Automatizace postavená pro odolnost

Obrázek 1: Platforma průmyslových řídicích jednotek AutomationDirect ProductivityOpen byla podrobena extrémním testům, jako je zde uvedené chladné provozní prostředí, aby bylo zajištěno, že bude spolehlivě fungovat v rámci jmenovitých podmínek. Všechny obrázky poskytla společnost AutomationDirect Obrázek 1: Platforma průmyslových řídicích jednotek AutomationDirect ProductivityOpen byla podrobena extrémním testům, jako je zde uvedené chladné provozní prostředí, aby bylo zajištěno, že bude spolehlivě fungovat v rámci jmenovitých podmínek. Všechny obrázky poskytla společnost AutomationDirect

Integrace odolné automatizace je přínosem pro většinu průmyslových aplikací.

Digitální systémy jsou skvělé, když fungují, což většinu času platí. Mnoho lidí se však setkalo s nutností restartovat nebo opravit mobilní zařízení, počítač nebo i něco důležitějšího, když přestaly fungovat digitální ovládací prvky. Někdy jsou tyto problémy jen drobnou nepříjemností nebo způsobují minimální ztrátu produktivity, ale u kritických systémů mají takové poruchy mnohem větší důsledky.

Průmyslové automatizační systémy jsou konstruovány tak, aby vyráběly produkty, minimalizovaly odpad, chránily zařízení a zajišťovaly bezpečnost pracovníků – a musí tak činit po dlouhou dobu s minimálním dohledem. Jednou z definic odolnosti je schopnost přizpůsobit se změně či nepříznivým vlivům nebo se po nich zotavit. Většina se shodne na tom, že odolnost automatizačních systémů je žádoucí. Jak toho ale co nejlépe dosáhnout a za jakou cenu?

Vzhledem k tomu, že automatizační systémy se skládají z jedinečných, ale vzájemně propojených senzorů, kabeláže, rozvodů napájení, řídicích prvků, sítí, softwaru a mnoha dalších prvků, zahrnuje nejvhodnější řešení odolnosti pro jakoukoli aplikaci mnoho úvah a kompromisů.

Znalost praktických produktů a postupů automatizace může systémovým projektantům pomoci najít správnou rovnováhu mezi odolností, náklady a složitostí.

Produkty a postupy pomáhají při navrhování

V mnoha průmyslových odvětvích se obory designu elektrotechniky, přístrojové techniky a řízení (EIC) seskupují dohromady, protože spolu úzce souvisejí. Elektrotechnika zahrnuje rozvody elektrického napájení a systémy kabeláže. Přístrojová technika se týká senzorů používaných pro monitorování stavu. Řízení zahrnuje hardware a programování potřebné k tomu, aby automatizační systém mohl působit na fyzická zařízení, a sahá až po propojení programovatelných automatů (PLC), rozhraní člověk–stroj (HMI) a dalších komponent běžně používaných pro průmyslovou automatizaci.

Inteligentní návrh EIC je nezbytný pro spolehlivou a odolnou automatizaci průmyslových zařízení a procesů a pokrývá mnoho aspektů každého projektu. Při výběru produktů EIC je důležité:

  • vybrat produkty navržené tak, aby přežily cílové prostředí, ve kterém se mohou vyskytovat extrémní teploty, vlhkost, nečistoty, elektrické rušení a další hrozby;
  • ujistit se, že se dodavatelé výrobků soustředí na testování zařízení v nepříznivých podmínkách;
  • zkontrolovat přítomnost příslušných průmyslových certifikátů, jako jsou Underwriters Laboratories (UL) nebo American Bureau of Shipping (ABS);
  • vybrat zařízení s vlastnostmi nebo konstrukčními prvky, které jim umožňují skvěle fungovat v problematických podmínkách.

Rezerva spolehlivosti pro automatizaci

Návrháři často určují nejhorší provozní prostředí, s nímž by se zařízení mohlo setkat. Avšak výběr zařízení, která byla dodavateli testována na odolnost vůči očekávaným extrémním provozním podmínkám a nad jejich rámec, zajistí dodatečnou rezervu spolehlivosti (obrázek 1).

Existuje mnoho ratingových agentur, které poskytují certifikace nebo standardy třetích stran v závislosti na typu zařízení či provozních charakteristikách, jako je napětí, a na aplikaci, kde bude používáno. Výběr zařízení s certifikací UL pro použití v průmyslové automatizaci nebo s certifikací ABS pro použití na lodích poskytuje další záruku spolehlivosti.

Návrháři si také mohou vybrat zařízení, která nabízejí další vestavěné ochrany proti specifickým problémům v průmyslovém prostředí, mezi něž patří především elektrické rušení. Standardní jednosměrné vstupně-výstupní (I/O) moduly PLC používají nejjednodušší a nejlevnější způsob signalizace, ale nemusejí fungovat podle očekávání, pokud jsou v blízkosti zařízení, jako jsou svářečky, transformátory, generátory a pohony s frekvenčními měniči, které vytvářejí značné elektrické rušení. Výběrem modulů nabízejících diferenciální I/O je přesnost signálu zajištěna eliminací veškerého elektrického rušení na lince v těchto prostředích s vysokým EMI (obrázek 2).

