Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo
Využít potenciál dat získaných z provozních zařízení – rozhovor s Matthiasem Altendorfem

V srpnu letošního roku navštívil Českou republiku Matthias Altendorf, výkonný ředitel společnosti Endress+Hauser AG. V Československu společnost Endress+Hauser působí od roku 1968 – letos tedy oslavila 50. výročí přítomnosti na československém trhu. V roce 1968 přichází společnost do Československa v zastoupení podniku zahraničního obchodu. V roce 1992 je založena samostatná organizační složka se sídlem v Ostravě s osmi zaměstnanci, která se v roce 1997 stěhuje do Prahy a rozšiřuje svůj tým na šestnáct zaměstnanců. V roce 1998 vzniká společnost s ručením omezeným, která se v roce 2003 stěhuje do Prahy 4, kde v roce 2017 rekonstruuje a rozšiřuje své prostory na 1 300 m2 pro tým 55 zaměstnanců.Obr 1. Matthias Altendorf, CEO společnosti Endress+Hauser Group, navštívil Prahu O historii společnosti Endress+Hauser jsme v časopise Automa psali v několika rozsáhlých článcích – jejich seznam najdete v rámečku na této straně. Od doby vzniku těchto článků došlo ke změně ve vedení společnosti Endress+Hauser Group: dne 1. ledna 2014 převzal od Klause Endresse vedení společnosti Matthias Altendorf, první ředitel mimo členy rodiny. Klaus Endress pokračuje ve společnosti Endress+Hauser jako předseda dozorčí rady. Endress+Hauser i po této změně, bez ohledu na osobu ředitele, zůstává rodinnou firmou vlastněnou rodinou Endressů. Matthias Altendorf (nar. 1967) nastoupil po maturitě do společnosti Endress+Hauser v Maulburgu jako mechanik, ale postupně se dále vzdělával a postupoval i v kariéře ve firmě: po dokončení vysokoškolského studia působil na různých pozicích v závodě Endress+Hauser Flowtec v Reinachu, až se zde roku 2000 stal ředitelem marketingu. V roce 2005 se vrátil do Maulburgu, kde byl jmenován generálním ředitelem závodu a na této pozici působil až do konce roku 2013, tedy do nástupu na pozici výkonného ředitele celé skupiny Endress+Hauser. Od roku 2009 byl také členem představenstva společnosti Endress+Hauser. V průběhu své návštěvy poskytl redakcím deníku Hospodářské noviny a časopisu Automa krátký rozhovor.  Vážený pane řediteli, jaké trendy vidíte v současné době v oboru procesní výroby? Zaprvé, je patrné, že dochází ke stále hlubšímu prorůstání informační techniky do řízení provozů. Objevují se koncepce průmyslového internetu věcí, IIoT, v evropském prostředí nazývané průmysl 4. 0. Systémy řízení životního cyklu výrobků, Life Cycle Management, přesahují hranice podniku a integrují i data od dodavatelů a zákazníků. Dochází k dříve nebývalé digitalizaci a automatizaci obchodních a dodavatelských procesů. Zadruhé, v průmyslové automatizaci stále zůstává základní úlohou zvyšování produktivity: dosahování lepších výsledků s menšími náklady a menším počtem lidí. Mění se však to, co si představujeme pod lepšími výsledky. Už to není jen více výrobků, ale důraz je kladen i na jejich kvalitu a na to, aby přesně odpovídaly individuálním požadavkům zákazníka. Obr. 2. Společnost Endress+Hauser vidí velký potenciál ve využití rozšířené reality, např. prostřednictvím tabletů s kamerou, WiFi a obslužnou aplikací Endress+Hauser Analytics AppKdyž se podíváte na sklenici zde na stole, už nás nezajímá jen to, kolik je v ní vody – měřením výšky hladiny společnost Endress+Hauser začínala –, ale také to, jaká je její kvalita a složení. Místo pouhého měření objemu musíme měřit množství kvalitativních požadavků. Čím je produkt složitější, tím je měření více. Například v potravinářství a farmacii je třeba sledovat a dokládat kvalitu nejen výsledného produktu, ale také surovin, z nichž produkt vzniká. Zatřetí, je třeba, aby měření co nejméně ovlivňovalo měřené médium nebo probíhající proces. Když se vrátíme ke sklenici vody, hladinu můžeme změřit tak, že do sklenice ponoříme měřítko. To bude v kontaktu s měřenou vodou, což je v mnoha případech nežádoucí. Proto se stále více používá bezkontaktní měření. Výhody jsou zřejmé: nehrozí žádná kontaminace média, nedochází ke znečištění nebo korozi senzoru, klesají náklady na údržbu, zvyšuje se spolehlivost. Začtvrté, manažeři chtějí v reálném čase vědět, jaký vliv budou mít změny v probíhajících procesech na ekonomické výsledky. V řídicí architektuře je například měření polohy hladiny média v tanku důležité pro regulaci přítoku a odtoku, jenže manažeři chtějí, aby tento údaj měli k dispozici i ve svém systému ERP, aby byli schopni určit, jaká je momentální kapacita výroby. Přímé propojení od snímače do systému ERP tedy vidím jako další důležitý trend. A v neposlední řadě vidíme, že měření se stává službou. Firmy si stále více uvědomují, že nepotřebují vlastnit snímače, ale potřebují měřit. Firmy zabývající se výrobou a prodejem měřicí techniky proto stále častěji místo snímačů nabízejí kompletní řešení, včetně projektu, montáže, uvedení do provozu, servisu a kalibrací. Stejnou cestou jde i Endress+Hauser.  Ve vašem stánku na veletrhu Achema jsem měl možnost vyzkoušet si systém rozšířené reality. Popravdě mi připadal trochu neohrabaný. Myslíte, že takové systémy mají v průmyslu budoucnost? Ale ano, virtuální a rozšířená realita jsou součástí budoucnosti průmyslu. Jejich potenciální přínos pro servis a údržbu na dálku je velký, zvláště v kombinaci s cloudovými službami. Potřebujete-li v dané situaci zjistit, v jakém stavu se zařízení, na nějž se díváte, nachází a co byste s ním měl provést, jak ho nastavit, seřídit nebo opravit, mohou vám brýle virtuální reality prokázat velkou službu. Dostanete pro dané zařízení jasný postup práce, krok za krokem, přičemž jednotlivé kroky budete potvrzovat a tak dokumentovat jejich skutečné vykonání. Naproti tomu je pravda, že pohybovat se s datovými brýlemi v provozu je zatím náročné. Brýle by měly být co nejmenší a neměly by operátorovi nijak překážet. V současné době je asi praktičtější mobilní zařízení, tablet nebo telefon, s kamerou a vhodnou aplikací. Nemusíte jako u datových brýlí mávat rukama, ale aplikaci jednoduše ovládáte gesty na dotykovém displeji.  Ještě jedna novinka mě na veletrhu Achema ve Frankfurtu zaujala: Endress+Hauser oznámil spolupráci se společností SAP. Co je cílem této spolupráce? Předpokládám, že to souvisí s již uvedeným trendem přímého propojení snímačů do systémů ERP. Chceme jít ještě trochu dále. Naším cílem je stát se součástí takzvané Asset Intelligence Network, inteligentní sítě výrobních prostředků. Jestliže například snímač svou vlastní autodiagnostikou zjistí, že potřebuje opravu, nahlásí to do systému ERP a v něm se podle naléhavosti a technických možností naplánuje servisní zásah, popřípadě odstávka zařízení, je-li k opravě snímače třeba. Informace je možné sdílet i s externími subjekty, například včas objednat náhradní díl nebo si zajistit kapacitu opravárenské firmy. Můžu uvést jeden příklad velkého projektu: jde o výrobu palmového oleje, základní suroviny, která se vyrábí v celé Asii. Zákazník má čtyři tisíce skladovacích tanků s palmovým olejem v podstatě po celém světě. Palmový olej prodává prostřednictvím burzy v Singapuru a je pro něj velmi důležité, aby v každém okamžiku věděl, kolik oleje kde má. Každý ze čtyř tisíc tanků je proto vybaven hladinoměrem, který je schopen určit množství oleje v tanku a údaj odeslat do cloudu, k němuž potom zákazník přistupuje ze své aplikace prostřednictvím internetu.Obr. 3. Stále větší podíl na objemu tržeb mají služby: projektování, uvedení do provozu, servis a kalibrace Tento projekt je rozsáhlý, ale vlastně docela jednoduchý. Vezměte si však velké chemické závody, které mají tisíce tanků s různými chemickými surovinami a produkty. Zavedení informací o skladových zásobách přímo do systému ERP umožňuje zcela novým způsobem organizovat jejich zásobování a logistiku. Hlavním cílem naší spolupráce s firmou SAP je proto umožnit propojení informací z provozní úrovně řízení do systémů ERP. Z provozu je tak možné získat velké objemy dat – big data, a v systémech ERP jsou aplikace a nástroje, které je dokážou zpracovat a využít jako informace k optimalizaci podnikových procesů.  Mnozí lidé se ale přímého propojení mezi provozní úrovní řízení a ERP obávají. Jak je v tomto případě zajištěno zabezpečení dat před únikem a zneužitím? Je třeba říci, že nic neměníme na standardní a osvědčené pyramidové struktuře řízení s jejími úrovněmi snímačů a akčních členů, PLC a řídicích systémů, DCS, vizualizace a MES. Ethernetová komunikace, a zvláště bezdrátová komunikace, ale umožňuje přenášet informace i jiným směrem než jen přes hranice jednotlivých vrstev pyramidy. Součástí této vnější komunikace ovšem nejsou smyčky zpětnovazebního řízení technologických procesů, ty zůstávají bezpečně uzavřeny v pyramidové struktuře řízení. To je podle mého názoru z hlediska zabezpečení technologického řízení před kybernetickými hrozbami to nejdůležitější.  Hovořili jsme o virtuální a rozšířené realitě. Jaké další trendy z oblasti IT podle Vás ovlivní průmyslovou automatizaci v nejbližších letech? V první řadě to bude umělá inteligence. V minulosti generovaly systémy DCS spoustu dat, která nebylo možné využít, protože jsme k tomu neměli vhodné metody vyhodnocení ani dostatek výpočetního výkonu. S rozvojem metod zpracování velkých objemů dat (big data) se z těchto původně neužitečných dat stávají cenné informace. Také sama provozní zařízení se stávají stále inteligentnějšími. Mnoho dat se tak může zpracovat už v nich a do nadřazeného systému nebo do cloudu se potom posílají už předzpracované informace.Obr. 4. V roce 2017 uvedla společnost Endress+Hauser na trh 57 novinek; mezi nimi snímač teploty iTHERM TrustSens, který získal mnoho prestižních ocenění, mj. Zlatý Amper v Brně Do řídicích systémů se rovněž budou začleňovat externí zdroje informací, například předpověď počasí. Ta není důležitá jen pro zemědělskou výrobu nebo stavebnictví, ale i v energetice nebo ve velkých chemických závodech. Při řízení chemických procesů je tak možné výrobu optimalizovat podle vnějších podmínek – například za chladného počasí roste účinnost chlazení, ale také podle prognózy ceny a spotřeby energie. Stále více se hovoří též o aplikacích typu blockchain. I my jim věnujeme pozornost a domnívám se, že do vztahů v dodavatelských řetězcích mohou přinést mnoho pozitivního. Osobně nevěřím tomu, že by se v průmyslu výrazně uplatnily kryptoměny jako bitcoin, ale aplikace typu blockchain mohou být velmi užitečné pro důvěryhodné sdílení informací, včetně autentizace a časových značek.  