Warunkiem zapewnienia optymalnej pracy urządzeń w zakładzie przemysłowym jest m.in. prowadzenie różnego rodzaju pomiarów i monitoringu ich parametrów roboczych. Wczesna detekcja symptomów świadczących o nieprawidłowym działaniu instalacji przemysłowych pozwala na uniknięcie awarii, zminimalizowanie nieplanowanych przestojów oraz zwiększenie poziomu bezpieczeństwa pracowników i samych urządzeń.
Na polskim rynku produktów i rozwiązań służących do detekcji i pomiarów działa wiele podmiotów ? zarówno producentów (w tym również polskich), jak i dostawców. Ten konkurencyjny rynek rozwija się bardzo dynamicznie, na co wpływ ma m.in. wzrost świadomości inżynierów utrzymania ruchu, sięgających coraz częściej po nowoczesne narzędzia pomiarowe. A trzeba przyznać, że naprawdę jest w czym wybierać.
Temperatura na celowniku
W zakładach przemysłowych kontrolowanych jest wiele parametrów, z których na szczególną uwagę zasługuje pomiar temperatury, wskazany jako wiodący przez wszystkich ankietowanych dostawców oraz 90% sondowanych użytkowników. Temperatura jest podstawową wielkością fizyczną mierzoną, regulowaną, rejestrowaną oraz monitorowaną niemalże we wszystkich procesach technologicznych. Jej pomiar uważany jest za niezbędny, zwłaszcza w przypadku kontroli procesu produkcji, instalacji HVAC, w systemach magazynowania itd.
Realizacja i analiza pomiarów temperatury pozwalana zidentyfikowanie potencjalnych miejsc usterek systemów maszynowych i innych elementów urządzeń wykorzystywanych w przemysłowych procesach produkcyjnych. Sygnałem alarmowym jest z reguły jej podwyższona wartość, świadcząca o nieprawidłowym działaniu danego obiektu technicznego.
Temperatura może być kontrolowana przy pomocy przetworników mających wyjście elektryczne bądź nieelektryczne. W pierwszym przypadku temperaturę da się mierzyć na dwa sposoby: bezkontaktowo, przy pomocy pirometrów oraz kamer termowizyjnych, a także kontaktowo, stosując czujniki termoelektryczne (TC), zwane termoparami oraz czujniki termorezystancyjne (RTD) metalowe (platynowe, niklowe, miedziane) i półprzewodnikowe (wykonane z tlenków żelaza, manganu, litu tytanu i rutenu ? tzw. termistory).
W obszarze bezkontaktowych pomiarów temperatury dużą popularnością cieszą się kamery termowizyjne, które ? w przeciwieństwie do pirometrów ? umożliwiają otrzymanie szczegółowego obrazu rozkładu temperatury na dowolnej powierzchni. Jednak mimo rosnącej liczby zwolenników dużo bardziej zaawansowanej technicznie (a przez to droższej) termowizji, w powszechnym użyciu nadal są mierniki pirometryczne. Znajdują się one w ofercie większości firm zajmujących się sprzętem kontrolno-pomiarowym. Najczęściej są to urządzenia przenośne, mające konstrukcję pistoletu, które podają aktualną temperaturę, ale nie pozwalają na prowadzenie ciągłych, automatycznych pomiarów. W ofercie rynkowej można jednak spotkać specjalne pirometry, które samodzielnie prowadzą pomiary, rejestrując wyniki w pamięci, lub takie, które mogą pracować w systemie ciągłego wielopunktowego monitoringu, wykorzystując połączenia kablowe lub łączność radiową. Mogą też stanowić jeden z elementów bardziej rozbudowanego systemu monitorującego wiele różnych parametrów, takich jak temperatura powietrza, wilgotność, ciśnienie i wiele innych wielkości fizycznych.
Do pomiaru i monitoringu temperatury stosowane są również oferowane przez wielu dostawców rezystancyjne czujniki temperatury, które reagują na zmianę temperatury zmianą rezystancji wbudowanego w nie rezystora. W porównaniu z czujnikami termoelektrycznymi cechują się one wyższą dokładnością i rozdzielczością pomiarową. Najczęściej wybieranymi czujnikami rezystancyjnymi, stosowanymi w warunkach przemysłowych, są czujniki Pt100. Zdaniem użytkowników ich mocnymi stronami są: duży zakres pomiarowy, dokładność, mała bezwładność czujnika oraz szybkość reakcji.
