Technologia bezprzewodowa przejmuje kontrolę nad aplikacjami przemysłowymi

Fot. 1. Bezprzewodowy akustyczny czujnik Rosemount 708 monitorujący odwadniacz może być zainstalowany w takich miejscach, w których użycie czujników przewodowych jest zbyt drogie lub zbyt trudne do realizacji. Źródło: Emerson Automation Solutions

Czujniki bezprzewodowe są obecnie powszechnie wykorzystywane w przemyśle przede wszystkim w aplikacjach monitoringu, jednak niedawno opracowane rozwiązania – takie jak odzyskiwanie i oszczędne użytkowanie energii zasilającej czujniki – pokazują, że technologia bezprzewodowa nadaje się także do innych aplikacji sterowania w czasie rzeczywistym.

Obecnie czujniki bezprzewodowe są wykorzystywane na całym świecie w dziesiątkach aplikacji przemysłu przetwórczego, a producenci branży przemysłowych donoszą, że istnieje duże zapotrzebowanie na sieci bezprzewodowe, w związku z czym ich wykorzystywanie rozszerza się w przemyśle. Do łączenia oprzyrządowania z systemami sterowania oraz monitoringu w różnych gałęziach przemysłu przetwórczego powszechnie stosuje się dwa standardy: WirelessHART Grupy Field-Comm oraz ISA 100 Stowarzyszenia Oprzyrządowania, Systemów i Automatyki (ISA – Instrumentation, Systems and Automation Society).

O ile obecnie technologia bezprzewodowa jest wykorzystywana zasadniczo do monitorowania sprzętu i diagnozowania problemów, to trendy wskazują, że szersze użycie modułów sterowania z komunikacją bezprzewodową nastąpi już niedługo, szczególnie przy pomocy nowych narzędzi i rozwiązań technicznych, które ułatwiają konfigurowanie i eksploatację sieci.

Korzyści z użycia sprzętu bezprzewodowego

Podstawową przyczyną wykorzystywania technologii bezprzewodowej są niskie koszty. Czujnik bezprzewodowy może być zainstalowany i połączony z systemem sterowania przy znacznie mniejszym koszcie niż dla odpowiadającego mu czujnika przewodowego. Wartość tych kosztów waha się w zakresie od jednej piątej do jednej trzeciej.

Inną z głównych przyczyn wykorzystywania technologii bezprzewodowej jest łatwość instalowania czujników, szczególnie zasilanych z baterii. Czujniki bezprzewodowe nie wymagają połączenia przewodami wyjścia sygnałowego z odpowiadającą mu bramą sieci bezprzewodowej, która z kolei jest połączona przewodowo z jednym lub więcej systemami sterowania i monitoringu. Urządzenia z zasilaniem bateryjnym nie wymagają ułożenia przewodów zasilających, mogą więc być instalowane dosłownie wszędzie i wykorzystane do monitorowania prawie wszystkiego.

Oznacza to, że sprzęt taki jak odwadniacze (fot. 1), wymienniki ciepła, pompy, kompresory i nadciśnieniowe zawory bezpieczeństwa, dzięki takim czujnikom i modułom bezprzewodowym może być łatwo monitorowany oraz włączany do systemu monitoringu i sterowania. W wielu przypadkach monitoring tego rodzaju sprzętu za pomocą czujników przewodowych jest zbyt drogi, a często wręcz niemożliwy z uwagi na jego lokalizację – tam, gdzie infrastruktura przewodowa jest niedostępna.

Czujniki bezprzewodowe mogą pracować w bardzo odległych lokalizacjach, takich jak platformy wiertnicze, odwierty, przepompownie ścieków, stacje pomp, rurociągi, magazyny zbiornikowe oraz terminale naftowe. W takich sytuacjach przyrządy bezprzewodowe są podłączone do modułu odpowiedniej bramy sieciowej, która może być połączona już przewodowo z lokalnym systemem sterowania i monitoringu. Brama ta może być także połączona przewodowo z innym bezprzewodowym systemem transmisji danych o dużym zasięgu.

Mając takie zalety, jak niski koszt i prosta instalacja, technologia bezprzewodowa pomaga w spełnianiu potrzeb fabryk, takich jak optymalizacja realizowanych operacji, oszczędzanie energii, zwiększanie wydajności i zmniejszanie kosztów utrzymania ruchu.