Probíhá ve vaší společnosti nějaký výzkum v tomto směru? Ano. Pracujeme na tom, jak využít aplikace typu blockhain k dokladování měření. Ale jsme teprve na počátku. Není to jednoduchý proces, protože je k tomu třeba spolupráce výrobců měřidel, dodavatelů, zákazníků i těch, kteří se starají o standardizaci a legislativu v oblasti stanovených měření. A co se týče snímačů a měřicí techniky? Pokračuje miniaturizace senzorů: jsou stále menší a lehčí. Současně s tím klesá i jejich cena. Ovšem to je v podstatě kontinuální proces, žádná revoluce. Obor, v němž očekávám prudší změny, jsou optické metody měření složení látek. Spektroskopie umožňuje měřit to, o čem už jsme hovořili: kvalitu produktů. Přitom je možné měřit i na dálku, bez přímého dotyku s měřeným vzorkem a bez nutnosti používat jakákoliv činidla. Většina současné analytické techniky se bez pomocných látek a analytických činidel neobejde. Plynový chromatograf potřebuje nosný plyn, při péči o pH elektrody a jejich skladování potřebujete kalibrační a skladovací pufr atd. Optické měření nic takového nepotřebuje a také údržba optických analytických přístrojů je mnohem snazší a levnější. Tím se snižují celkové náklady na měření, které potom mohou být použity například k průběžnému měření kvality tam, kde se dříve jen ve stanovených intervalech odebíraly vzorky k analýze v laboratoři. Například v oblasti potravinářství se tím výrazně zvyšuje bezpečnost potravin.Obr. 5. Spektrometr vhodný k přímé integraci do výrobních zařízení – výrobek společnosti Blue Ocean Nova, jež je od listopadu 2017 součástí skupiny Endress+Hauser  Pro využití internetu věcí je důležitá standardizace. Data opouštějí hranice podniků a je třeba, aby jejich struktura a formát byly srozumitelné každému, kdo je potřebuje. Jaký význam přikládáte například aktivitám sdružení NAMUR v této oblasti? Pro nás je důležité, že NAMUR jako sdružení uživatelů automatizační techniky zjišťuje, jaké mají naši zákazníci požadavky a představy. Jenže z cenového hlediska, ale i z hlediska zabezpečení je výhodnější používat standardní metody a funkce běžně známé ve světě informační techniky. Mám na mysli například WiFi, Bluetooth, Ethernet nebo internet. Na rozdíl od proprietárních průmys­lových řešení jsou mnohem levnější, spolehlivější a bezpečnější. Jedním z modelů, které budeme u svých výrobků uplatňovat beze změn, je NOA, NAMUR Open Architecture. Předpokládám, že vaši čtenáři tento model znají. Tento model právě umožňuje získávat informace z každé úrovně řídicí pyramidy. Ale k jejich přenosu se budou, podle mého přesvědčení, používat sítě Bluetooth, WiFi, Ethernet a v budoucnu 5G. Speciálně v sítích 5G vidím velkou budoucnost, protože dovolují budovat lokální podnikové sítě a především umožňují komunikaci v reálném čase. Sítě 5G v mnoha případech nahradí WiFi, protože jsou rychlejší, robustnější a bezpečnější.  A co chystáte na nadcházející valné shromáždění NAMUR? Letos jste jeho sponzorem. Jako firma vyrábějící snímače se pochopitelně soustředíme právě na ně. Velký důraz budeme klást na digitalizaci a na to, jak mohou uživatelé využít potenciál skrytý v datech, která je možné získat z provozních zařízení. Ale zasedání je až v listopadu, více vám zatím neprozradím, jen tolik, že program a výstavku chystáme v úzké spolupráci s odpovědnými lidmi z NAMUR.  Děkuji Vám za rozhovor.   Rozhovor vedl Petr Bartošík. Historie firmy Endress+Hauser na stránkách časopisu Automa: [1] Endress+Hauser: z řemeslné dílny celosvětovým dodavatelem průmyslové automatizace. Automa [online]. Praha: FCC Public, 2003(05) [cit. 2018-08-27]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.automa.cz/cz/casopis-clanky/endress-hauser-zremeslne-dilny-celosvetovym-dodavatelem-prumyslove-automatizace-2003_05_28812_1400/ [2] 50 let společnosti Endress+Hauser. Automa [online]. Praha: FCC Public, 2003(08) [cit. 2018-08-27]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.automa.cz/cz/casopis-clanky/50-let-spolecnosti-endress-hauser-2003_08_28904_1917/ [3]      Endress+Hauser slaví 60. výročí založení. Automa [online]. Praha: FCC Public, 2013(03) [cit. 2018-08-27]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.automa.cz/cz/casopis-clanky/endress-hauser-slavi-60-vyroci-zalozeni-2013_03_0_10225/  

Moderní průtokoměry s integrovanými funkcemi monitorování a ověření

Článek představuje základní rozdíly mezi ověřením a kalibrací provozních měřicích přístrojů. Zabývá se zajištěním kvality výsledků měření a předcházením selhání přístrojů v průběhu jejich životnosti. Zvláště popisuje použití kalibrace a ověření u měřicích přístrojů, které mají přímý vliv na kvalitu výsledného produktu a na zajištění funkční bezpečnosti. Popisuje moderní průtokoměry Proline s integrovanou funkcí Heartbeat Technology pro samosledování přístrojů. 1. Úvod Procesní průmysl vyvíjí velké úsilí pro to, aby zajistil vysokou úroveň spolehlivosti řízení procesů, trvalou kvalitu výsledných výrobků a jejich přesné fakturační měření. Roste také potřeba zaručit udržitelnost provozu a shodu s nařízeními o ochraně životního prostředí. Při zajišťování těchto požadavků hrají klíčovou roli moderní průtokoměry, jež dlouhodobě zaručují velmi stabilní měření. Nehledě na spolehlivost průtokoměrů však v současnosti zůstává běžnou praxí prověřovat v pravidelných intervalech funkci měřicích zařízení, zvláště závisí-li na nich kvalita výrobků nebo provozní bezpečnost. Senzory moderních průtokoměrů zpravidla nemají žádné pohyblivé části, které by mohly podléhat opotřebení. Vyznačují se také měřicí elektronikou s funkcí samodiagnostiky. Tyto dvě skutečnosti dohromady umožňují omezit objem práce spojené se správou zařízení a významně snižují množství servisních úkonů, které nejsou skutečně nezbytné – např. je díky nim možné prodloužit kalibrační intervaly. Navíc diagnostické informace podporují rychlé řešení potíží a vzhledem k nepřetržité analýze funkce v systému sledování stavu zařízení (condition monitoring) zabraňují neplánovaným odstávkám výroby. Na základě vnitřních zkoušek průtokoměru je možné vystavit zprávu o ověření měřicí funkce a tímto způsobem dokumentovat stav měřicího zařízení. Automaticky generované zprávy o ověření lze využít také k dokumentování kvality výrobků nebo k prokázání shody s regulatorními požadavky a standardy. Nyní již každý jednotlivý výrobce měřicí techniky integruje do svých průtokoměrů funkce pro diagnostiku, sledování a ověření, které mohou být jednotným způsobem použity pro všechny instalované měřicí přístroje v celém podniku. Příkladem mohou být průtokoměry Proline od firmy Endress+Hauser. Sladěné ovládání a jednotné funkce umožňují uživatelům zjednodušit jejich pracovní postupy standardizací provozních procedur. Díky standardizované implementaci  v široké škále měřicích přístrojů se uživatelé mohou naučit uvedené funkce používat jen jednou. Výsledkem jsou úspory nákladů a zvýšení produktivity práce.Základním požadavkem nutným pro spolehlivou vnitřní diagnostiku a ověření funkce přístroje je zařízení s dlouhodobou stabilitou, které je zkoušeno prostřednictvím vnitřních referenčních veličin s redundancí. Pro zařízení s vnitřním ověřením již není třeba tradiční metoda ověření s vnějším měřicím přístrojem navázaným na firemní etalony. Často je rovněž možné prodloužit interval mezi náročnými rekalibracemi průtokoměrů v laboratoři. Výhodami tohoto procesu jsou snadné použití a možnost integrace do řídicího systému vyšší úrovně nebo systémů AMS (Asset Management System). To vše šetří čas i náklady a současně eliminuje možnost ovlivnění výsledků nesprávným zacházením. 2. Požadavky průmysluV procesním průmyslu rostou požadavky na kvalitu a bezpečnost. Současně ale stoupá tlak na snižování nákladů efektivnějším využíváním zdrojů, omezením těch servisních zásahů, které nejsou nezbytné, a snížením rizika neplánovaných odstávek. Dalším výrazným faktorem ovlivňujícím náklady je specializace zařízení: specializace zvyšuje složitost systému a v důsledku toho i náklady. Jednotliví výrobci měřicí techniky pro automatizaci procesní výroby čelí těmto trendům ucelenou nabídkou, která pomůže snižovat složitost systému. Cílem je dosáhnout sladěných a jednotných řešení bez nutnosti uplatnění speciálních odborných znalostí a zkušeností. Dosažení úspor nákladů na provoz a údržbu vychází ze dvou faktorů, jež jsou popsány v následujících kapitolách. 2.1 StandardizaceStandardizace je založena na jednotnosti řešení úloh (stejné věci se dělají stejným způsobem) a sladěností (stejné řešení lze použít pro různé výrobky). Ovládání všech zařízení jednotným způsobem zvyšuje bezpečnost a zjednodušuje zaškolení obsluhy. Možnost použít stejné řešení pro různé výrobní technologie dovoluje využít funkce měřicích a řídicích zařízení jednotně v celém výrobním závodě. To zjednodušuje průběh výroby. Sladěnost však také znamená, že přiřazení funkcí zůstává stejné po celou dobu životního cyklu měřicí a řídicí techniky – to zaručuje, že jednotlivé postupně uváděné verze zařízení jsou navzájem kompatibilní. Standardizace zaručuje udržitelnost jednou navržených procesů a získaných zkušeností.  2.2 Jednoduché začleněníCílem jednoduchého začlenění do systému je zlepšit tok informací mezi zařízeními a jejich okolím, např. umožnit dokonalou interakci mezi měřicím zařízením a jeho řídicí jednotkou. Diagnostika vestavěná v zařízení nepřetržitě generuje informace o stavu zařízení, upozornění a zprávy o událostech – např. o stavu, kdy aktuální provozní podmínky negativně ovlivňují činnost měřicího přístroje. Jestliže se při každé diagnostické události na displeji objeví také informace o možnostech nápravy, velmi to zrychlí a zjednoduší cílené řešení problémů.    