Z kolei czujniki termoelektryczne, mierzące temperaturę na podstawie zmiany napięcia termoelektrycznego wbudowanego w nie termoelementu, użytkownicy cenią sobie przede wszystkim ze względu na takie cechy, jak: prosta budowa, duża trwałość, szybki czas odpowiedzi, a także możliwość stosowania w wyższych temperaturach niż ma to miejsce w przypadku czujników rezystancyjnych. Do wad tego rozwiązania należy konieczność podłączenia do urządzeń pomiarowych specjalnych przewodów kompensacyjnych, przedłużających lub termoelektrycznych, a także specjalnych złączy termoparowych, odpowiednich do zastosowanej termopary. Oferta rynkowa czujników termoelektrycznych jest bardzo szeroka i obejmuje różnego typu termopary, w tym również te najczęściej stosowane w pomiarach przemysłowych, takie jak: J, K, N, S, R i B.
Ze względu na budowę i cechy użytkowe szczególną grupę czujników termoelektrycznych temperatury stanową czujniki płaszczowe (termopary płaszczowe), które charakteryzują się przede wszystkim niewielkimi wymiarami. Użytkownicy sięgają po nie głównie dlatego, że można je stosować w miejscach trudno dostępnych, a także wszędzie tam, gdzie wymagany jest krótki czas reakcji oraz istnieje potrzeba zastosowania czujników temperatury o dużej odporności na drgania i wstrząsy.
W asortymencie producentów i dostawców znajdują się czujniki z różnego rodzaju osłonami, m.in. metalowymi, żaroodpornymi, ceramicznymi czy szklanymi. Dostępne są także specjalistyczne czujniki temperatury (np. do ciekłych metali i ich stopów lub czujniki mediów agresywnych), czujniki do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem, z obudową ognioszczelną oraz z obudową wzmocnioną itd.
Ciśnienie pod kontrolą
Jak wynika z przeprowadzonej ankiety redakcyjnej, tuż po temperaturze, na drugim miejscu najczęściej mierzonych w zakładzie przemysłowym wielkości znalazło się ciśnienie. Jak deklaruje 85% uczestników badania, obecne w ich przedsiębiorstwach urządzenia pomiarowe służą właśnie do tego celu.
Oprócz urządzeń mechanicznych w ofercie dostawców i producentów znajdują się także urządzenia elektroniczne, które pozwalają na pomiar i kontrolę ciśnienia w układach automatyki przemysłowej. W skład pierwszej grupy wchodzą presostaty i przetworniki analogowe, cechujące się prostą budową, natomiast do drugiej grupy produktów, o zaawansowanej konstrukcji i technologii przetwarzania sygnałów, zalicza się manometry cyfrowe oraz przetworniki inteligentne. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest przesyłanie na większe odległości informacji o mierzonym ciśnieniu w postaci sygnału analogowego lub cyfrowego, który może być użyty do układów regulacji oraz wizualizacji procesów produkcyjnych.
Oprócz powszechnie używanych manometrów mechanicznych najszerszą grupę urządzeń dostępnych na rynku stanowią elektroniczne przetworniki ciśnienia. W asortymencie dostawców znajdują się przetworniki ciśnienia z wyjściem zarówno analogowym prądowym 4?20 mA (zasilane z pętli prądowej) i 0?20 mA, jak i z wyjściem napięciowym 0?5/10 V. Przetworniki ciśnienia wykonuje się również z wyjściem cyfrowym, np. z interfejsem RS-485 (ModBus RTU), HART lub ProfiBus PA. Korzyścią wynikającą ze stosowania cyfrowych przetworników jest wstępna obróbka wyników pomiarów w przetworniku i ich transmisja cyfrowa do odległych urządzeń, a także możliwość zawężenia zakresu pomiarowego, co wpływa na dokładność pomiaru.
Elementem pomiarowym w przetwornikach ciśnienia są najczęściej czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne, pojemnościowe lub piezoelektryczne. Najszerzej stosowaną grupę stanowią piezorezystancyjne czujniki ciśnienia. Są chętnie wykorzystywane przez użytkowników, głównie ze względu na możliwość używania ich do pomiaru bardzo małych ciśnień. Do wad tych czujników można zaliczyć konieczność kompensacji temperaturowej oraz dużą podatność na uszkodzenia w wyniku kontaktu z mierzonym medium.
Jeśli chodzi o czujniki pojemnościowe, to ? jak wynika z doświadczenia użytkowników ? ich zaletami są z pewnością duża czułość i wytrzymałość na przeciążenia, a także większa stabilność długoterminowa, w porównaniu do czujników tensometrycznych i piezorezystancyjnych. Wadę stanowi niewątpliwie znacznie wyższa cena. Z kolei atutem tensometrów jest ich odporność na uderzenia i wibracje, a także możliwość pomiarów dużych zakresów ciśnienia.
