Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 849 ценное функциональное тестирование полевого оборудования без останова производства, в последние годы бурное развитие получает направление, которое в конечном итоге связывают с возможностью оперативной диагностики полевого оборудова- ния в режиме on-line.
13.2. Тестирование полевого оборудования в реальном
времени
Если вернуться к вероятности опасного отказа (несраба- тывания) единичного элемента оборудования, например, от- сечного клапана
PFD = V y . то становится ясно, что при постоянной интенсивности отка- зов единственной возможностью снижения вероятности отка- за является уменьшение межтестового интервала 77 (часто обозначается как Т
}
).
Примечание
Применение пары отсечных клапанов на одной линии спо-
собно существенно снизить вероятность опасного отказа:
pfd,OO2=4 TL,
однако зависимость от интервала тестирования становится
еще более сильной. И уменьшить его без останова процесса
можно только одним способом - обеспечив возможность
тестирования с частотой большей, чем 1/TI.
Проверка в режиме on-line работоспособности отсечного клапана, участвующего в обеспечении безопасности процесса
- непростая задача. Традиционное решение предполагает ус- тановку дополнительной арматуры, что влечет существенное увеличение капитальных затрат. Наиболее приемлемым спо- собом тестирования отсечных клапанов в режиме on-line на сегодняшний день считается частичное открытие или закры- тие клапана в сочетании с инспекцией и обслуживанием по месту. По экспертным оценкам разных компаний эта методика позволяет обнаружить от 60 до 95% отказов.
Можно выделить три основных метода тестирования от- сечных клапанов путем частичного изменения их положения в оперативном режиме.
850
Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 13.3. Механическое ограничение хода клапана Используется механический ограничитель хода или уст- ройство, ограничивающее перемещение клапана на опреде- ленную величину хода. Обычно - это 10-20%.
Это механическое устройство может быть встроено в кла- пан, или вручную устанавливается на клапан только на время испытаний.
Хотя эти устройства недороги, но они не дают разверну- той диагностики, требуют
больших трудозатрат и контроля над тем, что они не оставлены в ограничивающем положении по окончании испытаний. Самое неприятное - это то, что во время тестирования клапан недоступен для выполнения функ- ций защиты.
13.4. Тестирование с использованием ПЛК системы ПАЗ Для осуществления этого метода требуется специальное программное обеспечение в ПЛК, а также датчик положения или ограничивающие ключи на клапане. Дополнительно мо- жет использоваться датчик давления.
Этот метод кроме самой проверки работоспособности со- леноида и перемещения клапана позволяет проверить времен- ные характеристики и кривую изменения давления на клапане.
Результаты тестирования могут быть архивированы для срав- нения с предысторией.
Принципиальный недостаток этого метода - система про- тивоаварийной защиты используется для выполнения несвой- ственных ей функций. Таким образом, существенно повыша- ется риск ложного срабатывания системы противоаварийной защиты во время технического обслуживания.
Кроме того, данный подход неявным образом подразуме- вает использование рабочей или инженерной станции РСУ, поскольку система ПАЗ по определению не должна иметь ра- бочих станций реального времени.
Наиболее рациональный вариант, который позволителен для систем противоаварийной защиты, - это специализиро- ванная выделенная инженерная станция для обслуживания и сопровождения системы ПАЗ.
Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 851
13.5. Специальные цифровые контроллеры клапанов
Контроллер способен проверять работоспособность соле- ноида, и изменять положение клапана в соответствии с предо- пределенным тестовым профилем, контролируя положение клапана, давление на клапане, и время выполнения задания.
В случае отклонения фактических характеристик от эта- лонных, контроллер выдает соответствующую диагностику, которая воспроизводится и фиксируется системой обслужива- ния полевых устройств (о ней речь впереди).
Система обслуживания полевых устройств позволяет хра- нить и документировать предысторию всех тестовых опера- ций и их результатов, поэтому всегда будет существовать воз- можность сравнения с исходным состоянием и исходными характеристиками полевых устройств. Этот метод диагности- ки требует дополнительных затрат на оборудование, которые, однако, окупаются в процессе эксплуатации как за счет сни- жения расходов на обслуживание, так и снижения числа лож- ных остановов и опасных отказов, приводящих к непосредст- венной угрозе аварии.
Примечание
Если во время проведения операции тестирования с ус-
тановки приходит сигнал о реальной необходимости сраба-
тывания данного клапана, то эта команда будет иметь при-
оритетное значение.