Na przykład czujniki bezprzewodowe, współpracując z wyspecjalizowanym oprogramowaniem, mogą wykryć problemy z odwadniaczem. Takie systemy diagnozują problem, określają jego prawdopodobną przyczynę i powiadamiają personel UR, że dane urządzenie zaczyna ulegać awarii lub pracuje nierówno. Gdy pracownik utrzymania ruchu udaje się do danego miejsca w fabryce, aby usunąć problem, to „wie, co ma robić już przed wyjściem”. Podobnie, ponieważ standard WirelessHART daje dostęp do wszystkich danych diagnostycznych i statusu urządzeń, dostępnych w oprzyrządowaniu HART, inżynierowie i technicy pracujący w fabryce mogą wykryć zbliżające się problemy, zanim one wystąpią i spowodują zatrzymanie realizowanego procesu.

Dotychczas technologia bezprzewodowa była wykorzystywana niemal wyłącznie do celów monitoringu i utrzymania ruchu, głównie ze względu na ograniczenia częstotliwości odświeżania danych z czujników. Aby przedłużyć żywotność baterii zasilających, w większości fabryk ustawiana jest bowiem stosunkowo niewielka częstotliwość odświeżania danych z czujników bezprzewodowych – w porównaniu z czujnikami przewodowymi. Przy częstotliwości odświeżania raz na 8 sekund bateria może działać od 5 do 7 lat. Niestety tak niska częstotliwość odświeżania nie nadaje się do sterowania szybkimi procesami, takimi jak np. przepływy cieczy czy gazu.

Jednakże, pomimo takiej niskiej częstotliwości odświeżania, w wielu zakładach już zaczęto wykorzystywać czujniki bezprzewodowe do sterowania szybkimi procesami. Na przykład technologia bezprzewodowa jest obecnie wykorzystywana do zapobiegania przepełnieniom położonych w oddaleniu zbiorników. W takich aplikacjach, gdy bezprzewodowy czujnik poziomu cieczy wykryje możliwość przepełnienia zbiornika, system sterowania wysyła sygnał do siłownika zaworu wyposażonego w adapter bezprzewodowy i następuje odcięcie dopływu cieczy. W Meksyku trwają obecnie prace nad bezprzewodowym wyłączaniem odległych pomp.

Analiza najnowszych trendów i opracowań technologicznych wskazuje na zachodzące pozytywne zmiany w tym zakresie, co sprawia, że czujniki bezprzewodowe stają się realną alternatywą do zastosowań w pewnych aplikacjach sterowania, również w czasie rzeczywistym.

Rys. 1. Układ bezprzewodowych czujników akustycznych zainstalowanych na odwadniaczach, w połączeniu z oprogramowaniem firmy Emerson do monitorowania zasobów, wykorzystuje dane z czujników do przekazywania personelowi praktycznych informacji oraz umożliwia identyfikację już niewielkich problemów, zanim staną się one poważne.

Nowe opracowania i technologie w dziedzinie sterowania bezprzewodowego

W ostatnich latach pojawiają się nowe rozwiązania technologiczne i techniczne, dzięki którym sterowanie bezprzewodowe w zaawansowanych i bardziej wymagających systemach będzie łatwiejsze w realizacji.

Fot. 2. Wykorzystujące energię cieplną generatory termiczne, takie jak przedstawiony na zdjęciu Power Puck firmy Emerson, wytwarzają energię elektryczną dzięki różnicy temperatur między przemysłowymi źródłami ciepła a otaczającym powietrzem. Źródło: Emerson Automation Solutions

Przykładem może być odzyskiwanie i pozyskiwanie energii (energy harvesting – EH), polegające na zamianie energii znajdującej się w zakładzie przemysłu przetwórczego na energię elektryczną, która może być wykorzystywana przez urządzenia bezprzewodowe. Jednym z urządzeń pozyskujących energię, przeznaczonych do zasilania przyrządów bezprzewodowych, jest generator termiczny (thermal harwester fot. 2). Generatory termiczne wytwarzają energię elektryczną dzięki różnicy temperatur między przemysłowymi źródłami ciepła a otaczającym je powietrzem.