Przepływ
Zgodnie ze wskazaniami ok. 70% ankietowanych, na trzecim miejscu najczęściej mierzonych wielkości znalazł się przepływ. I nic w tym dziwnego, gdyż obecnie trudno wyobrazić sobie prowadzenie procesów produkcyjnych bez zastosowania precyzyjnych urządzeń kontrolnych, jakimi są przepływomierze cieczy. Urządzenia te są niezbędne w przemyśle maszynowym, energetycznym, chemicznym, gospodarce wodno-ściekowej oraz w wielu innych branżach.
Oferta rynkowa przepływomierzy jest bardzo szeroka i obejmuje m.in. przepływomierze elektromagnetyczne, działające w oparciu o indukcję elektromagnetyczną oraz przepływomierze owalnokołowe, które cechują się odpornością na zmienną lepkość i temperaturę. Z kolei bardzo precyzyjny pomiar i wysoką skuteczność zapewnią oferowane przez dostawców przepływomierze turbinowe i ultradźwiękowe, które dzięki czujnikom ultradźwiękowym doskonale sprawdzają się np. w dużych rurociągach.
Systemy detekcji gazowej
Bardzo ważną rolę w zakładach przemysłowych odgrywają rozmaite urządzenia służące do detekcji gazów. Jak wynika z przeprowadzonego sondażu, są one stosowane w przedsiębiorstwach 40% respondentów.
W zakładach przemysłowych zastosowanie znajdują zarówno przenośne mierniki gazowe, jak i stacjonarne systemy detekcji gazowej.
Przenośne detektory mogą być jednogazowe, przeznaczone do wykrywania jednego rodzaju gazu, oraz wielogazowe, umożliwiające wykrycie od dwóch do sześciu rodzajów gazu. Można je skonfigurować w taki sposób, aby alarmowały w różnych warunkach, co pozwala na wczesne informowanie operatorów o stanach zagrożenia. Nadrzędnym celem alarmu jest zasygnalizowanie zbliżającego się zagrożenia, zanim stanie się niebezpieczne dla pracowników, majątku i środowiska.
Bezpieczeństwo miejsc, gdzie potencjalnie wystąpić może zagrożenie gazami i parami, w dużej mierze zależy od niezawodności systemu detekcji gazowej, a zwłaszcza od jakości użytych sensorów. W ofercie producentów i dostawców znajdziemy różnego rodzaju czujniki, m.in. półprzewodnikowe (do detekcji gazów wybuchowych i toksycznych), katalityczne (do detekcji i pomiaru stężenia gazów wybuchowych) czy elektrochemiczne (do pomiaru stężenia gazów toksycznych).
Ciągłe monitorowanie wycieków niebezpiecznych gazów zazwyczaj sprowadza się do umieszczenia określonej liczby czujników w miejscach o największym prawdopodobieństwie wystąpienia tych wycieków. Układ ten zwany jest systemem z punktami stałymi. Stopień złożoności każdego systemu wykrywania gazów uzależniony jest od warunków zbierania danych. Rejestrowanie i przechowywanie danych umożliwia wykorzystywanie zgromadzonych informacji w celu określenia problematycznych obszarów, ale gdy system ma być wykorzystywany jedynie do ostrzegania przed zagrożeniami, nie jest konieczne.
Uzupełnienie oferty konwencjonalnych systemów wykrywania gazów (punktowego oraz otwartej ścieżki) stanowi zastosowanie technologii ultradźwiękowej, umożliwiającej szybszą detekcję wycieków gazów, które nie znajdują się w bezpośrednim obszarze detekcji czujnika. Dzięki temu rozwiązaniu można zredukować liczbę urządzeń i znacznie usprawnić system detekcji. Technologia ta z powodzeniem wykorzystywana jest w nowoczesnych stacjonarnych systemach wykrywania gazów, zwłaszcza w instalacjach prowadzonych na zewnątrz budynków, w których gaz wyciekający pod wysokim ciśnieniem może spowodować niebezpieczne następstwa.
<—newpage—>Inne pomiary
Pokaźną grupę przyrządów pomiarowych tworzą mierniki wielkości elektrycznych, do których zalicza się takie urządzenia jak: amperomierze, watomierze, woltomierze, galwanometry, mierniki poziomu oraz mierniki uniwersalne. Tego rodzaju sprzęt wykorzystywany jest w zakładach ok. 70% ankietowanych.
