А.С. Спасский, подразделение «Промышленная автоматизация» компании Honeywell
Измерительные датчики стали неотъемлемой частью процесса промышленного производства с момента изобретения паровой машины. Достаточно просто проследить историю современных сенсорных датчиков, которые обязаны своим происхождением приборам для измерения температуры и давления, установленным на этих старинных агрегатах. Однако сегодня они стали чрезвычайно широко использоваться не только в промышленности, но и в повседневной жизни. Сегодня новый автомобиль в среднем содержит от 50 до 100 датчиков, которые контролируют процесс сгорания топлива, обеспечивают устойчивость, улучшают тормозные характеристики, раскрывают подушки безопасности и помогают парковаться.
И с каждым днём продолжают открываться всё новые возможности для применения датчиков. Так, например, журнал The Economist сообщил недавно о том, что учёные из Массачусетского технологического института разработали новый сенсорный датчик, позволяющий распознавать опасные химические реагенты, содержащиеся в концентрации 25 частей на триллион. Создатели датчика надеются, что разработка поможет создать систему защиты от инцидентов, аналогичных произошедшему в токийском метро в 1995 году, когда зариновая атака унесла жизни 12 человек и нанесла вред здоровью более 3000 пассажиров. Там же, в Соединённых Штатах, исследователи Калифорнийского университета в июле объявили о том, что они создали контактную линзу со встроенными датчиками давления, которая сможет облегчить врачам процесс обнаружения глаукомы на ранних стадиях ее развития.
Британский телекоммуникационный обзорный орган Ofcom прогнозировал, что медицина станет основным рынком сбыта беспроводных датчиков. Имплантированные датчики или устройства, которые пациент носит на себе, помогут медицинскому персоналу контролировать состояние пациента, вовремя обнаружить тревожные признаки и оказать помощь.
В промышленности датчики также остаются важным элементом производственного процесса. Они уже давно играют важную роль в обеспечении стабильности качества продукции, повышении надежности и эффективности процесса, служат гарантией безопасности промышленного объекта, сотрудников и окружающей среды. Датчики применяются во всех отраслях перерабатывающей промышленности – от нефтепереработки, добычи нефти и газа до целлюлозно-бумажного производства, фармацевтической и химической промышленности.
Можно с уверенностью утверждать, что сегодня средний по величине завод площадью 10000 м2 использует свыше 5000 датчиков давления, 1000 температурных датчиков и 500 датчиков для измерения расхода и уровня, не говоря о pH-метрах, датчиках электропроводности, датчиках содержания специфических ионов, устройствах контроля вибраций, измерителях влажности, детекторах акустического шума и утечки, средствах контроля коррозии. Ассортимент выпускаемых компанией Honeywell датчиков, которые являются лишь частью предлагаемых нами комплексных решений, включает в себя более 30 моделей.Практика показывает: при формировании сметы затрат на создание системы управления для завода одна треть выделяется на устройства управления, ещё одна – на клапаны, и последняя часть приходится на измерительные датчики. Нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы уже давно и хорошо оснащены различными контрольно-измерительными приборами, однако сейчас в решениях, направленных на снижение затрат, начинают всё чаще использоваться сенсорные датчики, причём во вспомогательных системах, также поддерживающих производственный процесс. Слишком часто оказывается, что в системах, представляющих собой разветвлённые сети трубопроводов, по которым подаются пар, воздух, вода, смазка, газообразное и жидкое топливо, а так же электроэнергия, необходимые для работы технологической установки, контрольно-измерительные приборы имеются только на главном коллекторном трубопроводе. В результате многие зоны оказываются вне сферы измерений, и тот, кто эксплуатирует данный объект, оказывается не в состоянии свести материально-сырьевой и энергетический балансы или определить возможные места утечки или объём отходов. Увеличение числа точек измерения расхода по всей трассе может помочь оптимизировать энергопотребление и повысить эффективность.
В других случаях более интенсивное использование датчиков продиктовано необходимостью регулярного контроля давления, например, резко возросло их использование там, где речь идёт о выполнении законодательных требований по охране окружающей среды, о контроле состояния сточных вод, объема выхлопных газов и т. п.