Jestliže zařízení samo generuje a ukládá informace potřebné pro dokumentování jeho činnosti, jsou tyto automaticky dostupné všem operátorským i servisním rozhraním. Zmíněné informace mohou být použity pro dokumentování ověření měřicího zařízení, např. v podobě tištěné zprávy, jak to vyžaduje ISO 9001. Začlenění navíc zvyšuje bezpečnost personálu, protože za určitých podmínek je možné informace předávat z provozu a do něj bez fyzického přístupu k měřicímu přístroji. Moderní průtokoměry, jako např. Proline od Endress+Hauser, již tyto požadavky splňují a umožňují realizovat jednotné, trvalé a začleněné řešení diagnostiky, sledování a ověření přístroje v jednotlivých měřicích bodech bez nutnosti přerušovat proces a bez přímého přístupu do provozu. Popsané funkce jsou založené na integrovaném systému samosledování. Měřicí zařízení určená pro budoucí výrobní linky procesního průmyslu dokážou tyto požadavky splnit za přispění vysoce spolehlivé vestavěné diagnostiky a funkcí pro ověření, jako je např. Heartbeat Technology. Heartbeat Technology vychází z neustálého sledování všech významných vnitřních veličin a stavu mechanických, elektromechanických a elektronických částí. Spolehlivé měření a diagnostika vyžadují, aby tyto části byly dlouhodobě stabilní. U nejmodernějších zařízení je dlouhodobá stabilita zajištěna realizací vysoce stabilních vnitřních referenčních signálů s redundancí. Jejich dlouhodobá stabilita v průběhu životnosti přístroje je také neustále sledována.Následující kapitola to podrobně vysvětlí a poskytne přehled o tom, jak jsou tyto principy realizovány u moderních průtokoměrů.  3. Měření s trvalou kvalitou3.1 Měřicí technika s dlouhodobou stabilitouModerní průtokoměry, které pracují na Coriolisově, magneticko-indukčním, ultrazvukovém nebo termickém principu, nemají žádné pohyblivé části, které by podléhaly opotřebení. Jsou vyzkoušené v tisících úloh a známé dlouhodobě vysoce stabilními výsledky měření.Příčinou dlouhodobé stability je právě nepřítomnost jakýchkoliv pohyblivých částí, které by mohly podléhat opotřebení. Jestliže jsou tedy průtokoměry pracující na těchto měřicích principech správně vybrány, dimenzovány a nainstalovány, lze předpokládat, že jejich funkce bude dlouhodobě stabilní. Správná technická praxe eliminuje systematické odchylky, které mohou vznikat např. špatným výběrem materiálu senzoru, jenž vlivem měřeného média podléhá korozi. Vestavěný systém samosledování umožňuje v čase rozpoznat vznik podmínek ohrožujících bezpečnost nebo kvalitu měření. To je důležité tehdy, jestliže je průtokoměr použit v provozních podmínkách, které mohou ovlivňovat měření nebo způsobit poruchu přístroje. Průtokoměry měřící na základě uvedených principů jsou schopné měřit kromě primární veličiny, tj. průtoku, ještě sekundární veličiny, které jsou užitečné pro sledování a dokumentaci podmínek měření. Na rozdíl od primární veličiny poskytují sekundární veličiny informaci o funkci a celistvosti přístroje a o podmínkách měření, které mohou mít vliv na změřenou hodnotu průtoku (kvalitu řízení procesu). 3.2 Úplná diagnostikaDiagnostika je primárně založena na neustálém sledování funkce vnitřních částí zařízení v průběhu měření. Umožňuje proto rychle reagovat na vznikající události. Uživatel je okamžitě varován, jestliže se zařízení dostane do kritického stavu. Informace jsou obvykle vyhodnocovány v souladu s doporučením NAMUR NE 107 a zobrazovány na displeji zařízení jako diagnostická hlášení (obr. 1). To zahrnuje také přímé instrukce, jaké nápravné akce je třeba učinit.Obr. 1. Diagnostická hlášení podle doporučení NAMUR NE107 (lze použít také jen samotné barvy nebo jen černobílé piktogramy) To zaručuje, že v případě odstávky je možné provoz obnovit co nejdříve, a přitom se omezují ty servisní úkony, které nejsou nezbytné. Diagnostika navíc umožňuje detekovat stav, kdy je výsledek měření ovlivňován provozními podmínkami. Jde o události typu „mimo specifikaci“ nebo „požadavek na údržbu“. Signál „kontrola funkce“ je používán v případě, že v přístroji právě probíhá např. ověřování, a proto aktuálně neposkytuje platnou hodnotu měřené veličiny. Všechny tyto informace zařízení předává prostřednictvím svého rozhraní. Analýza událostí v řídicím systému vyšší úrovně umožňuje operátorům reagovat na specifické diagnostické události stanoveným způsobem. 3.3 Sledování stavu zařízeníStručně řečeno, diagnostika umožňuje rychlou a cílenou odpověď na přerušení funkce během provozu v případě výskytu odchylek nebo selhání měřicího zařízení. To ve většině případů dostačuje pro zaručení bezpečného a spolehlivého provozu. Selhání funkce během provozu, která zůstanou nedetekována nebo jsou detekována pozdě, mohou vést k neplánované odstávce provozu, výrobním ztrátám nebo ke snížení kvality produktu. To platí zejména pro případy, kde lze předpokládat selhání způsobená náročnými provozními podmínkami (tvorba nálepů a úsad, výskyt vícefázových médií) nebo kde je nutné počítat s opotřebením (koroze, abraze). Pro tyto typy úloh je doporučeno použít sledování stavu zařízení (condition monitoring). Funkce sledování stavu zařízení sleduje provozní podmínky, kvalitu měření nebo narušení celistvosti zařízení. Do systému sledování stavu zařízení jsou přenášeny hodnoty popsaných sekundárních veličin. Systém potom sleduje trendy sekundárních diagnostických veličin a vyhodnocuje vazby mezi jednotlivými parametry. Nepřetržité sledování snižuje riziko nečekaného selhání. Systém sledování stavu zařízení také umožňuje zobrazit dočasná selhání způsobená provozními podmínkami, které nelze detekovat ani kalibrací, ani ověřením, protože tyto úkony zjišťují stav přístroje jen v určitém okamžiku.  3.4 Ověřování průtokoměrůOvěřování1 průtokoměrů se používá pro zjištění stavu zařízení v daném okamžiku. Ověřením se prokazuje, že průtokoměr splňuje specifické technické podmínky určené výrobcem nebo uživatelem.V průběhu ověřování jsou aktuální hodnoty sekundárních veličin porovnávány s jejich referenčními hodnotami a tak je určen stav přístroje. Výsledkem ověření je prohlášení, že přístroj vyhovuje nebo nikoliv. Pro zajištění spolehlivosti výsledku jsou využívány vnitřní referenční veličiny navázané na etalon s redundantní architekturou. V případě Coriolisova průtokoměru je referenční signál generován druhým oscilátorem s nezávislou referenční frekvencí. Výsledkem ověření je zpráva, která obsahuje kvalitativní vyhodnocení ověřovaných parametrů ve formě vyhovuje/nevyhovuje.Zpráva o ověření přístroje je generována jeho webovým serverem nebo softwarem AMS. Může být implementována jako součást dokumentace o kvalitě (podle ISO 9001) nebo, jde-li o úlohy se zvýšenými požadavky na funkční bezpečnost, jako dokumentace o zkoušce funkce (pro splnění podmínek SIL). 4. Požadavky spolehlivostiPožadavky jsou vysoké: průtokoměr musí fungovat po celou dobu životnosti beze změn kvality měření. To je nutné k tomu, aby byla:zajištěna bezpečnost provozu závodu,zaručena vysoká kvalita produktů, zvýšena funkčnost a produktivita výrobních zařízení apod.Obr. 2. Předpoklady pro zvýšení provozní spolehlivosti zařízeníPro zvýšení provozní spolehlivosti je třeba splnit velké množství požadavků (obr. 2). Nejlépe jsou tyto požadavky splněny úplnou diagnostikou měřicího zařízení za provozu a metodami údržby podmíněné stavem zařízení. Jak již bylo uvedeno, efektivními metodami pro plánování údržby měřicích zařízení jsou sledování stavu a ověřování přístroje během celé doby provozu zařízení.Pro zajištění dlouhodobé stability měření je třeba splnit ještě další předpoklady. Prvním z nich je použití měřicí techniky, která je sama o sobě dlouhodobě stabilní a není citlivá na rušivé vlivy. Dalším významným předpokladem spolehlivosti moderních průtokoměrů je uplatnění funkcí samosledování podle doporučení NAMUR NE 107 Self-Monitoring and Diagnosis of Field Devices. Nejdůležitějším předpokladem je však to, že výsledky diagnostiky musí být spolehlivé a musí umožňovat uživatelům přijmout odpovídající opatření. V tomto ohledu je špatná diagnostika horší než žádná. Jestliže jsou výsledky diagnostiky nespolehlivé, chybné signály o stavu procesu a měřicího zařízení snižují bezpečnost procesů a funkční spolehlivost systémů. V tomto případě chybná diagnostika nevede ke stabilizaci procesu, ale naopak k jeho přerušení. To samé platí i pro kvalitu výsledků měření: bezpečnost provozu a kvalitu výrobku lze zajistit jen tehdy, je-li měření průtoku spolehlivé. Následující kapitoly proto pojednají o spolehlivém samosledování a měření průtoku.  4.1 Návaznost a dlouhodobá stabilitaMěřit znamená porovnávat aktuální hodnotu s hodnotou referenční. V průtokoměrech je signál aktuální hodnoty vysílán senzorem a v elektronice převodníku je porovnáván s referenční hodnotou. Pro zajištění přesných výsledků měření tedy musí být spolehlivá referenční hodnota. Proto je v průtokoměru implementována samosledovací funkce referenční hodnoty. Aby tato funkce dávala věrohodné výsledky, musí být samosledování založeno na navázaném referenčním systému s osvědčenou dlouhodobou stabilitou. To umožňuje dosáhnout vysoké úrovně stability kvality měření dokonce bez ověření vnějším kalibračním průtokoměrem (obr. 3).  4.1.1 NávaznostTermín návaznost je definován ve vztahu ke kalibraci. Návaznost je vlastnost výsledku měření nebo hodnoty etalonu, kterou je určen jejich vztah k národním nebo mezinárodním etalonům prostřednictvím nepřerušeného řetězce porovnání s uvedením příslušných nejistot2.Systém ověření je založen na referenčním signálu a odpovídající referenční hodnotě. Referenční hodnota je permanentně uložena v zařízení již při jeho výrobě.  Referenční systém je kalibrován s návazností na etalon již ve výrobním závodě. V případě Coriolisových průtokoměrů, stejně jako jiných měřicích principů využívajících měření času (jako jsou vírové nebo ultrazvukové průtokoměry), je pro analýzu frekvence měřicí trubice používán referenční oscilátor. U magneticko-indukčních průtokoměrů se používá referenční napětí – měřená hodnota je určována srovnáním napětí na elektrodách senzoru s referenčním napětím. Referenční hodnoty a podmínky v době kalibrace ve výrobním závodě jsou uložené v zabezpečené napěťově nezávislé paměti snímače, která se nazývá HistoROM, a současně v dokumentaci CER (Common Equipment Record). V CER společnost Endress+Hauser bezpečně ukládá data z celého životního cyklu všech zařízení. Uživatelé k nim v případě potřeby mohou přistupovat prostřednictvím nástroje W@MPortal.Výchozí bod vytvořený pro účely kalibrace v závodě představuje zdokumentované hodnoty a podmínky v době, kdy byl přístroj nový, tzn. před dodáním zákazníkovi. Proto jsou tyto informace platné po celou dobu životnosti přístroje a při rekalibraci je není třeba měnit.  