13.6. Расчет эффекта оперативной диагностики
Покажем, как тестирование путем частичного изменения положения клапана способно реально повысить уровень безо- пасности системы за счет уменьшения вероятности опасного отказа, и без установки дополнительной арматуры.
Пусть интервал функционального тестирования (межтес- товый интервал) равен 1 году. Тогда вероятность отказа кла- пана в течение года определится как
РРО = Л
0
= Я
0
. | = 0.5 Л
0
Если допустить возможность более частого, но частично- го тестирования клапана в течение межтестового npo6eia 77, то вероятность отказа будет складываться из двух компонент:
852 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
= ^ у + где
Л
ор
- Интенсивность отказов в течение интервала частичного тестирования Т
р
;
A
DF
- Интенсивность отказов в течение интервала полного функционального тестирования T
F
=77 .
Обозначим долю диагностического охвата во время частично- го тестирования клапана как а . Тогда интенсивности отказов на интервалах частичного и полного тестирования выразятся следующим образом:
Л
ор
= а • А
0
, и окончательно
A
DF
= ( 1 - а ) А
0
PFD а • Я
0
- + (1 - a) A
D
-
Оценки а могут быть разными, но обычно считается, что степень уверенности в работоспособности или неработоспо- собности клапана после частичного тестирования достаточно высока, ведь одно уверенное определение работоспособности клапана составляет половину успеха.
Исходя из предположения, что главная задача отсечного клапана - не застрять и не заклинить и точно выполнить ко- манду, ведь именно эти неисправности определяются при час- тичном тестировании в первую очередь, P. Gruhn в статье "It s
time to bring sanity back to SIS design " предлагает оценку доли диагностического охвата а = 0.8.
Допустим, что частичное тестирование клапана проводит- ся ежеквартально, то есть 4 раза в год. Тогда вероятность от- каза определится как
PFD 0.8 Л
0
+ 0.2Л
о
= 0.1-Л
о
+0.1 Л
0
=0.2 Л
0
Выше мы получили значение вероятности отказа в течение 1 года без промежуточного ежеквартального тестирования:
PFD = 0.5 A
d
Таким образом, промежуточное тестирование оборудова- ния действительно позволяет существенно снизить вероят- ность отказа, и, главное, существенно повысить уверенность технологического персонала в дееспособности системы безо- пасности.
Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 853
Завершая пример, найдем эквивалентное время полного функционального тестирования, которое потребовалось бы для достижения полученных характеристик нашей системы с комбинированным тестированием:
0.2 • Л0 = Я0 • у TI = 0.4 года.
Мы видим, что возможность оперативного тестирования полевого оборудования дает возможность реального повыше- ния уровня интегральной безопасности SIL
без установки дополнительного оборудования. Возникает вопрос:
Какими средствами в составе АСУТП может быть обеспечено
выполнение операций тестирования в режиме on-line? Стандартно мы имеем только то, что имеем, однако:
• ПАЗ - Совершенно исключено.
• РСУ - Практически исключено.
Реальные возможности создания подобного рода систем возникли только с появлением так называемых "интеллекту- альных" полевых устройств с микропроцессорным управлени- ем, и средств взаимодействия с этими устройствами - поле- вых шин:
• Гибридных аналогово-цифровых протоколов типа
HART;
• Полностью цифровых шин (Profibus, Fieldbus).
13.7. Системы обслуживания полевого оборудования Системы
Plant Asset Management — исключительно эффек-
I ивный инструмент повышения безопасности производства.
Системы обслуживания поля органически включаются в общую иерархию средств управления ресурсами и эффектив- ностью предприятия (см. рис.
13.2). Важное замечание В настоящее время в состав интеллектуального полевого оборудования кроме датчиков, анализаторов и клапанов, включаются электродвигатели и насосы, работоспособность которых наряду с КИП имеет определяющее значение для технологического процесса. Это ли не подтверждение наьие-•о подхода к созданию универсальной системы идентифика-ции параметров АСУТП, представленной в главе 10.
854 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
Рис. 13.2
Идея этих систем, которые выступают под общим терми- ном Plant Asset Management Systems - управление оборудова- нием производства, или под названиями фирм- производителей, например:
• Asset Management Solutions - A MS (Система обслужи- вания поля - СОП) фирмы Emerson,
• Plant Resource Manager - PRM (Менеджер ресурсов производства - МРП) фирмы Yokogawa Electric, заключается в том, что, подобно обычному регулированию параметров технологического процесса, вводятся средства обслуживания полевого оборудования, обеспечивающего безопасность и управление технологическим процессом.
Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 855
13.8. Архитектура систем обслуживания В силу специфических особенностей РСУ, ПАЗ и систем обслуживания, все они включаются в состав АСУТП как самостоятельные системы / подсистемы, способные к взаимо- действию между собой.
В зависимости от типа полевого протокола (чисто цифровой или цифро-аналоговый) конкретные подробности архитектуры АСУТП, имеющей в
своем составе систему обслуживания КИП, будут меняться, но общий подход сохраняется:
Используется выделенная рабочая станция КИП, которая работает с цифровой частью протокола, или полностью цифровыми средствами взаимодействия с полевым оборудованием.
Безусловно, системы обслуживания полевого оборудова- ния предназначены для осуществления всего спектра задач по работе с оборудованием:
• Объявление новой единицы оборудования в составе
АСУТП;
• Определение характеристик;
• Автоматизированная калибровка;
• Диагностика
on-line; • Архивирование;
• Отчетность и т.д.
Но ключевым моментом являются новые возможности по выявлению неполадок и отказов оборудования.
Обслуживание полевого оборудования можно проводить по-разному:
1. После того, как устройство "неожиданно" отказало;
2. Планово-профилактическое обслуживание:
Приборы поверяются по определенному графику неза- висимо от того, есть ли в этом реальная необходи- мость;
3. Превентивное, предупредительное обслуживание:
График обслуживания подстраивается под реальные данные об отказах;
4. Обслуживание по запросу с поля:
Встроенной диагностика прибора дает запрос на тех- ническое обслуживание.
856 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
Текущая ситуация на подавляющем большинстве отече- ственных предприятий элементарна - обслуживание прово- дится по первым двум вариантам:
• При отказе, и
• По графику.
Современная тенденция - разработка полевого оборудо- вания, способного самостоятельно выявлять главные наруше- ния и сбои в своей собственной работе, и сообщать о них пер- соналу. Пример: Автоматическое определение забивки им- пульсной линии датчика давления (рис. 13.3).
Для определения забивки импульсной линии интеллекту- альный датчик анализирует вариацию шума с высокой часто- той, которую не может обеспечить АСУТП:
Параметры шума изменились, но при этом сами данные о
переменной остаются вполне приемлемыми! Самодиагности-
ка позволит выявить это нарушение и провести превентив-
ное обслуживание.
Рис. 13.3
Системы управления полевым оборудованием в реальном масштабе времени позволяют существенным образом повы- сить надежность систем управления и защиты, уменьшить за- траты на обслуживание, сократить число и время простоев.
Основная цель - приблизиться к оптимальному уровню обслуживания. На рис. 13.4 представлены главные опорные точки графика обслуживания:
1. Недостаточный уровень обслуживания.
Следствие - дорогостоящие остановы производства.
Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 857 2. Уровень, близкий к оптимальному.
3. Неоправданно частое обслуживание также увеличива- ет издержки производства. го "1
I ,
CD 1 2 з
Частота обслуживания Рис. 13.4 Системы обслуживания поля способны радикальным об- разом повысить степень доверия к системе и уровень взаимо- действия с полевым оборудованием:
• Дистанционные операции с полевым оборудованием;
•
Автоматизация обслуживания;
• Связь с функциями управления оборудованием;
• Поддержка приложений
plug-in; • Возможность превентивного обслуживания.
Сводный эффект внедрения систем управления оборудо- ванием:
• Увеличение безопасности производства;
• Улучшение качества продукции;
• Автоматизированный контроль эффективности и стоимости обслуживания.
На сегодняшний день существует несколько реально дей- ствующих образцов подобных систем. Рассмотрим особенно- сти этих систем на примере достаточно известных:
• Asset Management Solutions - A MS (Система обслуживания полевого оборудования -
СОП) фирмы Emerson, и
• Plant Resource Manager - PRM (Менеджер ресурсов производства - МРП) фирмы Yokogawa Electric.
858 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
13.9. AMS - Система обслуживания поля фирмы Эмерсон
Пакет программ Asset Management Solutions (AMS, Сис- тема обслуживания приборов) и прилагаемые к нему прило- жения - это набор программных решений для учета всей дея- тельности по обслуживанию приборов, связанной с датчиками и исполнительными устройствами.
AMS является полнофункциональным инструментом для конфигурирования, управления документацией, калибровки и диагностики устройств. AMS предоставляет пользователям доступ к инструментам управления процессом в реальном времени, и автоматически использует всю информацию о те- кущем состоянии устройств. Одновременно AMS является инструментом для составления прогнозов по обслуживанию и эксплуатации, предоставляя возможность предсказывать ме- роприятия по обслуживанию приборов вместо простого реа- гирования на происходящие отказы.