Z odpowiedzi udzielonych przez sondowanych użytkowników wynika,że stosowane w ich zakładach urządzenia pomiarowe służą ponadto do przeprowadzania takich czynności i procedur monitoringowych, jak: pomiar drgań, wilgotności i kalibracja (ok. 40% wskazań); pomiar pozycji i wymiarów, siły, punktu rosy oraz pomiary energetyczne (ok. 30% wskazań); pomiar częstotliwości (15% wskazań).
Cena i marka liczą się najbardziej
Jak widać na rys. 1, głównymi czynnikami branymi pod uwagę przy zakupie przyrządów służących do detekcji i pomiarów są cena oraz marka (wg respondentów gwarantująca wysoką jakość). Tego zdania jest ok. 80% ankietowanych użytkowników i ok. 90% dostawców. Jeśli chodzi o typowania użytkowników, innymi ważnymi kryteriami wpływającymi na wybór urządzeń pomiarowych są: trwałość, dokładność/powtarzalność pomiaru, łatwość użytkowania, wsparcie posprzedażowe, łatwy odczyt wskazań, gwarancja, dostępność/szybkość dostawy, a także opinia innych użytkowników.
Dla ok. 30% użytkowników ważny jest też łatwy i szybki dostęp do serwisu, mimo że ? jak twierdzi 43% respondentów ? rzadko dochodzi do awarii urządzeń pomiarowych stosowanych w ich zakładach. Jedynie 7% osób uważa, że zdarzają się one często. Pozostali użytkownicy odpowiedzieli, że mają one miejsce czasami (36%) bądź wcale (14%).
Z kolei ? jak wynika z doświadczenia dostawców ? awarie sprzętu pomiarowego zgłaszane są przez użytkowników czasami (72%) lub rzadko (28%).
Od diagnostyki maszyn do kontroli procesów dyskretnych
Zgodnie z rys. 2, głównymi obszarami zastosowań przyrządów pomiarowych w zakładach przemysłowych są: diagnostyka maszyn i urządzeń oraz prewencja w utrzymaniu ruchu (82% wskazań użytkowników i 71% dostawców), a także kontrola procesów ciągłych (78% użytkowników i 100% dostawców). Według respondentów w dalszej kolejności znalazły się: prowadzenie serwisu, kontrola procesów seryjnych (partie produktów) i kontrola procesów dyskretnych.
Warto dodać, że urządzenia pomiarowe stosowane w zakładach uczestników badania są wykorzystywane głównie: na potrzeby własnego zakładu ? 78%, na potrzeby budowy specjalizowanego sprzętu (OEM) ? 7% lub ze względu na oba powyższe czynniki ? 15%.
Główny odbiorca ? produkcja
Zdaniem zarówno ankietowanych użytkowników, jak i dostawców głównym odbiorcą urządzeń pomiarowych jest obecnie produkcja. Uważa tak ok. 70% przedstawicieli obu sondowanych grup. W opinii użytkowników innymi istotnymi obszarami, w których urządzenia pomiarowe odgrywają znaczącą rolę, są: energetyka i motoryzacja (ok. 60%); gazownictwo i branża chemiczna (ok. 50%); przemysł rafineryjny i ochrona środowiska (ok. 40%); branża wod.-kan., spożywcza, farmaceutyczna i hutnictwo (ok. 30%); budownictwo i przemysł drzewny (ok. 20%). W opinii dostawców, oprócz produkcji ważnymi odbiorcami urządzeń pomiarowych są branża farmaceutyczna i energetyka (ok. 60% wskazań).
Jeżeli chodzi zaś o najbardziej perspektywiczne obszary zastosowań urządzeń pomiarowych, zdaniem respondentów są nimi przede wszystkim energetyka i ochrona środowiska, a także motoryzacja, produkcja i branża chemiczna.
Teraźniejszość i bliska przyszłość
Zdaniem ok. 90% dostawców sytuacja na polskim rynku przyrządów służących do detekcji i pomiarów jest dobra, a wg pozostałych osób ? nawet bardzo dobra.
Zgodnie z przewidywaniami ok. 60% dostawców w ciągu najbliższych dwunastu miesięcy zwiększy sprzedaż urządzeń pomiarowych znajdujących się w ich ofercie. Jest to związane ze spodziewanym wzrostem inwestycji, trendem ku zwiększeniu kontroli jakości, coraz niższymi cenami urządzeń i zwiększaniem się ich wydajności. Reszta dostawców uważa, że najbliższy rok nie przyniesie większych zmian w sprzedaży.