Źródła ciepła znajdują się praktycznie wszędzie w zakładach przemysłowych, zarówno w urządzeniach wirujących, takich jak silniki, wentylatory, kompresory i pompy, jak i rurach transportujących parę i inne gorące płyny technologiczne. Dostępne są konfiguracje dla szerokiego zakresu potencjalnych źródeł ciepła, obejmujących powierzchnie płaskie lub cylindryczne o temperaturach do 450°C (845°F). Trzeba mieć świadomość, że urządzenia do pozyskiwania energii z ciepła współpracują w zasilaniu modułów z ich bateriami, stanowiącymi w takim układzie dodatkowe źródło zasilania. Oznacza to, że gdy wystąpi przerwa w dopływie ciepła do generatora termicznego, wówczas następuje przełączenie na zasilanie bateryjne.

tabeli 1 podano żywotność baterii (w latach) zasilającej czujnik bezprzewodowy wyposażony w generator termiczny. Przy różnicy temperatur zaledwie 40°C (72°F) generator ten umożliwia działanie czujnika z częstotliwością odświeżania raz na 1s, bez wykorzystywania rezerwowego zasilania bateryjnego przez ponad 10 lat.

Tabela 1. Dzięki pozyskiwaniu energii elektrycznej z ciepła czujnik bezprzewodowy może pracować przy częstotliwości odświeżania raz na sekundę przez ponad 10 lat, bez konieczności wymiany baterii zasilającej. Pokazane dane liczbowe dotyczą bezprzewodowego czujnika ciśnienia Rosemount 3051S z pozyskiwaniem energii firmy Emerson.

Następnym trendem jest rosnąca dostępność adapterów bezprzewodowych, które pozwalają na połączenie istniejącego w fabryce starszego oprzyrządowania i sprzętu do sieci bezprzewodowej. Kilku producentów oprzyrządowania oferuje adaptery, które przystosowują standardowy czujnik 4-20 mA do standardu WirelessHART lub ISA100.

Obecnie instaluje się w zakładach przemysłu przetwórczego na całym świecie setki tysięcy czujników standardu 4-20 mA przystosowanych do obsługi standardu HART, jednak wiele fabryk musi jeszcze zacząć korzystać z możliwości HART w swoich aplikacjach. Wiele fabryk używa na przykład przenośnych interfejsów HART do ręcznego wykrywania statusu przyrządów i uzyskiwania informacji diagnostycznych, jednak informacje te są niedostępne dla sterowni.

Sprzęganie istniejącego starszego urządzenia z systemem sterowania często wymaga zainstalowania modemu HART, doprowadzenia zasilania przewodowego do tego modemu oraz zainstalowania odpowiedniego oprogramowania do pozyskiwania danych w sterowni. Niektóre istniejące systemy sterowania nie mogą gromadzić danych standardu HART bez rozbudowanego kodowania, dostosowanego do potrzeb użytkownika.

Adaptery protokołu WirelessHART rozwiązują te problemy, konwertując protokół HART na Modbus RTU lub jeden z protokołów Ethernet.

Na przykład w oczyszczalni ścieków w Hrabstwie Monroe w Rochester (stan Nowy York, USA) operator wykonywał obchody i dokonywał odczytów mierników przepływu zainstalowanych na trzech liniach. Mierniki te znajdowały się w oddzielnym budynku w zakładzie odległym o 1 milę (1,6 km). Była to zbyt duża odległość, aby połączyć je przewodowo z głównym systemem sterowania. Nie były dostępne żadne trasy kablowe, zaś istniejący panel wejść/wyjść (I/O) lokalnego systemu sterowania był już zapełniony. Tak więc operatorzy co godzinę przemierzali dystans do budynku z miernikami, zapisywali bieżące stany mierników i ręcznie obliczali przepływ całkowity.

Oczyszczalnia zakupiła więc trzy adaptery bezprzewodowe dla tych trzech magnetycznych mierników przepływu, które musiały być podłączone do systemu sterowania, oraz jedną bezprzewodową bramę sieciową, która zapewniła niezbędną infrastrukturę dla sieci bezprzewodowej. Obecnie zakład ma ciągły dostęp do informacji na temat przepływu, które mogą być wykorzystywane do jego monitoringu przez operatorów, za pomocą konsoli sterującej.

Adaptery bezprzewodowe mogą być także zainstalowane na urządzeniach sterujących. Na przykład w przypadku zaworów sterujących adapter bezprzewodowy może być zainstalowany na cyfrowym pozycjonerze zaworu dla celów bezprzewodowej regulacji automatycznej. Podobna konfiguracja może służyć do sterowania napędów silników elektrycznych o zmiennej prędkości.