4.1.2 Dlouhodobá stabilitaPrimární referenční hodnota je monitorována druhým, redundantním referenčním systémem, čímž je zaručeno, že po celou dobu životnosti přístroje nedojde k její změně. Dva referenční signály z primárního a sekundárního referenčního modulu (např. napětí nebo frekvence) jsou permanentně srovnávány a drift nebo odchylky jsou okamžitě detekovány a oznámeny uživateli prostřednictvím diagnostiky přístroje. Obr. 3. Ověření snímače 4.1.3 Nezávislost na provozních podmínkách a podmínkách okolíPrůtokoměry v průmyslu často pracují po mnoho let. Referenční hodnoty s dlouhodobou stabilitou zaručují, že odchylky způsobené stárnutím přístroje nebo vnějšími vlivy jsou extrémně nepravděpodobné. Ovšem jestliže se vyskytnou, jsou ihned detekovány kontinuálně pracujícím samosledovacím systémem integrovaným v přístroji. To zaručuje vysokou spolehlivost měření. Detekování změn v čase zabraňuje, aby přístroj pracoval mimo tovární specifikaci. To zvyšuje bezpečnost provozu a zaručuje konzistentní kvalitu produktu. 5. Ověření průtokoměruPro zajištění shody (kvality) produktu vyžaduje norma ISO 9001 určit, která měření a sledování je třeba provádět a které měřicí a monitorovací přístroje jsou třeba pro doložení shody výrobku se stanovenými požadavky. Pro zajištění ověřených výsledků musí být měřicí zařízení ve stanovených intervalech nebo před použitím kalibrována nebo ověřována prostřednictvím kalibračních přístrojů navázaných na národní nebo mezinárodní etalony. Záznam s výsledky provedené kalibrace nebo ověření musí být archivován.3Popsané požadavky může kompletně splnit jedině akreditované kalibrační zařízení pro průtokoměry s doloženou návazností. Akreditace znamená formální uznání oprávnění provádět specifické služby popsané v obsahu akreditace (v našem případě tedy kalibrovat průtokoměry) a je klíčová pro transparentnost, důvěryhodnost a srovnatelnost výsledků. Nejistota měření určená neakreditovaným kalibračním pracovištěm je obecně považována za nevěrohodnou. 5.1 Vnější a vnitřní ověřeníPožadavky normy ISO 9001 byly také popudem k zavedení současné běžné praxe požadovat pro ověření měřidla nezávislý referenční systém. Ovšem tak se neověřuje primární měřená veličina (průtok), ale jen to, že zařízení plní svou funkci. V praxi může být ověření průtokoměru provedeno dvěma způsoby: buď prostřednictvím vnějšího ověřovacího přístroje, jehož referenční systém je po celou dobu životnosti sledován a celý přístroj v pravidelných intervalech ověřován rekalibrací, nebo vnitřním ověřením, které je založeno na dlouhodobě stabilní vnitřní referenční hodnotě (viz též obr. 3 v předchozí části článku). V tomto případě jsou tovární hodnoty vnitřních referenčních veličin zaznamenány při kalibraci ve výrobním závodě a bezpečně uloženy v paměti průtokoměru. Tyto referenční hodnoty tvoří základ pro následné ověřování průtokoměru po celou dobu jeho životnosti. Pro průtokoměry existují různé metody ověření již mnoho let. Dříve ale nebyly k dispozici dlouhodobě stabilní vnitřní referenční systémy pro ověření průtokoměrů, a proto se vždy používaly kvalifikované vnější ověřovací přístroje. Nyní, u nejnovější generace průtokoměrů, jsou poprvé k dispozici spolehlivé vnitřní metody ověření. Dále budou porovnány obě metody a uvedeny jejich výhody a nevýhody v praxi. Obě metody ověření jsou ovšem jen doplňkem kalibrace. Ověření přístroje není totéž jako kalibrace průtokoměru, a proto ověření neodstraňuje nutnost kalibrace.5.1.1 Vnější ověřeníK ověření průtokoměru je možné použít vnější ověřovací přístroj. Ten představuje nezávislý referenční systém a podle ISO 9001 je považován za zkušební zařízení, proto musí pravidelně procházet kalibrací. Při ověřování je přístroj připojen k průtokoměru prostřednictvím zkušebního rozhraní, simulují se referenční signály a sleduje odezva systému. Referenční signály pro převodník jsou generovány simulátorem a referenční signály do senzoru prostřednictvím zkušebního modulu senzoru. V obou případech jsou zkoušeny elektrické vlastnosti systému. Výsledky se porovnávají s hraničními hodnotami danými výrobcem. Na obr. 4 je znázorněno ověření magneticko-indukčního průtokoměru Promag od firmy Endress+Hauser prostřednictvím přístroje pro ověření FieldCheck.Obr. 4. Ověření elektromagnetického průtokoměru Promag (Endress+Hauser) Signály převodníku a senzoru jsou simulovány automaticky a navzájem nezávisle. Přístroj automaticky měří odezvu průtokoměru a vyhodnocuje výsledky: jestliže jsou naměřené hodnoty v intervalu daném výrobcem, algoritmus automaticky stanoví, že zařízení vyhovuje. Stav ověření a změřená data jsou následně použity pro dokumentaci výsledků ve zprávě o ověření. Moderní přístroje pro ověření, jako je FieldCheck od firmy Endress+Hauser, se o celý proces postarají automaticky: zkontrolují průtokoměr, simulují měřené hodnoty a zdokumentují data pro další zpracování. Nehledě na to je však vnější ověření průtokoměru velmi složitá procedura, která vyžaduje přístup k měřicímu místu v provozu. V průběhu ověření je nutné převodník otevřít, aby do něj bylo možné prostřednictvím speciálního zkušebního adaptéru zavést vnější vstupní signály. Ověření tedy mohou vykonávat jen zkušení technici a vyžaduje přibližně třicet minut. Jsou nutné specifické znalosti o montáži průtokoměru a jeho údržbě. To je důvod, proč je ověření většinou zajišťováno jako služba, tj. jako součást servisní smlouvy.  5.1.2 Vývoj metod a techniky pro vnitřní ověřeníVnitřní ověření je založeno na schopnosti zařízení ověřit svou vlastní funkci vestavěnými zkušebními procedurami, které lze spustit na vyžádání. Jednotliví výrobci měřicích zařízení do průtokoměru integrují diagnostické, samosledovací a ověřovací funkce, které lze u všech instalovaných přístrojů využívat jednotným způsobem. Příkladem jsou průtokoměry Proline od firmy Endress+Hauser s vestavěnou samodiagnostikou Heartbeat Technology. V průběhu ověřování průtokoměru jsou aktuální hodnoty sekundárních parametrů srovnávány s jejich referenčními hodnotami, z čehož je možné posoudit stav přístroje. Výsledkem ověření je výrok „vyhovuje“ nebo „nevyhovuje“. Jednotlivé zkoušky a jejich výsledky jsou zaznamenány v paměti průtokoměru a mohou být využity pro vytištění zprávy o ověření přístroje.  5.1.3 Spolehlivost metod vnitřního ověřeníSpolehlivost výsledků ověření je založena na využití referenčních hodnot s redundancí, návazných na etalonové hodnoty, které jsou součástí systému pro ověření měřicích zařízení. V případě magneticko-indukčních průtokoměrů je to referenční napětí, které představuje sekundární nezávislou referenční veličinu. Integrovaná autodiagnostika nahrazuje potřebu vnějšího zkušebního zařízení jedině v případě, že je založena na redundantním referenčním systému navázaném na podnikové etalony. Spolehlivost a nezávislost zkušební metody jsou zajištěny kalibrací nebo ověřením referenčních hodnot v závodě a nepřetržitým sledováním jejich dlouhodobé stability v průběhu celé doby života výrobku. Vnitřní ověření přístroje odstraňuje nutnost používat vnější a doplňková zařízení a odstranit možnost špatné manipulace s nimi, proto je v praxi spolehlivější než vnější ověření.  5.2 Diagnostické pokrytíOtázka diagnostického pokrytí může být osvětlena na specifickém příkladu: požadavek na vysoké diagnostické pokrytí je splněn, jestliže je při konstrukci měřicího zařízení počítáno s jeho samosledováním jako s jeho integrální součástí už od samého počátku. Například funkce Heartbeat Technology byly vyvíjeny současně s průtokoměry Proline. Díky tomuto konceptu jsou ve všech elektronických modulech přístroje k dispozici diagnostické zkoušky. V nových průtokoměrech Endress+Hauser je tento koncept plně začleněn, a proto je diagnostické pokrytí srovnatelné nebo vyšší než při vnějším ověření. Základním parametrem je TTC – Total Test Coverage, který uvádí, jak účinné a věrohodné zkoušky jsou. Hodnota faktoru TTC je vyjádřena pro náhodné závady následujícím vzorcem (výpočet je založen na metodě FMEDA podle IEC 61508):TTC = (λTOTλdu) / λTOT kdeλTOT je počet teoreticky možných závad,λdu počet nedetekovaných nebezpečných závad.Jako „nebezpečné“ závady se označují ty, které mohou zkreslit měření nebo je přerušit. Integrované samosledující funkce průtokoměrů Proline obecně detekují více než 95 % všech potenciálních závad (TTC > 95 %). Například Coriolisův průtokoměr Proline Promass 100 má pokrytí TTC = 96 %.  5.3 Případové studieVelké diagnostické pokrytí umožňuje použít funkci ověření pro kontrolu funkčnosti měřicího zařízení v měřicích bodech souvisejících s kvalitou výsledného výrobku a pro průtokoměry použité v systémech souvisejících s funkční bezpečností (SIS). V současné době je běžnou praxí zajišťovat kvalitu měření průtokoměrů pravidelnou kalibrací za použití těchto metod: kontrola měřené hodnoty kalibračním zařízením: měřená hodnota je rekalibrována s využitím kalibračního zařízení, jež splňuje podmínky normy ISO 17025 (všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří), přičemž kalibraci lze provést na místě pomocí mobilního kalibračního zařízení, nebo ve výrobním závodě, což je však spojeno s nutností průtokoměr demontovat a odeslat do laboratoře, kontrola měřené hodnoty přes sumátor průtokoměru: měřeným médiem se naplní kalibrovaná měřicí nádoba, přičemž průtok při plnění odpovídá zhruba limitní hodnotě průtoku, který má být sledován, a poté se odměří množství média v nádobě a údaj se porovná s údajem sumátoru průtokoměru.Kontrola měření kalibrací pokrývá 98 % nebezpečných nedetekovaných poruch. V případě úloh spojených s funkční bezpečností je tedy diagnostické pokrytí PTC (Proof Test Coverage) 98 %. Naproti tomu při použití vnitřního ověření, např. funkcí Heartbeat Technology u průtokoměrů Proline, mohou uživatelé zkoušet průtokoměry instalované v provozu. Protože zkouška je realizována vnitřním diagnostickým systémem, celkové diagnostické pokrytí TTC dosažené touto metodou je 95 % a lepší. Toto pokrytí se týká i dokumentace zkoušek v úlohách, kde se sleduje kvalita výsledného výrobku.  5.4 Ověření senzoruElektronika je navíc schopná na vyžádání také ověřit funkce senzoru. Při tom se ověřuje funkčnost a celistvost senzorového systému. V případě Coriolisových průtokoměrů Promass se zkouší funkce elektrodynamického budiče, elektrodynamických senzorů a senzorů teploty, stav kabelů, konektorů a měřicí trubice. U magneticko-indukčních průtokoměrů Promag se ověřuje budicí systém a proud v cívce. U vírových průtokoměrů Prowirl je předmětem ověření elektrická a mechanická celistvost vírového senzoru a senzoru teploty. Tímto způsobem je možné detekovat systematické chyby způsobené vlastnostmi média nebo provozními podmínkami.  