Z kolei jeśli chodzi o plany zakupowe na najbliższe dwanaście miesięcy, to ? jak widać na rys. 3 ? ponad 30% ankietowanych użytkowników chce w tym czasie zwiększyć wydatki na zakup sprzętu do detekcji i pomiarów, natomiast co dziesiąty respondent przeznaczy na ten cel mniej pieniędzy. Najwięcej, bo ponad 50% osób deklaruje, że planowane wydatki pozostaną na podobnym poziomie jak wcześniej.
Zarządzanie danymi
Bardzo istotną kwestią związaną z pomiarami jest odpowiednie zarządzanie danymi pomiarowymi i ich przetwarzanie. Funkcjonalne i niedrogie rozwiązanie stanowi w tym wypadku wykorzystanie komputerów wraz z odpowiednim oprogramowaniem oraz interfejsami komunikacyjnymi. Ważnym aspektem jest możliwość integracji czujników i urządzeń pomiarowych w ramach sieci automatyki przemysłowej (magistralowe sieci poziomu obiektowego), umożliwiające bezpośrednie wykorzystanie ich sygnałów w interfejsach operatorskich HMI, systemach monitoringu i zarządzania produkcją czy parkiem maszynowym oraz w lokalnym sterowaniu maszyn i urządzeń np. na linii produkcyjnej. Dlatego przy zakupie czujników i modułów pomiarowych warto zwrócić uwagę na dostępne w nich lub obsługiwane interfejsy komunikacji zarówno sygnałowej, jak i sieciowej. Producenci sprzętu kontrolno-pomiarowego oferują ponadto różnego rodzaju oprogramowania, umożliwiające m.in.: wizualizację wyników pomiarów, odniesienie pomiarów do projektów wzorcowych, alarmowanie ? np. przez e-mail czy SMS ? a także rejestrację danych pomiarowych do plików na dysku komputera. Tego rodzaju programy pozwalają na połączenie dowolnych urządzeń pomiarowych, takich jak rejestratory, przetworniki czy czujniki, wyposażonych w odpowiedni interfejs komunikacyjny. Dla wielu użytkowników rozwiązanie to stanowi interesującą alternatywę dla drogich i skomplikowanych systemów typu SCADA.
W stronę Przemysłu 4.0
W coraz większej liczbie zakładów przemysłowych przesyłanie sygnału analogowego zastępowane jest kompleksowym transferem danych cyfrowych, zarówno w ramach wspomnianych sieci magistralowych poziomu obiektowego (tzw. sieci fieldbus), jak i sieci teleinformatycznych, z protokołem internetowym IP. W konsekwencji inteligentny sprzęt pomiarowy lub czujniki informują w czasie rzeczywistym także o stanie procesów produkcyjnych i urządzeń, co pozwala na przeprowadzenie czynności konserwacyjnych i uniknięcie awarii. Zaletami takiego rozwiązania są: utrzymanie produkcji w ruchu, skuteczne zapobieganie przestojom i możliwość zaplanowania napraw. Niewątpliwym atutem korzystania z tego rodzaju sprzętu pomiarowego jest też możliwość jego integracji z systemami sterowania i sieciami danych, dzięki czemu zarówno instalacja, jak i wymiana są bezproblemowe i zajmują niewiele czasu.
Dążenie do kompleksowej integracji cyber-fizycznej jak najbardziej wpisuje się w koncepcję tzw. inteligentnej fabryki, w której parametry produkcji są nieprzerwanie monitorowane ? i w razie konieczności modyfikowane w czasie rzeczywistym. Korzyścią takiego rozwiązania jest z pewnością możliwość wczesnego wykrycia źródeł potencjalnych awarii, którymi mogą być np. przegrzewające się części czy nadmierne drgania elementów ruchomychmaszyn. Ponadto dane zgromadzone podczas produkcji mogą zostać zintegrowane z oprogramowaniem produkcyjnym, takim jak ERP (planowanie zasobów przedsiębiorstwa) czy CRM (obsługa relacji z klientami).
Należy podkreślić, że cechą urządzeń pomiarowych pracujących w technologii IoT (Internet of Things ? Internet Rzeczy) jest transmisja danych pomiarowych zachodząca w obrębie sieci Internet. W tym wypadku dane pomiarowe umieszczane są na serwerach, gdzie poddaje się je analizie, co pozwala na optymalizację działania linii produkcyjnych i zwiększenie efektywności procesu wytwarzania.
Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej wśród Czytelników magazynu Control Engineering Polska. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców przyrządów kontrolno-pomiarowych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
Autorka: Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii, od wielu lat związaną z branżą dziennikarską i wydawniczą.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
