более высокую эффективность, низкое потребление энергии, сокращение простоев и повышение качества.

CE

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.