Тема с обложки: секреты измерений

Можно выделить семь составляющих оптимального использования устройств. Несмотря на то, что техническое обслуживание необходимо, иногда лучше обойтись без лишнего вмешательства.

ОБЗОР • Обслуживание по мере необходимости • Действия не всегда требуются • Выбери и установи правильно • EDDL, FDT/DTM • Сбор данных

Успешная работа автоматизированной системы во многом зависит от производительности и надежности ее органов чувств: всевозможных датчиков, преобразователей потока, уровня, давления, температуры, передающих данные на клапаны или контрольно-измерительное оборудование. Как справиться с таким потоком данных и заставить всю систему сбора информации работать без сбоев? В этой статье эксперты делятся секретами успешной организации системы сбора данных и сравнивают достоинства двух методов представления данных: EDDL и FDT/DTM (смотри врезку).

Секрет №1. Сделайте правильный выбор

Первый шаг в создании надежной системы сбора данных заключается в выборе правильного оборудования для данных измерений. Уровень прибора должен соответствовать поставленной задаче. Например, не стоит ставить сложную интеллектуальную систему для проведения второстепенных измерений. И наоборот, в критических местах экономить нельзя. Там, где необходима высокая точность, рекомендуется использовать интеллектуальные приборы с коммуникационными интерфейсами FOUNDATION fieldbus, Profibus или HART. По словам Тома Волласа (Tom Wallace), менеджера по маркетингу PlantWeb Emerson Process Management: "В системах с сигналами 4-20 мА передатчик преобразовывает цифровой сигнал в аналоговый, а АЦП управляющей системы выполняет обратное преобразование. При каждой операции возникают случайные ошибки и систематические сдвиги. Несмотря на эти недостатки, цифровые системы могут передавать одновременно дополнительную информацию."

Всегда экранируйте передатчики, несмотря на то, что большинство контактов изолировано. Электрические моторы и другие мощные приборы являются источниками сильного электромагнитного излучения, которое может вызвать значительные ошибки. Экранировка помогает уменьшить их влияние.

На систему управления температурой, давлением или уровнем не стоит ставить только двухпозиционные переключатели, их сбой трудно заметить. Всегда страхуйте их передачей аналогового сигнала, уровень которого можно легко проверить.

Секрет №2. Правильная установка оборудования

Преимущества любого, даже самого совершенного прибора можно свести на нет неграмотной установкой. Обратите внимание на следующие моменты:

1) Расположение прибора. Например, не стоит ставить датчик давления на паропровод: конденсат будет постоянно уходить, да и постоянное воздействие пара выдержит не каждый датчик.

2) Подводящие линии. Например, для измерителя потока необходим прямой участок соединительной трубки, чтобы стабилизировать поток. Особое внимание нужно при установке регуляторов давления (смотри иллюстрацию), хотя лучше обойтись вообще без них.

3) Крепление. Для некоторых датчиков важна ориентация в пространстве. Так, анализатор для газа должен быть направлен вверх, а жидкости — вниз.

4) Питание. Обязателен надежный экранированный силовой кабель, в цепи питания не должно быть шумовых и импульсных помех.

5) Заземление. Для некоторых приборов, например магнитометров, правильное заземление — одно из условий точности работы. Убедитесь, что кожух заземлен, причем только в одной точке.

6) Окружающая температура. Если температурный режим работы сенсора или передатчика выходит за указанные производителем рамки, прибор долго не прослужит.

7) Коррозионно-активная атмосфера. По словам Скотта Сондерса (Scott Saunders), вице-президента по маркетингу корпорации Moore Industries-International, в химической отрасли встречаются такие специалисты, которые могут "поставить резистивный термометр прямо около передатчика. Когда прибор новый, все работает хорошо. Через 6 месяцев наступает время профилактического обслуживания. Эти специалисты приходят, отсоединяют термометр, подключают свой симуля-тор и калибруют измерительную систему. После этого они подключают все заново и с чувством выполненного долга уходят, абсолютно не учитывая, что своими руками только что внесли значительную ошибку в систему. Она возникает из-за коррозии проводов при трех-проводной схеме подключения." В такой схеме предполагается, что сопротивление проводящих проводов не изменяется, а на самом деле в коррозионно-ак-тивной атмосфере это далеко не так. В этом случае необходимо пользоваться 4-х проводной схемой.