5.5 Další výhody vnitřního ověření Výsledky vnitřního ověření jsou stejné jako v případě ověření vnějšího: je to určení, zda přístroj vyhověl nebo nevyhověl, a zaznamenány jsou také nezpracované naměřené hodnoty. Jestliže však je ověření součástí přístroje, je možné sběr dat a jejich interpretaci realizovat přímo v přístroji. Výhodou je to, že údaje o funkčnosti jsou potom dostupné prostřednictvím všech ovládacích a servisních rozhraní. Postup ověření závisí na měřicím principu a trvá od několika sekund do přibližně deseti minut. Skutečná úspora času ovšem spočívá ve snadném použití, protože pro ověření není třeba žádné složité nastavování a komunikace s měřicím přístrojem. Začlenění funkce ověření do měřicího přístroje přináší množství dalších výhod, které jsou založené na zjednodušení celého procesu ověření.  5.5.1 Bezpečnost a kvalitaOvěření měřicího bodu je možné spustit podle potřeby ze všech ovládacích rozhraní (místního displeje nebo webového serveru), stejně jako ze servisních rozhraní dostupných prostřednictvím komunikačních sítí (HART, Profibus, Foundation Fieldbus, Modbus nebo EtherNet/IP; obr. 5). Proces ověření je možné spustit také ze systémů vyšší úrovně (AMS nebo PLC). Výsledkem je spolehlivé ověření stavu přístroje. Přitom není třeba přístup do provozního prostředí, což snižuje riziko pro obsluhu. Lepší je také kvalita výsledků ověření, protože se snižuje riziko omylů a lidských chyb.Obr. 5. Možnosti spouštění a ovládání procesu ověřování průtokoměrů Vnitřní ověření je možné realizovat mnohem častěji než vnější – denně nebo před začátkem každé výrobní dávky –, protože je snadno dostupné a celý proces trvá jen několik minut, bez nutnosti přerušit nebo ukončit probíhající výrobní proces. To zvyšuje bezpečnost a spolehlivost provozních zařízení a pomáhá zvýšit kvalitu výsledného produktu.  5.5.2 Vyšší dostupnost provozních zařízeníPřístroje s vnitřním ověřením mohou ukládat výsledky ověření v paměti převodníku. To platí nejen pro výsledek ověření (vyhověl/nevyhověl), ale i pro měřené hodnoty. Výhodou je, že data jsou dostupná pro pozdější dokumentaci a je možné off-line vytvářet zprávy o ověření jako součást dokumentace o kvalitě výrobku. Navíc lze srovnáním výsledků zkoušek v čase detekovat trendy a sledovat je po celou dobu životnosti měřicího zařízení. Tak lze sledovat stav měřicího zařízení v čase a vliv provozních parametrů na výsledky měření. To pomáhá při prevenci neočekávaných poruch. A nakonec, tato data je možné využít také pro lepší plánování údržby. Výsledkem jsou úspory nákladů vyplývající z lepší dostupnosti provozních zařízení a zvýšené efektivity servisu a údržby.  5.6 Elektronická dokumentace výsledků ověření Ruční záznam dat při dokumentaci činnosti systémů pro ověřování je již považován za zastaralý a nahradila jej elektronická dokumentace (obr. 6), odolná proti dodatečné manipulaci a snižující riziko lidských chyb. To, že operátor nemusí výsledky zkoušek zapisovat na papír, celý proces zrychluje a v důsledku toho také snižuje náklady. Zvyšuje se kvalita výsledků ověření, protože se v nich vyskytuje méně chyb způsobených lidskými omyly.Obr. 6. Protokol o ověření průtokoměru Data získaná při ověření mohou být dále předána do softwaru pro správu zařízení – AMS, kde jsou archivována a analyzována: kromě výsledků ověření (vyhovuje/nevyhovuje) se zaznamenávají aktuální hodnoty všech měřených veličin. Tato data mohou být využívána pro sledování trendů po celou dobu životnosti měřicího zařízení – umožňují usuzovat, jaký je stav měřicího zařízení, a omezovat neočekávaná selhání.Velkou výhodou ověření je skutečnost, že pro ně není třeba demontovat průtokoměr z potrubí, a proto může být realizováno bez přerušení procesu. To výrazně snižuje nejen náklady ve srovnání s kalibrací, ale také  počet potřebných odstávek.  6. Kalibrace a ověřeníOvěření je ideálním doplněním rekalibrace průtokoměrů, zvláště tam, kde je nutné počítat s možností výskytu systematických chyb. „Systematickou“ chybou je zde míněna chyba, jejíž příčinou je způsob použití průtokoměru nebo vliv provozních podmínek. Příkladem může být koroze senzoru, jestliže je použit materiál, který pro dané médium není nejvhodnější. Do této kategorie chyb spadají též rostoucí nejistota měření vlivem nepříznivých provozních podmínek nebo nesprávné montáže. Příčina je vždy ve vzájemné vazbě mezi měřicím přístrojem a měřeným mé­diem nebo okolím. Příčiny se navíc zpravidla vyskytují již při instalaci snímače nebo mohou být zjištěny při jeho oživování. Systematickým chybám lze zabránit správným výběrem snímače, jeho správnou montáží a uvedením do provozu. To je také důvod, proč se v praxi vyskytují relativně zřídka. Jestliže se taková chyba přesto vyskytne, je často detekována a odstraněna už na začátku životního cyklu měřicího přístroje. Obr. 7. Vanová křivka pravděpodobnosti selháníNa obr. 7 je vanová křivka, která ilustruje pravděpodobnost selhání přístroje v průběhu jeho životního cyklu. Podle ní k 70 % selhání dochází v počáteční fázi používání přístroje. Potom pravděpodobnost selhání rychle klesá a po dlouhou dobu zůstává nízká a konstantní. Na konci životnosti se pravděpodobnost selhání opět zvyšuje. Nejde ovšem už o vliv systematických chyb, ale projevuje se přirozené stárnutí komponent. Zkušenosti ukazují, že moderní průtokoměry, které nemají žádné pohyblivé části, jež by podléhaly opotřebení, mají zhruba stejnou křivku životního cyklu. Jejich technická životnost může bez problémů přesáhnout deset let. Díky znalosti této křivky mohou uživatelé optimalizovat intervaly kalibrace a ověření svých měřicích zařízení. Jestliže je zařízení již vyzkoušeno v provozu – v praxi k tomu dochází zpravidla po jednom nebo dvou letech –, je možné konstatovat, že potenciál výskytu systematických chyb, zvláště těch, které jsou způsobeny vlivem provozních podmínek působících na senzor, je velmi omezený. To znamená, že se snímač nachází v plochém dnu křivky. V této fázi poskytuje ověření výsledky srovnatelně spolehlivé jako rekalibrace. Je to proto, že spontánní chyby jsou v této fázi životnosti způsobeny nejčastěji elektronickými komponentami a diagnostika elektroniky v převodníku je snadná a spolehlivá. To umožňuje měřicí přístroje zkoušet jen ověřením. Kalibraci sice není možné zcela pominout, ale intervaly mezi rekalibracemi je možné prodlužit např. z jednoho roku na tři. To šetří provozní náklady, protože náklady na rekalibraci jsou tvořeny nejen náklady na vlastní proces zkoušení, ale také náklady na dopravu rekalibrovaného přístroje a zvláště náklady na nutnou odstávku zařízení.   První ověření přístroje, k němuž dochází již při uvedení do provozu a kdy jsou také stanoveny příslušné ověřovací procedury, dokumentuje stav přístroje, který je „jako nový“, a pomáhá odstranit systematické chyby. V první fázi životního cyklu je třeba měřicí schopnosti a celistvost průtokoměru monitorovat záznamem výsledků kalibrací i ověření. Jestliže kalibrace ukazuje, že měřicí schopnosti zůstávají beze změny po několik cyklů rekalibrace, lze systematické chyby vyloučit a přístroj považovat v dané úloze za vyzkoušený a osvědčený. Poté lze intervaly rekalibrace prodloužit, zatímco intervaly ověření zůstanou zachovány.Častější sledování parametrů ověřením (denně nebo před každou novou výrobní dávkou) usnadňuje identifikaci změn měřicích vlastností přístroje a zvyšuje důvěryhodnost výsledků:u přístrojů zkoušených pravidelným ověřením se zvyšuje kvalita výsledků, protože odchylky v provozu jsou odhaleny mnohem dříve, sledováním trendů v čase je možné včas učinit nápravná opatření, dříve, než dojde k selhání přístroje, a tím snížit náklady na údržbu a omezit neplánované odstávky zařízení, protože náklady na ověření jsou výrazně menší než náklady na rekalibraci, je možné přístroje ověřovat mnohem častěji, a tím se zvyšuje spolehlivost měření a kvalita výsledného výrobku, protože ověření lze realizovat u průtokoměrů pracujících na libovolných měřicích principech, lze ji použít i tam, kde by rekalibrace byla ekonomicky nezdůvodnitelná. 7. ZávěrObr. 8. Zajištění vyšší spolehlivosti průtokoměrů autodiagnostikou, sebemonitorováním a ověřenímPrůtokoměry, jejichž nedílnou součástí je funkce samosledování, mají vyšší spolehlivost. Uživatelům přinášejí výhody třemi způsoby (obr. 8).1. Neustálá samodiagnostika umožňuje reagovat rychle a cíleně na poruchu přístroje nebo na problém s danou měřicí úlohou. Jestliže diagnostický systém generuje specifické hlášení a doporučí opravné opatření, je řešení problémů velmi rychlé.2. Jestliže je informace z autodiagnostického systému exportována ze zařízení do nadřazeného systému, lze ji využít pro sledování stavu zařízení. Neustálý dohled nad stavem zařízení a probíhajícími procesy umožňuje na základě sledování trendů realizovat proaktivní opatření a tak omezit neplánovanou údržbu.3. Spolehlivé metody samosledování jsou založené na továrních navázaných referenčních veličinách, které mají velkou a dlouhodobou stabilitu. Tyto metody je možné použít pro vnitřní ověření průtokoměrů a dokumentaci pro účely řízení kvality (ISO 9001) nebo i pro bezpečnostní úlohy (SIL – opakující se funkční zkoušky) a pro ověření metrologických požadavků (stanovená měřidla). Modularita řešení umožňuje přizpůsobit funkce autodiagnostiky, samosledování a ověření požadavkům dané úlohy. Tím, že se pro širokou škálu zařízení využívá jednotná sada funkcí, je zajištěno konzistentní ovládání všech instalovaných měřicích přístrojů. Protože řada převodníků Proline s funkcí Heartbeat Technology je v oblasti měření průtoku vhodná pro všechny instalované průtokoměry, mohou zákazníci optimalizovat své pracovní procesy prostřednictvím důsledné standardizace. To omezuje složitost navrhovaných řešení a umožňuje realizovat další úspory v oblasti inženýrinku, provozu, servisu a údržby.  Gernot Engstler, Endress+Hauser Product Management1 Jde o diagnostické ověření, a ne o metrologické ověření stanovených měřidel.2 Zdroj: Mezinárodní úřad pro míry a váhy BIPM. Úkolem BIPM je zajistit celosvětovou jednotnost měření a její návaznost na etalony mezinárodního systému jednotek SI. Viz http://www.bipm.org3 Zdroj: EN ISO 9001:2008; kapitola Měřicí zařízení.