Однако в большинстве случаев степень применения измерительных датчиков повышается по мере совершенствования технологий. В условиях жесткой конкуренции производителей измерительной техники сформировался ряд требований к средствам технологических измерений. К ним относятся:
- высокие метрологические характеристики точности при широком диапазоне изменения внешних условий измерения,
- стабильность измерений на длительном интервале времени эксплуатации,
- многообразие материальных исполнений датчиков, позволяющее обеспечить самые разнообразные потребности Заказчика, даже в случае экстремальных условий производства.
Ежедневно компания Honeywell поставляет сегодня ставшие стандартными промышленные решения, которые в прошлом невозможно было бы себе представить:
· датчики давления с автоматической компенсацией влияния температуры, точностью измерения - ±0.0375%, стабильностью показаний в течении года эксплуатации - ±0.01%, с показателем надежности MTBF – 470 лет и с производственной программой Life Time – 15 лет гарантии;
· датчики влажности, способные работать при температуре до 638°C и давлении до 13790 кПа;
· взрывозащищённые датчики влажности:
· расходомеры со встроенной функцией компенсации влияния давления и температуры, которая позволяет использовать их для проведения измерений в средах с динамично изменяющимися параметрами .
Сегодня перерабатывающие отрасли промышленности могут использовать широкий спектр датчиков, для самых разнообразных сфер применения, с более высокими, чем когда-либо показателями надёжности. Нет сомнений в том, что дополнительные преимущества, обеспечиваемые такими средствами измерения, будут продолжать влиять на активность их использования. Так, например, в настоящее время мировой рынок микроэлектромеханических систем (МЭМС) оценивается в 6 миллиардов долларов США, а темпы его роста составляют 14 % ежегодно.
Дополнительные преимущества современных средств измерения
Отмеченный выше высокий стандарт эксплуатационных характеристик современных средств измерения сегодня воспринимается перерабатывающими отраслями промышленности как нечто само собой разумеющееся.
Совершенные датчики Honeywell и связанные с ними современные технологии их производства являются главным фактором, определяющим рентабельность и безопасность предприятий, их использующих.
Переход от пневматического управления к цифровому, основанному на электронных средствах контроля и управления, и создание распредёленных систем управления, начавшийся более трёх десятков лет назад, инициировал создание высокостабильных, приборов технологического контроля с высоким уровенем точности. И, тем не менее, существует возможность дальнейшего увеличения точности сенсорной части датчика, являющейся элементом измерительной схемы на границе между измеряемым физическим явлением и электрическим сигналом а, следовательно, и возможность повышения эффективности технологического процесса. Повышение точности датчика может потенциально привести к адекватному повышению производительности установки, повысить качественные показатели целевого продукта, обеспечить более высокий уровень безопасности установки и, в целом, оказать существенное влияние на конечный результат.
Вероятно, нигде это не проявляется так наглядно, как в случае с мониторингом коррозии.
В мировом масштабе борьба с коррозией обходится для отраслей, связанных с управлением технологическими процессами, в 50 миллиардов долларов США ежегодно – бóльшая часть этой суммы приходится на производственные потери и расходы, связанные с выполнением обязательств по соблюдению требований в отношении безопасности, охраны здоровья людей и окружающей среды, а также требований законодательства. Последствия от воздействия коррозии трудно недооценить: взять хотя бы разлив нефти, который произошёл в 2006 году на крупном нефтяном месторождении Прудхоу-Бэй на Северном склоне Аляски. Тогда объём разлившейся нефти составил 67000 галлонов. Концерн BP потратил 100 миллионов долларов на замену участка трубопровода, подвергшегося коррозии, а кроме того вынужден был остановить работы на месторождении на шесть недель и заплатить штраф в размере 20 миллионов долларов. В то же время, опрос, проводившийся среди предприятий химической промышленности в 2004 году, подтвердил, что коррозия является, несомненно, наиболее распространённой причиной выхода из строя технологических установок – этот фактор был отмечен в более чем половине случаев. И так происходило на протяжении более двух последних десятилетий.