8) Взрывоопасные условия. "Я просто поражаюсь, сколько раз я видел приборы для работы в Class I Div 1 (взрывоопасная среда) просто поставленными, их нужно крепить со всеми мыслимыми предосторожностями, — говорит Сондерс. — Я даже видел передатчик этого класса после калибровки и подключения. Стеклянная крышка на нем была закручена не до конца." "И даже не задумаются, зачем нужны дополнительные нити, а по ним проходит горячий газ и остывает," — жалуется Сондерс.

"После выбора места и монтажа прибора всегда необходимо проверить правильность установки и настройки. Запустите средства самодиагностики прибора. Если в нем предусмотрены режимы симуляции, обязательно воспользуйтесь ими," — советует Воллас из компании Emerson.

а)

"Убедитесь, что перед измерителем мощности потока есть достаточно длинный прямой участок (а) или регулятор режима потока (б)," — настоятельно советуют в Emerson Process Management

"Особое внимание нужно при установке регуляторов давления, хотя лучше обойтись вообще без них, как на этом рисунке," — еще один совет Emerson Process Management

Передача параметров: EDDL или FDT/DTM? Вопрос, каким образом лучше всего связать отдаленный прибор с управляющей системой, поднимался неоднократно. Во время дискуссий, настолько горячих, что они получили название "войн за полевые шины" (Fieldbus wars), были сторонники FOUNDATION fieldbus, Profibus и других протоколов. Не было согласия и в способе передачи задаваемых параметров, и как их довести до пользователя. Выделилось две основные группы: сторонники DDL (Device Description Language — язык описания устройств), который позже стал EDDL — DDL для электронных устройств (Е — electronic). Их противники поддерживали FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager — инструмент полевого прибора / средство обслуживания устройства). Первой появилась технология EDDL, по ней создаются дескрипторные файлы устройства, они содержат всю необходимую информацию. Базовый компьютер получает этот файл и выводит его пользователю. "Взаимосвязь параметров описывается производителем прибора, а группировка, метод представления и, вообще, весь внешний вид отображения оставляются на усмотрение программы базового компьютера," — объясняет Мартин Зелински (Martin Zielinski), технологический директор технологий HART и fieldbus в компании Emerson Process Management. FDT/DTM — это стандарт среды настройки и эксплуатации полевых приборов. DTM отвечает за обслуживание прибора, структуру программ диагностики и их связь с базовым компьютером и всей системой управления. В отличие от дескрипторного файла, DTM содержит интерфейс управления и диагностики прибора. Таким образом, внешний вид интерфейса, навигация по нему и отображаемые параметры полностью задаются производителем прибора. Недавние разработки несколько сгладили различия между этими двумя технологиями. Например, в EDDL разработчики добавили "графическую среду, которая позволяет рисовать диаграммы и графики, а также возможность долговременного хранения данных на жестком диске системы," — рассказывает Зелински. По словам Пайпера из Foxboro, "добавлена схема расположения. Простой список параметров теперь можно разделить на несколько групп, контролировать их отображение на экране. Неудобный для чтения список стал более структурированным." "С нашей точки зрения, несмотря на все изменения, пользоваться EDDL все еще неудобно, — говорит Пайпер. — Мы не можем написать свой интерфейс для каждого прибора, их слишком много, этим должен заниматься производитель. Технология FDT лишена такого недостатка и является наиболее развитым на сегодняшний день способом общения с прибором. Это видно на диаграмме." Воллас из компании Emerson, наоборот, считает, что потенциал развития EDDL очень большой. В подтверждение он приводит соотношение типов приборов, поддерживающих две технологии: 1200 за EDDL против 110 сторонников DTM. Пайпер возражает, что "все производители устройств, за исключением одного, объявили о поддержке протокола FDT в своей продукции". Воллас предлагает пойти на компромисс: "Давайте считать EDDL обязательным стандартом. Если в данном приложении возможностей EDDL не хватит, можно воспользоваться преимуществами DTM." Как видно на этом примере от компании Invensys Foxboro, DTM дает возможность производителю добавить в программное обеспечение дополнительные возможности, например, справку Microsoft Windows