ROTAMASS Total Insight – když chcete mít jistotu, že měříte přesně

Věkovitý (108 let!) výrobní závod ROTA-YOKOGAWA v německém Wehru je stejně jako prudce tekoucí Rýn pod jeho okny rapidně expandujícím podnikem, zejména v posledních pěti letech. Průtokoměry na Coriolisově principu ROTA vyrábí již 24. rok, avšak s masivními investicemi (přibližně 13 milionů eur) do inovací ve výrobě a do nejmodernějšího kalibračního střediska na kontinentu byly položeny zdravé základy pro čtvrtou generaci průtokoměrů ROTAMASS TI, jež jsou na trhu od května 2016. Přesné automatické ohýbání trubic, jejich digitální párování, vakuové niklové pájení, nové odladění harmonických kmitů a mnoho dalších inovací zvýšily úroveň kvality nové řady průtokoměrů. Zavedení japonského systému řízení výroby nebylo snadné, ale minimalizace zmetkovitosti a nulová výroba na sklad přinášejí jednoznačné ekonomické výsledky. Odcházející třetí generace průtokoměrů Rotamass měla jeden typ převodníku a jednu řadu senzorů, které se lišily požadovaným procesním připojením nebo doplňkovým parním otopem. Optimálně uspokojit různorodé požadavky, zejména malou tlakovou ztrátu, nebylo v podstatě možné. Průtokoměry Rotamass TI se senzory Nano (vnitřní průměr trubic od 0,9 mm), Prime Obr. 1. Coriolisův průtokoměr Rotamass TI Prime RCUP25S 78 pro průtok do 2 300 kg/h(obr. 1: nová konstrukce s poloviční tlakovou ztrátou ve srovnání s předchozími typy), Supreme (nejpřesnější řada s inovovanými senzory), Intense (bezpečný snímač pro vysoké tlaky), Hygienic (koncept Prime se specifickými připojeními pro farmacii a potravinářství) a Giga (největší průtoky s velkou stabilitou nuly) s převodníky Essential a Ultimate s konceptem FOD (Features On Demand – vlastnosti na vyžádání) vycházejí přáním zákazníků plně vstříc. Nové převodníky mají mnoho vylepšení. Desetkrát rychlejší odečet fázového posunu (10 ms), zdokonalený digitální signálový procesor s Hilbertovou transformací a 32bitovým zákaznickým A/D převodem, zdvojené a přepínané snímání fázového posunu s automatickou kalibrací nuly v intervalu 20 ms a PI regulátor buzení s navýšením +30 % energie do budiče vedou k možnosti rychlého dávkování, větší přesnosti, stabilitě nuly a k přesnému měření i při výrazném zavzdušnění potrubí (pětkrát nižší chyba).Převodník má šest nezávislých čítačů a čtyři sady uživatelských nastavení. K měření koncentrací lze využít čtyři nezávislé sady převodních tabulek nebo je spojit do dvou velmi detailních, s možností dálkového přepínání kontaktním vstupem. Pomocí prostředí Fieldmate je možné nastavení pro měření koncentrací provést u zákazníka, bez nutnosti intervence z výrobního závodu. Převodníky nyní také umožňují dynamickou kompenzaci vlivu statického tlaku na tuhost měřicích trubic, přestože díky mimořádně robustním měřicím trubicím je vliv změn tlaku zanedbatelný a oproti přístrojům jiných výrobců přibližně 8,5krát menší. Koncepce Total InsightPrůtokoměry Yokogawa Rotamass TI (Total Insight) snižují provozní výdaje zákazníka v kaž­dé fázi svého životního cyklu (obr. 2). Obr. 2. Pohled na průtokoměr v celém životním cykluNa počátku životního cyklu stojí „zjednodušený výběr“ vhodného průtokoměru. Šest produktových řad detektorů (viz přehled trhu na str. 32) se specifickými užitnými vlastnostmi, rozmanitá procesní připojení, dva typy převodníků Essential a Ultimate s odlišnou specifikací souboru funkcí i přesnosti a sedmnáct různých variant konfigurace čtyř výstupních i vstupních kanálů poskytují prostor pro každý specifický požadavek zákazníka. Prostřednictvím uživatelsky příjemného prostředí výpočtového softwaru Flow Configurator je s využitím vstupních údajů snadné nalézt optimální rovnováhu mezi přesností měřidla ve stanoveném rozpětí, tlakovou ztrátou a světlostí, tedy pořizovací cenou.„Odborný průvodce“ napomáhá k snadnému, přívětivému a rychlému zprovoznění i při složitějších úkolech, jako je dávkování, měření koncentrace, měření podílu oleje či jiného produktu v nosném médiu apod. Nová funkce „hlídač procesu“ detekuje podmínky, které jsou třeba k tomu, aby průtokoměr měřil s určenou přesností: tlak média, jeho teplotu, vibrace potrubí, zavzdušnění, ztrátu média, zanášení, přicpání a erozi nebo korozi trubic. Obr. 3. Variabilní informativní displej s možností zobrazení trendůKontroluje posun nuly a podmínky při její kalibraci. Rozlišuje události a generuje hlášení týkající se poruch měřidla (16), abnormalit procesu (27), chybných nastavení (39) nebo jen upozornění na blížící se problém (34). Správce událostí umožňuje nastavit interpretaci a chování průtokoměru nejen podle pravidel NAMUR NE 43 (Standardisation of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters) a NE 107 (Self-Monitoring and Diagnosis of Field Devices), ale také podle zadání uživatele. Tím lze předejít zahlcení nadřízeného systému alarmovými hlášeními a umožnit předávat jen ta nezbytně nutná. Kromě trendu na displeji (obr. 3) se události podle předvolby zaznamenávají do vnitřní paměti a na kartu microSD, se zápisem tří bloků před událostí a tří bloků po události, takže následná analýza příčin problémů je velmi jednoduchá.„Manažer údržby“ za provozu periodicky kontroluje základní funkční celky průtokoměru:obvody budiče,obvody senzorů,stav (tuhost) trubic,hardware i software převodníku.Přístup k převodníku je tříúrovňový (obsluha, údržba, specialista) s nastavitelným rozsahem povolených úkonů. Při použití v úlohách s požadovanou funkční bezpečností SIL 2 je přístup k nastavením blokován. S pomocí diagnostického softwaru Fieldmate lze vytisknout nastavení přístroje i s vypočtenou očekávanou chybou měření průtoku, hustoty, koncentrace a po kontrole celkového „zdravotního“ stavu lze vytisknout protokol potvrzující spolehlivost a přesnost měření bez jeho přerušení. K převodníku je možné se připojit bez nutnosti otevírat kryty prostřednictvím sběrnice Modbus a bezdrátového servisního portu IrDA.„Mobilita dat“ je další funkce v životním cyklu průtokoměru. Zabezpečuje ji karta microSD (1 GB) pro zálohování, multiplikaci nastavení, variantní nastavení podle úlohy a zejména pro dálkovou údržbu a servis. Karta rovněž obsahuje instrukční manuály, výkresovou dokumentaci, Fieldmate Lite, soubory DD (Device Description) a DTM (Device Type Manager), komunikační nástroj pro Modbus, kalibrační a jiné certifikáty, seznam náhradních dílů a nastavení výrobce i uživatele.Protože se během užívání průtokoměru mohou požadavky a podmínky měření měnit, uživatelé u převodníku Ultimate ocení funkci „zdokonalená flexibilita“. Tato funkce umožňuje po zakoupení licencí a přidělení hesel odemykat přídavné funkce, které přístroj má interně k dispozici, ale nebyl důvod je při původní investici nakupovat (řízení dávkování, měření běžné i detailní koncentrace, výpočet množství oleje a plynné složky podle americké petrochemické normy API, kontrola netěsnosti trubic, měření viskozity, výpočet výhřevnosti – i v anglosaských jednotkách BTU, referenční hustota podle API, kontrola zdravotního stavu trubic).Koncept Total Insight dává tedy uživateli jistotu, že:jeho výběr měřidla vzhledem k zadání byl optimální a zbytečně neplatí víc, než musí,nastavení a nulování průtokoměru jsou v pořádku (ví, jakou chybu může očekávat),průtokoměr dá včasné varování, když očekávaná přesnost není vlivem provozních podmínek dosažitelná,průtokoměr dá informaci o svém zdravotním stavu, kterou lze dokladovat, a zavolá ho k údržbě, když to bude potřebovat,má všechny doklady, certifikáty i údaje k servisu a údržbě vždy k dispozici,bude-li potřebovat rozšířit soubor funkcí měřidla, nemusí kupovat nové nebo je posílat zpět výrobci.Jak zajistit nepřetržitou kvalitu měření?Svou popularitu získaly Coriolisovy průtokoměry, i