Это обстоятельство имеет принципиальное значение, поскольку все эти годы промышленность опиралась на анализ данных, полученных путём ультразвукового контроля деталей оборудования, измерения электрического сопротивления с помощью контактных измерительных элементов и, в подавляющем большинстве случаев, определения потери массы с использованием образцов материала. Все эти методы опираются на показания, которые снимаются в течение относительно длительного периода времени, и не могут дать точную картину, отражающую те пиковые значения, которыми бывает отмечена скорость коррозии. Также они позволяют лишь собрать запоздалую, историческую по сути информацию в отношении коррозии, что может оказаться абсолютно бесполезным, принимая во внимание те изменения режима подачи сырья, технологических параметров и границ регулирования, которые наблюдаются в современных установках. Кроме того, поскольку эти методы основываются на измерении коррозии уже после того, как она стала фактом, постепенно инженеры стали рассматривать эту проблему как оптимально решаемую с помощью ремонта, регулярного технического обслуживания, и замены поврежденных частей. Таким образом, затраты на борьбу с коррозией слишком часто воспринимались как неизбежные издержки для обеспечения безопасной работы предприятия.
Однако современная технология, основанная на использовании сенсорных датчиков, может сократить издержки, связанные с коррозией, как минимум на 20% за счёт отказа от сбора показаний в их исторической перспективе и перехода к мониторингу коррозии в режиме реального времени. Это позволяет производителям получать актуальные данные о коррозии в режиме online, и даже – с помощью датчиков SmartCET (рис. 1) - измерять точечную коррозию, которая в 70-90 % случаев является причиной выхода оборудования из строя.
Рис. 1 Устройство контроля коррозии SmartCET (Smart Corrosion Evaluation Technology)
Включение измерения коррозии в общую систему контроля и управления позволит взглянуть на проблему с точки зрения условий эксплуатации, что поможет лучше понять и обнаружить уже на ранней стадии технологические аспекты, которые вызывают всплески коррозии. Это также освободит персонал от необходимости вести сбор данных и их анализ вручную. Но самое важное заключается в том, что, поступление информации в режиме реального времени дает возможность оперативно влиять на процесс, уменьшая скорость разрушения и находя оптимальный компромис между увеличением объёма производства и защитой заводского оборудования.
Беспроводное будущее
Но, пожалуй, самое большое влияние на дальнейшее усиление роли измерительных датчиков в промышленности должна оказать беспроводная технология.
Беспроводные датчики (рис. 2) способны существенно увеличить объём доступной информации, получаемой операторами технологических процессов, благодаря измерениям, выполнение которых с помощью проводных датчиков было бы экономически не оправдано или вовсе невозможно. Будучи включёнными в общее комплексное решение, основанное на использовании беспроводной технологии, эти технические средства нового поколения способны стать наиболее значимой разработкой в области управления производственными процессами с момента появления разпределённых систем управления.
Рис. 2 Семейство беспроводных датчиков XYR 6000 производства компании Honeywell
Возможности применения весьма разнообразны:
· измерение температуры на вращающемся оборудовании (например, сушильный барабан) – в этом случае беспроводная технология не просто позволяет избежать расходов на прокладку кабелей до операторской (от 40 до 160 долларов за метр), но даёт возможность предусмотреть дополнительные точки измерения, что помогает улучшить качество продукции;
· более совершенный способ контроля отработанных газов с помощью датчиков, устанавливаемых на дымовых трубах, что раньше было исключено, из-за расходов, связанных с прокладкой кабеля;
· обнаружение утечек: беспроводные датчики могут эффективно работать в диапазоне 6 миль, если используется антенна с высоким коэффициентом усиления, и позволяют охватить значительно большую площадь;
· измерение уровня на объектах, рассредоточенных на большой площади (например, резервуарные парки) – мониторинг уровня заполнения резервуаров в режиме реального времени обеспечивает высокий коэффициент возврата инвестиций (ROI) в течение трёх или менее месяцев;
· обнаружение пожара или утечки газа на удалённых участках;
· аварийные души (средства пожаротушения) – в данном случае применение беспроводной технологии может уменьшить затраты на целых 90 %.
Разработки в области низкоэнергетических преобразователей и устройств сбора энергии лишь дополняют этот список.