Секрет №3. Если все работает, не стоит лишний раз вмешиваться

После того, как прибор настроен и правильно работает, лучше всего не изменять установленные настройки до сигнала об ошибке. "Современные приборы работают настолько точно и стабильно, что их даже не нужно калибровать после установки на месте работы, — утверждает Воллас. — Воспользуйтесь калибровкой, установленной по умолчанию, выполните установку нуля "0" после закрепления прибора и после заполнения рабочей жидкостью. Больше ничего не требуется. Можно оставить прибор работать до профилактической проверки." По словам Волласа, самостоятельно проводить калибровку датчиков нужно только при изменении диапазона измерений, в противном случае она чаще всего приводит к ошибкам. При возникновении сомнений следует обратиться к технической документации прибора. Это и логично: калибровка в заводских условиях проходит точнее, чем на месте, на предприятии.

"Есть две причины, почему самый простой метод: оставить прибор и не трогать его — оказывается оптимальным, — рассказывает Сондерс из компании Moore Industries. — Во-первых, это надежные приборы. Они относительно недороги, и если прибор работает с ошибками, то лучше купить новый. Во-вторых, у всех цифровых приборов есть средства внутренней диагностики, и возникшая ошибка выявляется автоматически."

Иногда бывает трудно отказаться периодически калибровать измерительную систему. Лучший способ убедиться, помогут эти меры или нет, — сделать базу данных. Если у калибратора есть возможность регистрировать данные, то его отчет поможет, но полную информацию можно получить только из базы данных. И еще один совет Сондерса: "Многие тратят значительные суммы на такие технологии, как FOUNDATION fieldbus или Profibus, но экономят на дополнительных модулях. Например, пакет оптимизации и регистрации данных может дать очень полезную информацию о разрядах состояний, результатах калибровки и отклонениях."

Описанный метод "поставил и забыл" не обладает абсолютной универсальностью. Лучше перестраховаться, когда от результатов измерений слишком многое зависит, например в области здоровья и безопасности. Этот метод также неприменим, если прибор работает в жестких условиях и высока вероятность сбоя. К этой категории относятся трубопроводные системы и аналитические устройства. Также необходимо особое отношение к датчикам в экстремальных температурных условиях, в активной атмосфере и при сильном механическом воздействии. Приборы с подвижными частями всегда менее надежны, поэтому, например, клапаны также относятся к исключениям.

Секрет №4. Косвенные признаки неисправности

Один из самых простых методов проверить достоверность показаний прибора — проверить наличие шума. Если измеряемое значение не меняется в течении более недели, это может свидетельствовать о стабильности процесса, но скорее всего, это признак серьезного сбоя. "Был случай: техник заметил, что уровень кислотности застыл на отметке в 7,2 и не менялся в течение 18 месяцев, — вспоминает Воллас из компании Emerson. — Оказалось, что датчик серьезно испортился и все это время давал неверные показания. В реальных условиях всегда есть незначительный шум и прибор должен его регистрировать."

Во взрывоопасных условиях необходимо надежное крепление приборов. На рисунке показано, как можно надежно прижать базу поверхностного термометра-передатчика в полевых условиях, чтобы сохранить его уровень взрывозащищенности

У некоторых передатчиков эта функция встроена: они проверяют наличие шума в системе в течение нескольких секунд, и, в случае его отсутствия, сигнализируют о сбое. В цифровых системах, например, FOUNDATION fieldbus или Profibus, дополнительный шум возникает в цифровых данных, в аналоговом сигнале он может быть не заметен. Также полезно следить за стандартным отклонением шума. Неожиданное увеличение этого параметра свидетельствует о "лишнем воздухе в системе, нарушениях в потоке, прохудившейся импульсной линии, пыли в потоке газа или жидкости," — говорит Воллас.

Секрет №5. Обращайте внимание на второстепенные факторы

В большинстве современных систем сбора данных регистрируется несколько дополнительных параметров.

Например, большинство датчиков давления и потока могут дополнительно измерять температуру. Иногда внешнюю, иногда температуру прибора, причем не только измерять, но и регистрировать. "У любого электронного прибора есть оптимальный температурный режим, для работы в котором он лучше всего подходит" — говорит Пол Шмелинг (Paul Schmeling), менеджер по маркетингу в области давления компании Emerson Process Management. Например, по температуре электронной схемы можно судить о ее некорректном использовании. У многих приборов есть возможность регистрировать скачки давления. Часто эти и другие нарушения условий эксплуатации сокращают время службы приборов или сбивают их настройки. Об изменении или нарушении режима работы, необходимости плановой проверки могут сообщать встроенные системы.