přes svou nemalou pořizovací cenu, vynikající přesností, přímým měřením hmotnostního průtoku, spolehlivostí a malou tlakovou ztrátou. Ve velké míře jsou využívány v chemickém průmyslu, kde nevodivost média nebo požadovaná přesnost neumožňují použít levnější indukční průtokoměry. Stabilní kvalita produkce v chemickém průmyslu velmi těsně souvisí s dodržením konstantních výrobních podmínek, a tedy i se stabilitou použitých měřidel průtoku. Jejich periodická kalibrace poskytuje uživateli údaj o nejistotě za laboratorních podmínek, jestliže se průtokoměry kalibrují mimo provoz, nebo o celkové nejistotě za provozních podmínek při použití pojízdných kalibrátorů. V obou případech je kalibrace velmi nákladný, časově náročný a při požadavku na nepřetržitý provoz někdy těžko proveditelný úkol (obr. 4). K ceně za kalibraci je nutné připočítat také demontáž, čištění, balení, dopravu, montáž a zprovoznění.Obr. 4. Jaké jsou náklady na jednoduchou rekalibraci, je-li průtokoměr umístěn v takovéto lokalitě?Přestože Coriolisovy průtokoměry mají robustní konstrukci a Yokogawa mezi výrobci vyniká tloušťkou stěn měřicích trubic (3,9 až 12 % z vnitřního průměru), může při měření abrazivních nebo chemicky agresivních médií docházet k mírnému opotřebení a ztenčení stěny a tím i poklesu tuhosti trubic. Yokogawa intenzivně testovala vliv korozního opotřebení na přesnost a zjistila, že např. u měřidla Supreme 36 (0,5 až 10 t/h) úbytek tloušťky trubice o 0,05 mm (4 %) způsobí pokles tuhosti a tím i nárůst chyby na 3 % z okamžitého hmotnostního průtoku a přibližně 6,5 % z okamžité hustoty. Stabilní kvalitu měření Coriolisovými průtokoměry lze zajistit jen včasnou kontrolou změny tuhosti měřicích trubic. Klasická diagnostika elektrických obvodů a chodu firmwaru není pro posouzení stavu průtokoměru dostačující. Princip činnosti hmotnostního Coriolisova průtokoměruObr. 5. Princip měření Coriolisova hmotnostního průtokoměruAby bylo zřejmé, jak souvisí změna tloušťky stěny trubic s jejich kalibračním faktorem, bude užitečné si připomenout trošku teorie související s Coriolisovými průtokoměry. Na obr. 5 je ve stručnosti popsán princip funkce průtokoměru. Měřené médium prochází dvěma trubicemi ve tvaru U, které jsou pomocí budiče E rozkmitány a oscilují na vlastní rezonanční frekvenci fC s úhlovou rychlostí Ω. Pohybuje-li se hmotný bod média δm od středu rotující trubice rychlostí v, působí kolmo na jeho dráhu tzv. Coriolisova síla Fc, na obrázku F1, která se snaží brzdit rotační pohyb trubice. Naopak v případě, že se hmotný bod pohybuje ke středu otáčení trubic, je účinek síly Fc = F2 souhlasný s pohybem trubice a její výchylka při oscilacích je větší. Coriolisova síla vyjádřená vztahem (1) působí na poloměru d krouticím momentem TC (2) a způsobuje zkroucení měřicích trubic o úhelθ. vzorec (1)vzorec (2)Dosadí-li se místo hmotnosti m součin hustoty média ρ, vnitřního průřezu S a délky trubky l, kde Coriolisova síla vzniká, a 2Ω×v místo zrychlení aC, získá se vztah, ve kterém lze přeskupením činitelů v součinu osamostatnit hmotnostní průtok Qm = ρSV. Pak vychází, že zkroucení o úhel θ je úměrné krouticímu momentu, který přímo souvisí s hmotnostním průtokem (3). vzorec (3) Pohyb trubic je snímán dvojicí senzorů S1 a S2 umístěných na příčných ramenech trubic (cívka–magnet). Je-li průtok nulový, Coriolisova síla nepůsobí, trubice kmitají paralelně a signály senzorů mají identický sinusový průběh. Nenulový průtok způsobuje zakřivení trubic a signál ze senzoru S2 se proti S1 začíná zpožďovat, viz obr. 5. Vyhodnocením fázového posunu Δφ lze detekovat krouticí moment Coriolisovy síly a tím kvantifikovat hmotnostní průtok. V praxi jsou trubice namáhány nejen na krut, ale také na ohyb, uplatňuje se jejich tvar, který je odlišný od zidealizovaného tvaru U, pro který platí uvedené vztahy. Zavádí se tzv. konstanta senzoru SK (T, p, ρ), zohledňující jeho konstrukci (4). Protože rezonanční frekvence trubic a tím i úhlová rychlost Ω závisejí na hustotě média v trubicích, je tato konstanta senzoru závislá na hustotě a také na teplotě i tlaku. vzorec (4) kdeQm je hmotnostní průtok (kg/h),SK konstanta senzoru (Hz·kg/h),fr   rezonanční frekvence (Hz),φ   zkroucení trubice (rad).Pro potřeby kalibrací a srovnávání průtokoměrů byla zavedena konstanta SK20, udávající hodnotu konstanty při 20 °C, tlaku 100 kPa a hustotě vody. SK20 je přímo úměrná tuhosti trubic K. Pro zjednodušení je ve vztahu (5) uvedena tuhost přímé trubky namáhané na ohyb. vzorec (5) kdeE (T, p) je Youngův modul pružnosti,do vnější průměr trubic,di  vnitřní průměr trubic,l    délka vyložení (poloměr ohybu trubic).Ze vztahu (5), ve kterém vnitřní světlost trubky figuruje ve čtvrté mocnině, je zřejmý zásadní dopad ztenčení stěny trubky na její tuhost a tím i na měření hmotnostního průtoku. Kontrola zdravotního stavu trubicZpůsob periodické kontroly tuhosti trubic (tube health check) je patentově chráněn (JP 4952820 B2). Vychází z poznatku, že rezonanční frekvence fC je dána tuhostí trubic K a hmotností média mf a trubic mt podle vztahu (1). Zmenšující se tuhost má za následek pokles rezonanční frekvence: vzorec (6) Obr. 6. Reakce amplitudy kmitů trubic na změnu zesílení budičeDo vztahu (4) pro hmotnostní průtok Qm vstupuje rezonanční frekvence ve jmenovateli, a tedy pokles tuhosti vede ke kladné chybě průtoku. Vnitřní tvar trubic, jejich strukturu, tuhost i vnitřní objem – tedy hmotnost média v trubicích – ovlivňuje zvláště koroze či eroze. Tuhost má určitou retenční schopnost zachovat stávající amplitudu kmitů do jisté míry na původní úrovni. Zmenší-li se tuhost, je reakce na změnu amplitudy buzení rychlejší – strmost α změny amplitudy kmitů na snímané frekvenci je větší (obr. 6). Jestliže se sníží buzení o určitou hodnotu (na obr. 6 jen informativní hodnota), bude se amplituda na senzorech snižovat po dobu τ, dokud se neustálí na nové hodnotě. Na počátku kontroly se změří referenční tuhost (obr. 7). Obr. 7. Kontrola zdravotního stavu trubicNásledně lze např. s měsíční periodou provádět ověřovací měření, které trvá přibližně 90 s. Protože teplota a tlak mají na tuhost trubic podstatný vliv, doporučuje se vykonávat kontrolu v ustáleném režimu, tedy při přibližně stejné teplotě, tlaku i zavzdušnění. Ideální je měřit při uzavřeném potrubí, ale není to podmínka. Jedno měření nemá žádný význam. Je nutné vykonat několik měření, kdy převodník uchovává trend strmostí α1, α2 a skokových změn budiče G1, G2 a z nich vypočtené referenční tuhosti Kd (7). KF je kalibrační faktor zjištěný při prvotní kalibraci. Pro následné referenční vyhodnocování tuhosti trubic Kd se stanoví KF = 1.vzorec (7) kde fC20 je rezonanční frekvence trubic při 20 °C,Md = mt + mf referenční hmotnost trubice i média.Změna referenční tuhosti o 0,1 % odpovídá nárůstu chyby měření o 0,1 %. Jestliže naměřené výsledky vypadají jako na obr. 8, lze nastavením hraniční hodnoty změny tuhosti indikovat termín nutné rekalibrace, nechce-li uživatel dopustit horší přesnost. Tato funkce bezpečně vyhodnotí nárůst chyby o 0,1 % a limita je nastavitelná od 0,1 do 5 %.Obr. 8. Nastavení limitní chyby a kalibračního intervaluKontrola zdravotního stavu trubic představuje cennou doplňkovou funkci průtokoměru Rotamass TI, která dává celkem reálnou představu o dosahované přesnosti za provozu a je schopna snížit náklady na údržbu a zabránit zbytečnému zastavení výroby.Rotamass TI tak nastavil nový, nejvyšší standard užitných vlastností, robustnosti a přesnosti mezi Coriolisovými průtokoměry na trhu. Vylepšením specifikací při reálných provozních podmínkách a podporou v průběhu životního cyklu přináší novou kvalitu všem uživatelům.Tomáš Zetek, Yokogawa CZ/SK

Problematika zavádění konceptu Industry 4.0 – díl IV.