Стандартная конфигурация системы AMS состоит из вы- деленной рабочей станции, набора программного обеспече- ния, и встраиваемых приложений (рис. 13.5).
A M S н а а в т о н о м н о м П К
Л В С завода ( E t h e r n e t )
С т а н ц и я П ;
И н т е г р а ц и о н н а я Щ с A M S
Станция
Профессиональная с A M S
О п е р а т о р с к а я с т а н ц и я
П о л е в ы е у с т р о й с т в а , п о д д е р ж и в а ю щ и е
H A R T и Fieldbus
Рис. 13.5
При использовании AMS в режиме off-line, обслуживаю- щий персонал получает возможность удаленно проверять уст- ройство, конфигурировать его, и обновлять калибровочные данные путем нажатия нескольких клавиш.
Глава 13. Выбор и построение надежных и эффективных АСУТП 859
Используя AMS в режиме
on-line, эксплуатационный и обслуживающий персонал может непрерывно вести наблюде- ние за полевыми устройствами для мгновенного получения информации в случае возникновения проблемы. Всё это при- водит к значительной экономии средств, ибо перед тем, как
вызвать серьезные сбои в производстве, проблемы с оборудо- ванием могут быть выявлены заранее.
AMS позволяет получить доступ к внутренним механиз- мам самодиагностики, которые встроены в устройства HART и Fieldbus. Это позволяет сосредоточиться на решении про- блемы, поскольку не требуется тратить время на путь к клеммному шкафу или к полевому устройству для поиска не- поладки.
13.10. Функциональные возможности AMS
AMS позволяет:
• Конфигурировать устройства в режиме
on-line с интег- рированными интерфейсами систем DeltaV, RS3,
PROVOX с помощью мультиплексоров HART, и поль- зоваться системным интерфейсом в режиме
off-line, используя возможности загрузки и выгрузки конфигу- рации устройств с помощью прибора HART Communi- cator, или использовать модем HART для временного подключения к устройству.
• Осуществлять планирование и хранение созданных ва- риантов конфигураций в базе данных оборудования.
При следующем подключении к устройству с помо- щью AMS или прибора HART Communicator, можно загрузить в него новую конфигурацию, обновленную при работе в режиме
off-line. • Выполнять проверку контуров, самодиагностику при- боров, и просматривать состояние устройства.
• Получать текущую информацию от подключенных устройств для определения их рабочего состояния, и просмотра переменных процесса.
• Диагностика устройств, результаты проверки контуров и самодиагностика могут быть автоматически доку- ментированы.
860
Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка • Имеется возможность просмотра информации о стату- се для определения состояния устройства без исклю- чения устройства из процесса.
• Проводить калибровочные процедуры. Определять схему теста, которая может быть использована для не- скольких устройств. Любые изменения в схеме теста будут автоматически обновлены для всех ассоцииро- ванных устройств.
• Импортировать и экспортировать информацию между несколькими системами AMS. Если есть много от- дельных рабочих станций, объединенных в сеть, суще- ствует возможность вести общую базу данных.
• Входить в систему с использованием пароля. Систем- ным администратором устанавливаются имена пользо- вателей и пароли, позволяющие различным пользова- телям иметь различный уровень доступа к системе
AMS.
13,11. Монитор сигналов тревоги Корпоративная сеть предприятия позволяет в полной мере воспользоваться преимуществами системы AMS. Каждая зона сети подключается к отдельному серверу AMS, который пере- дает данные на AMS Server Plus.
Web-интерфейс AMS собирает локальные пакеты данных с каждого сервера AMS, и отображает их в одном окне обо- зревателя. С
помощью безопасного доступа, предоставляемого системой AMS, можно отслеживать сигналы тревоги, посту- пающие из различных подразделений производства.
Интерфейс позволяет просматривать конфигурацию и данные калибровки устройств, присоединенных к нескольким серверам AMS, опрашивать и отображать информацию о со- стоянии приборов, датчиков и исполнительных механизмов, отсортированную по типам устройств или по технологическим установкам. Затем можно отфильтровать данные и предста- вить их в виде, удобном для принятия решений.
Web-интерфейс AMS снижает количество повторно вы- полняемых типичных операций настройки, сохраняя часто посещаемые или специально отобранные страницы.
Скачать 6.47 Mb.