Секрет №6. Не требуйте слишком много

Многие совершают следующую ошибку: запрашивают все данные от устройства сбора данных и захлебываются в потоке информации. В цифровых приборах можно настроить сигнализацию об ошибке по множеству параметров, если задействовать все одновременно, то в таком объеме данных сложно разобраться и оперативно отреагировать. Последствия могут быть непредсказуемыми. Самый известный инцидент, возникший из-за несоблюдения этого правила — авария на атомной электростанции Three Mile Island в США в 1979 году. Были и другие подобные случаи и в США и в других странах.

Как можно избежать такой ситуации и не пропустить ошибку? Лучший способ — разумная настройка системы оповещения. Мелкие ошибки возникают всегда (в одной компании стандарт — 6 случаев за час), их нужно выделить, но не тратить лишних усилий без необходимости. Таким образом можно сосредоточить внимание на тех сбоях, которые будут иметь серьезные последствия.

"У большинства приборов есть возможность разделить сбои на предупреждения и реальные ошибки, можно сразу определить, требует ли проблема серьезного вмешательства,- утверждает Чарли Пайпер (Charlie Piper), менеджер fieldbus технологии в компании Invensys Foxboro. — Есть возможность установить 20 или даже 30 различных уровней ошибок и предупреждений, в каждом случае можно настроить реакцию всей системы".

Секрет №7. Данные — это еще не информация

Без совместной обработки огромное количество собранных данных нельзя назвать полезной информацией. По словам Сондерса из компании Moore Industries, многие пользуются всеми доступными средствами, чтобы получить как можно больше данных, но они забывают о программах анализа, которые могут указать на необходимость технического обслуживания по ситуации и оправдать вложенные средства и усилия. Хорошая система регистрации и анализа позволяет экономить значительные средства, потому предупредить появление неисправностей гораздо дешевле, чем исправить их.

"Для нас преимущества этой системы анализа данных проявились, например, при анализе клапанных позиционеров, — рассказывает Пайпер из компании Foxboro. — Она позволяет определить, сколько раз клапан изменил направление движения и полное расстояние, которое прошел поршень. По этим данным можно определить наличие неисправностей”. "Еще один полезный параметр — избыточное отклонение позиционера клапана, оно свидетельствует об избыточном трении. Из-за этого команда установить определенное положение не выполняется. Система анализирует примерно 20 или 30 параметров, по ним можно точно определить необходимость проведения работ," — утверждает Пайпер.

Хорошая система анализа и регистрации вместе с соответствующим программным обеспечением позволит вам время от времени проводить тестирование клапанов. Можно проверить уход параметров. Отчеты по проведенным измерениям скажут о необходимости проведения текущей профилактики или о том, что она необязательна. Пайпер упомянул случай, когда проанализировали, как часто клапан попадает в граничное положение. Частота оказалась в пределах допустимой, и проводить профилактический ремонт необязательно. Интересно, что это определила не сложная система, а простой интерфейсный модуль HART, который посылал в систему регистрации импульс каждый раз, когда клапан приближался к крайнему положению ближе, чем на 1%.

Данные, собранные и проанализированные комплексной системой регистрации, позволят предсказать появление поломок и предотвратить их. Однако это сложный процесс и в некоторых случаях без него можно обойтись, проводя проверки по расписанию или заменяя сломавшиеся компоненты. Например, если сломается датчик уровня жидкости в баке, который наполняется и опустошается за неделю, — это не чрезвычайная ситуация и тратить значительные усилия на нее не стоит.

В качестве заключения можно сказать, что современные хорошие системы — это надежные системы, и чаще всего лучше дать им возможность работать в установленном режиме. "Исключения есть, например, если поломка прибора или сбой системы анализа может угрожать безопасности, экологии или большими финансовыми потерями, тогда анализ или превентивная диагностика необходимы, — рассказывает Воллас. — Любая активная диагностика — это нарушение установленного режима работы, а, по моему опыту, чаще всего именно это приводит к серьезным сбоям. Гораздо лучше поставить систему наблюдения, а диагностировать в случае необходимости. Если сбой небольшой, его можно какое-то время игнорировать и исправлять сразу после выхода из строя."