На примере перечисленных возможностей можно утверждать, что беспроводная технология позволит повысить уровень безопасности за счёт отсутствия необходимости в проведении вручную измерений в опасных зонах и сокращении количества проводов, способных вызвать взрывоопасную искру. Она также позволяет сократить объём технического обслуживания и повысить надёжность за счёт расширения возможностей контроля состояния оборудования и мониторинга коррозии. Беспроводная технология также способствует повышению эффективности, за счет улучшения качества адресной доставки информации, которая через операторский интерфейс становится доступной персоналу, контролирующему процесс, исключаются затраты на кабель и сокращается время установки, освобождая рабочих для выполнения других задач.
Несмотря на все эти преимущества, беспроводная технология, которую широко используют IT-службы коммерческих фирм, руководители производственных объектов и даже службы сбыта и распределения, промышленность не торопится внедрять беспроводную технологию там, где речь идёт об управлении технологическими процессами. Например, в настоящий момент степень её проникновения в нефтегазовую отрасль оценивается менее чем в 10 %.
Это в основном связано с соображениями надежности и безопасности для персонала и оборудования. Как бы там ни было, но ответом на них служат примеры использования беспроводных датчиков в менее критических ситуациях и разработка специальных промышленных стандартов, например, ISA SP100. На сегодняшний день одна только компания Honeywell поставила и внедрила системы, основанные на использовании беспроводной технологии, более чем на 500 предприятиях своих клиентов. Ожидается, что в ближайшие пять лет ежегодный рост объемов производства таких систем в общемировом масштабе будет составлять 26%.
Однако весь потенциал технологий, использующих беспроводные датчики, не может быть раскрыт достаточно глубоко путём единичных модернизаций или дополнений с целью повышения уровня безопасности или эффективности, точно так же, как и одни лишь измерения коррозии в режиме реального времени, без их полной интеграции в общую систему управления в качестве одной из переменных процесса, не сможет обеспечить всех возможных преимуществ. Действительно, будущее таких датчиков заключается в их использовании в рамках более крупных комплексных решений в качестве одного из элементов - полномасштабная беспроводная сеть сотовой структуры, охватывающая всю территорию объекта и выполняющая самые разнообразные функции (рис. 3). 
Рис. 3 Беспроводная сеть OneWireless Network охватывает весь завод и включает: датчики, работающие в режиме реального времени, систему наблюдения за состоянием оборудования на всей территории предприятия и на удалённых от берега объектах, систему мобильной связи, систему для обеспечения рабочим доступа к актуальной информации о технологическом процессе, систему наблюдения за перемещениями производственных объектов и персонала.
При наличии такой базовой структуры беспроводные датчики с увеличенным радиусом действия могут сочетаться с рядом других решений, например, портативными устройствами для получения беспроводного доступа к актуальной информации, системами слежения за производственными объектами, системой видеонаблюдения, которую можно запрограммировать на высвечивание тех зон, в которых датчики зафиксировали проникновение или нарушение технологического процесса. Наблюдение за местонахождением персонала с помощью сенсорных датчиков, вмонтированных в бирку с личным знаком сотрудника, также будет способствовать повышению уровня безопасности, в частности, при возникновении аварийной или критической ситуации. По сути, единая беспроводная сеть, охватывающая весь завод, позволит операторам в полной мере воспользоваться преимуществами, которые даёт беспроводная технология с точки зрения гибкости. Теперь они смогут дополнять или изменять беспроводные устройства – как того требует круг решаемых задач и изменения, произошедшие в технологическом процессе.
Новая беспроводная технология в области промышленных измерений пока вызывает вполне объяснимый сдержанный интерес со стороны представителей промышленности, и завод, использующий исключительно беспроводную технологию, пока что далёк от своего воплощения. Тем не менее, сегодняшний уровень технической реализации беспроводных датчиков, базирующихся на промышленных стандартах больше не связаны с техническими сложностями, и не исключено, что в ближайшем будущем мы сможем наблюдать появление ряда небольших промышленных объектов, идущих по этому пути. Как бы там ни было, сегодня мы видим, что беспроводные датчики постепенно захватывают лидерство, намечая путь, по которому предстоит идти.