CTL2105 MAG2 F1 Resiliency AutomationDirect Fig2 DifferentialObrázek 2: Diferenciální vstupy/ výstupy, nabízené s některými řadami PLC AutomationDirect, stojí o něco více než standardní jednosměrné vstupy/výstupy, ale zvyšují spolehlivost tím, že potlačují elektrické rušení indukované na vstupech/výstupech běžnými průmyslovými zařízeními

Spolehlivé produkty mohou přinést robustní automatizační systémy pouze tehdy, pokud jsou implementovány s využitím správných postupů. I pro obecnou automatizaci by se návrháři měli řídit předpisy, jako je National Electrical Code (NEC), spolu s normami ANSI a ISA, aby zajistili splnění minimálních požadavků.

Jednotlivé konstrukční postupy aplikované po částech na konkrétní oblasti nemusejí zajistit nejlepší celkovou spolehlivost. Předpisy, normy a specifikace jsou často založeny na minimálních nárocích na splnění základních bezpečnostních a výkonnostních požadavků. Návrháři musejí k odolnosti přistupovat na mikro- i makroúrovni.

Spolehlivost, redundance a odolnost

Odolné systémy se navrhují a vytvářejí s použitím spolehlivých produktů a v některých případech i s použitím redundantních konfigurací. Nemá smysl pokoušet se vytvořit odolný systém z nespolehlivých součástí. I když zařízení poskytují potřebnou spolehlivost, existují postupy pro návrh, redundanci a instalaci, které mohou odolnost systému zvýšit.

Klíčovou strategií může být redundance, tedy zdvojení prvků systému za účelem zvýšení spolehlivosti, která se v různé míře uplatňuje u jednotlivých částí systému EIC. Redundance však zvyšuje náklady, počet zařízení a nároky na implementaci a pro menší systémy nemusí být praktická.

U nejkritičtějších systémů může být napájení zajištěno primárním a sekundárním okruhem, a to s automatickým přepínáním nebo bez něj pro případ výpadku jednoho okruhu. Dvojité obvody také pracovníkům usnadňují servis napájecích zdrojů.

Mnoho automatizačních systémů obsahuje v klíčových místech, jako jsou ovládací panely, nepřerušitelný zdroj napájení (UPS). UPS může poskytovat střídavé nebo stejnosměrné napájení následným zařízením, pokud dojde k výpadku zdroje napájení. UPS také poskytuje určitý stupeň filtrace pro zvýšení kvality napájení pro následná zařízení a může signalizovat řídicímu systému, pokud dojde k problému, aby uživatelé mohli reagovat. Přepěťová ochrana, zejména pro napájecí a přístrojové vodiče, chrání drahá elektronická zařízení před přepětím v síti nebo před bleskem.

Zařízení, kabely a konektory musejí být instalovány do krytů a kabelovodů, aby byla zajištěna mechanická ochrana, odolnost proti vibracím a v určitých případech i stínění proti elektromagnetickému rušení (EMI) a rádiovým frekvencím (RF). EMI a RF jsou problematické zejména pro nízkonapěťové digitální komunikační a signalizační vodiče a kabely, takže tyto obvody musejí být navrženy a instalovány tak, aby byla zajištěna vzdálenost od napájecích obvodů, které generují rušení. Skříně ze skelných vláken mohou chránit zařízení před povětrnostními vlivy, ale uzemněná skříň z oceli poskytuje těmto zařízením dodatečnou ochranu proti EMI/RF.

Na kritických místech měření lze pro redundanci instalovat dva přístroje. Někdy jsou přístroje shodné, ale ještě lepší je instalovat různé technologie. Konfigurace dva ze tří poskytují ještě větší spolehlivost měření. Například důležitá hladina v nádrži může být měřena pomocí primárního ultrazvukového převodníku a sekundárního ponorného převodníku, přičemž další ochranu zajišťují plovákové spínače vysoké a nízké hladiny.

Průmyslové PLC jsou velmi spolehlivé a některé platformy nabízejí redundanci procesoru. U mnoha středních a malých systémů nejsou náklady a složitost redundantních PLC opodstatněné. Produktivnější může být zaměřit se na průmyslové sítě, protože ty jsou náchylnější k poruchám, protože se rozprostírají mimo chráněné rozváděče, někdy na delší vzdálenosti a často v náročném prostředí závodu. Se správnými zařízeními je možné navrhovat sítě v konfiguraci samoopravného prstence. Prstenec je instalován v cestě zařízením nebo objektem a může odolat jedinému bodu selhání a upozornit obsluhu, pokud nastane problém. To umožňuje vyřešit problém dříve, než dojde k druhé poruše, která by mohla síť vyřadit z provozu.

Bill Dehner je pracovník technického marketingu společnosti AutomationDirect. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com