Innym interesującym opracowaniem jest zmodyfikowany algorytm regulacji proporcjonalno-różniczkująco-całkującej (PID), który może być wykorzystany do sterowania procesami o czasie odpowiedzi równym 30 s lub krótszym, takimi jak realizowany w kolumnie destylacyjnej. Zmodyfikowane programowanie zmienia tak algorytm PID, aby automatycznie dostosowywał się do mniejszych częstotliwości odświeżania danych z czujników bezprzewodowych. Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Teksańskim pokazują, że skuteczność sterowania w czasie rzeczywistym pracą kolumny destylacyjnej typu DWC (dividing wall column), przy wykorzystaniu zaawansowanego programowania PID i czujników bezprzewodowych, jest porównywalna ze sterowaniem PID wykorzystującym czujniki przewodowe.

Rys. 2. System WirelessHART firmy Emerson ilustruje sposób połączenia czujników bezprzewodowych, punktów dostępowych i sieci kratowej z systemem sterowania. W jednej z aplikacji, gdy bezprzewodowe czujniki poziomu wykryją możliwość przepełnienia zbiornika, to system sterowania wysyła odpowiedni sygnał do siłownika zaworu firmy Fisher Controls, wyposażonego w adapter WirelessHART, i dopływ cieczy do zbiornika zostaje odcięty. Inna fabryka wykorzystała trzy bezprzewodowe adaptery THUM firmy Emerson dla trzech magnetycznych czujników przepływu oraz bramę sieci bezprzewodowej do zbudowania sieci WirelessHART w celu ciągłego dostarczania informacji na temat przepływu płynu, co pozwalało operatorom na monitoring przepływu za pomocą konsoli sterującej. Technologia PIDPlus firmy Emerson optymalizuje regulację PID dla celów komunikacji bezprzewodowej.

Nadchodzi era sterowania bezprzewodowego

Analizując obecny stan techniki, można stwierdzić, że wszystko jest już gotowe, aby wykorzystać sterowanie bezprzewodowe w wielu aplikacjach. Na rys. 2 pokazano typowy system bezprzewodowy, zawierający czujniki bezprzewodowe, punkty dostępowe oraz sieć kratową (mesh network), która łączy je z systemem sterowania.

Czujniki bezprzewodowe mogą pracować przy częstotliwości odświeżania od 1 do 2 sekund, która jest wystarczająco wysoka dla większości aplikacji sterowania procesami technologicznymi. Oprogramowanie typu menedżer sieci systemu bezprzewodowego może zaplanować wymagane częstotliwości odświeżania danych pomiarowych z czujników bezprzewodowych, tak więc kluczowe dane z tych czujników mogą szybko dotrzeć do systemu sterowania.

Jeśli system sterowania wykorzystuje magistralę obiektową (Fieldbus) lub połączenia standardu 4-20 mA z urządzeniami sterującymi, wówczas sytuacja jest bezproblemowa. Jeżeli jednak sygnały sterujące są przesyłane bezprzewodowo, to powstaje problem polegający na tym, że programy typu menedżer sieci nie mogą zaplanować czasów transmisji sygnałów wyjściowych w taki sam sposób, jak dla wejść bezprzewodowych. W takich przypadkach czas dotarcia bezprzewodowego sygnału sterującego do urządzenia (elementu wykonawczego) może wynieść od 10 sekund do kilku minut.

Prowadzone są liczne prace nad rozwojem menedżerów sieci, mające na celu takie harmonogramowanie sygnałów wyjściowych z czujników bezprzewodowych, aby znaleźć ostatni brakujący element układanki sterowania bezprzewodowego.

Podsumowując, zalety czujników bezprzewodowych w postaci niskich kosztów i prostej instalacji pomagają fabrykom w zwiększaniu wydajności, optymalizacji operacji, zmniejszaniu kosztów utrzymania ruchu oraz odnajdywaniu małych problemów, co w rezultacie pozwala zapobiec przestojom lub je minimalizować.

Z powodu problemów z długimi czasami odpowiedzi oraz istotnie ograniczoną żywotnością baterii zasilających czujniki bezprzewodowe były dotychczas używane zasadniczo tylko do monitoringu, a nie w systemach i układach sterowania. Jednak opracowane w ostatnich latach nowe rozwiązania techniczne, w tym technologie odzyskiwania i pozyskiwania energii, nowe adaptery bezprzewodowe i zaawansowany algorytm regulacji zwiastują, że sterowanie bezprzewodowe będzie wykorzystywane już niebawem dosłownie w każdej aplikacji.


Melissa Stiegler jest dyrektorem zarządzającym produktami bezprzewodowymi w firmie Emerson Automation Solution.