Čtvrtý článek seriálu o problematice zavádění Industry 4.0 navazuje na předchozí tři díly, v nichž jsme se postupně věnovali zejména úlohám integrace z pohledu různých typů automatizačních úloh (díl II.) a roli průmyslových komunikačních sítí ve stávajících výrobních podnicích (díl III.). Ve čtvrtém dílu se zaměříme jednak na to, co by vlastně výrobní firma měla od uplatňování této strategie očekávat, jednak na některá doporučení, jak by implementace této strategie do praxe měla v reálném prostředí výrobních firem probíhat.  Jak přistoupit k realizaci strategie Industry 4.0 Aby byly splněny cíle stanovené ve vizích a představách investora, je nutné během procesu přípravy a vlastního uplatňování strategie Industry 4.0 respektovat a dodržovat určité zákonitosti. Úvodní fázi realizace autoři doporučují strukturovat do tří vzájemně provázaných kroků:  Krok 1 – správné stanovení cíle Tento krok je pro svou důležitost jedním z rozhodujících faktorů úspěšnosti celé realizace. V první řadě je nezbytné objektivně a popř. i bez jakýchkoliv příkras kriticky shrnout, kde se aktuálně firma nachází. Na tato zjištění může navazovat stanovení cíle, kterého by podnik chtěl pomocí strategie Industry 4.0 dosáhnout, ale také určení toho, v jakých realizačních fázích a v jakém časovém výhledu se ke stanovenému cíli dostat. Cíl by měl být jasně a srozumitelně formulovaný tak, aby mu každý ve firmě rozuměl. Měl by být charakterizován vhodnými parametry, tedy kvalitativně i kvantitativně měřitelný, realizovatelný, akceptovatelný a termínově ohraničený. Tím se zásadně liší od formulace vizí, které obvykle těmito konkretizovanými aspekty neoplývají. Stanovení cíle ovšem v praxi naráží na rozdílnost pohledů účastníků procesu realizace. Pro někoho může být cílem zvýšení efektivity výrobních procesů, pro někoho dalšího zlepšení celkové efektivity zařízení OEE (Overall Equipment Effectiveness), pro dalšího zkrácení „lead time“ (průběžné doby výroby) apod. Jako cíl by bylo možné stanovit i mnoho dalších provozně ekonomických ukazatelů. Je na vedení firmy, aby ze změti těchto pohledů akcentovalo ten nebo ty, které jsou pro stanovení cíle za daných podmínek multikriteriálně optimální.  Krok 2 – kalkulace ROI (návratnost investice) Se správným stanovením cíle úzce souvisí další velmi důležitý parametr, kterým je návratnost investice ROI (Return of Investment). Každý investor má snahu docílit co nejnižší hodnoty parametru ROI. V praxi se u běžných projektů setkáváme s představami návratnosti „do jednoho roku je to dobré, do dvou let v určitých případech ještě akceptovatelné“. Celá problematika výpočtu ROI představuje dost specifickou oblast investičních úvah. Je to dáno mj. i tím, že do kalkulace vstupují kromě explicitně stanovitelných parametrů (provozní náklady, pořizovací ceny zboží a služeb, výnosy apod.) i parametry, jejichž hodnotu nelze explicitně stanovit. Ty se týkají přínosů a ztrát v důsledku změn pozice firmy na globalizovaném trhu, vlivů cen surovin a energií, disponibility vhodných pracovníků pro provozování modernizovaného výrobního systému apod. Problém je v mnoha případech zaklet už v požadavcích na realizaci výrobních technologií splňujících vlastnosti zmiňované jako „smart“, „inteligentní“ a „inovativní“, „automatizované a robotizované“, „prediktivní“ apod. U takovýchto vágně specifikovaných vlastnosti je přechod do světa neúprosné výrobní matematiky, která je pro korektní výpočet ROI nezbytná, obtížný. Co tedy s výpočtem ROI, aby bylo možné jeho výsledek alespoň s přiměřenou mírou nepřesnosti pro tento účel akceptovat? Jednou z možností je aplikovat zjednodušenou verzi známé poučky, že zvýšení profitability, a tedy i ziskovosti, lze dosáhnout buď snížením nákladů, nebo zvýšením příjmů. Zredukujme tedy klasický výpočet pouze na to, že do něj zahrneme jen předpokládané zvýšení příjmů. U nich berme v úvahu přidanou hodnotu daného procesu a předpokládané či očekávané parametry v důsledku splnění stanoveného cíle. Bude-li tedy např. cílem zvýšení hodinového výkonu výrobní linky, která v současnosti vyrobí za směnu 3 000 kusů výrobků s přidanou hodnotou 125 Kč na jeden kus, tak při zvýšení výkonnosti linky o 1 % a třísměnném provozu bude přidaná hodnota za den 11 250 Kč. Za rok (250 pracovních dnů) podniku každé 1 % zvýšení výkonnosti linky přinese hodnotu ve výši asi 2,75 mil. korun. Kdyby bylo cílem zvýšení výkonnosti o 5 %, což je poměrně realistický scénář, pohybovaly by se roční přínosy na úrovni přibližně 13,75 mil. korun. I když jde pouze o ilustrativní příklad, je z něj zřejmé, že pro použití jakýchkoliv nových (resp. modernizovaných) technologií je dobré mít především na zřeteli nejen to, co je možné novou investicí ušetřit, ale i co dané vylepšení může potenciálně přinést. Na opačném pólu úvah je ztráta, která může nastat, jestliže investor realizaci ve smyslu Industry 4.0 v oblasti, která má potenciál pro zvýšení ziskovosti, ve správný čas nezahájí.  Krok 3 – rozumná digitalizace procesů Strategie Industry 4.0 se často spojuje právě s digitalizací. Digitální informace jsou základem pro komunikaci „v reálném čase“ mezi různými procesy ve firmě. Za rozumnou digitalizaci autoři považují takovou formu digitalizace, pomocí které za přijatelných nákladů firma dokáže reprezentovat parametry v digitální podobě, přičemž takto získaná digitální data pak může dále spravovat a vyhodnocovat. V současnosti lze ve firmě běžně identifikovat tři klíčové vrstvy, které jsou zdroji dat. První vrstva reprezentuje samotnou „fyzickou výrobu“. Tato vrstva je hlavním cílem digitalizace, protože právě velká rozmanitost různých typů automatických, poloautomatických a manuálních výrobních technologií a rozličný stupeň možné konektivity zařízení, kde jsou tyto technologie realizovány, mají zásadní vliv na složitost sběru provozních dat (např. hodnot fyzikálních veličin), dat výrobních (provozních a stavových) a dat energetických. Výzvou zde je nalézt rozumnou míru digitalizace a způsob, jak potřebná data získat s co nejmenšími náklady a v přijatelném čase. Druhá vrstva se týká samotného výrobku, který firma vyrábí. Zahrnuje zejména nástroje pro vlastní konstrukci výrobku a technologické postupy jeho výroby. Tato vrstva se též označuje jako PLM (Product Lifecycle Management). Většinou dnes existuje v digitální podobě, a tak stačí digitální data jen účelně využít. Třetí vrstva zastřešuje obchodní procesy. Typicky bývá propojena se systémy ERP (Enterprise Resource Planning), které v současné době již s digitálními informacemi vesměs pracují, a není je proto zapotřebí digitalizovat, pouze rovněž účelně využít. Propojení uvedených vrstev digitálních dat v reálném čase umožní vytvořit z nich datovou základnu, obsahující smysluplné a strukturované informace, nad nimiž potom lze provádět nejrůznější analýzy a simulační výpočty. Právě to je hlavním účelem digitalizace. Strategie Industry 4.0 obohacuje tento proces o další možnosti, přičemž cílem je pomocí nových digitálních nástrojů postupně přecházet od „reaktivního“ způsobu hledání a řešení problémů k metodám a technologiím „prediktivním“. To je také podstatou vzniku tzv. kyber-fyzických systémů, kde fyzické systémy jsou „pracujícíma rukama“ a digitální systémy a algoritmy „mozkem“, který je řídí. Po přeměně dat do digitalizované podoby je lze obecně dělit do čtyř základních úrovní. Již známé tři úrovně vizualizace, HMI/SCADA/DCS a MIS/MES (viz charakteristika v tab. 1) doplňuje úroveň čtvrtá – Industry 4.0 (digitální dvojče).  Užitečnost realizace strategie Industry 4.0 Pro komentář přínosů digitalizace jako součásti uplatnění strategie Industry 4.0 ve firemním výrobním prostředí autorům poslouží Obr. 1. Čtyři úrovně informací z výroby  Komentář 1 – možnost explicitního zjištění toho, co se ve výrobě právě děje První a hlavní informací, kterou digitalizace přinese, je pohled na skutečný stav procesů. Ten je založen na dlouhodobém sledování skutečnosti, a ne na domněnkách a předpokladech. Zejména takovýto obraz skutečnosti je rozhodujícím východiskem pro splnění stanoveného cíle. Bez jistoty věrohodného poznání aktuálního stavu je problematické až nemožné správně identifikovat kritická místa a procesy, které bude třeba zlepšit.  Komentář 2 – pochopení příčin, proč nestandardní a problémové děje ve výrobě vznikají Na základě dlouhodobého sledování a vyhodnocování získaných informací je s využitím digitálních analytických nástrojů možné najít stavy a vyhodnotit souvislosti, které vedou ke vzniku problémových situací. Lze tak identifikovat úzká místa, na jejichž odstranění je třeba se následně zaměřit. Odstraněním jednoho úzkého místa se zpravidla nic nevyřeší. Vznikne totiž další úzké místo. Jejich postupným odstraňováním je ale možné krok po kroku zvyšovat efektivitu daného procesu. Ukazuje se, že postupná eliminace úzkých míst krok po kroku je optimálním postupem pro splnění stanoveného cíle projektu.  Komentář 3 – možnost predikce toho, co se stane, a schopnost zabránit tomu, aby se to stalo Tady se začíná naplňovat smysl strategie Industry 4.0, kterým je přechod od reaktivního řešení problémů k řešení prediktivnímu. Predikce událostí je v zásadě realizována dvěma způsoby. První způsob je založen na učení se z minulosti, tj. vyhodnocení toho, jaká kombinace parametrů, popř. událostí vedla ke vzniku daného problému. S využitím analytiky a digitálních nástrojů je potom na základě historických dat možné s určitou pravděpodobností a přesností predikovat budoucí události. Na podobném principu pracují i neuronové sítě, které lze jako nástroj pro predikci rovněž využít. Druhým způsobem je predikce na základě vhodného online sledování klíčových parametrů daného procesu nebo zařízení. Je-li např. zapotřebí predikovat vznik poruchy určitého zařízení, je třeba navrhnout vhodné řešení jeho monitorování tak, aby postihlo vývoj sledovaných veličin a příslušných parametrů co do jejich hodnot v čase i s limitací mezních kritických hodnot. Použitím odpovídajících snímačů a jejich začleněním do systému digitálního sledování a vyhodnocování v reálném čase lze potom s poměrně velkou pravděpodobností poukázat na potenciální vznik budoucího nestandardního či havarijního stavu daného procesu nebo zařízení dříve, než takováto událost nastane.  Komentář 4 – autonomní technika Technické prostředky, které dokážou autonomně řídit procesy, se neustále vyvíjejí ve všech oblastech života. To platí i pro průmyslovou sféru. Patrně není daleko doba, kdy se výrobní procesy a jejich technologická zařízení budou řídit autonomně, s minimálními zásahy člověka, kterému tak zůstane jen jakási „dozorová“ funkce. Autoři se ale domnívají, že vzhledem ke specifičnosti a funkční rozmanitosti výrobních aplikací v nich k úplné eliminaci lidského faktoru v brzké budoucnosti ještě nedojde.  Závěr Díl V. tohoto seriálu se bude věnovat případové studii jednoho z již realizovaných projektů, ve kterém je strategie Industry 4.0 smysluplně uplatňována. Autoři uvedou také některé praktické rady, které z této realizační zkušenosti vyplývají.  Robin Mitana, Miroslav Dub, SIDAT DIGITAL a SIDAT Tab. 1. Čtyři úrovně informací z výroby Úroveň 1 (vizualizace) vizualizace diskrétních a spojitých technologických procesů, vizualizace energetiky, vizualizace manažerských reportů, vizualizace průchodu výrobku výrobou (traceability) Úroveň 2 (HMI/SCADA/DCS) vizualizace výrobních a technologických procesů s možností jejich řízení na úrovni technologie, decentralizované řídicí systémy Úroveň 3 (MIS/MES) výrobní informační systém založený na sběru dat z různých zdrojů a jejich konverze na výstupy, které obvykle mají formu reportů; off-line simulace a optimalizace s cílem ověřit a odladit výrobní procesy a následně do jejich průběhu zasahovat Úroveň 4 (digitální dvojče) digitální kopie fyzického výrobního systému nebo procesu, která se chová stejně jako fyzický výrobní systém či proces, s nímž navzájem oboustranně na datové úrovni komunikuje; takovéto uspořádání, které je charakteristické pro kyber-fyzický výrobní systém, představuje nejvyšší míru integrace fyzických a digitálních technologií

TSN se standardními, komerčně dostupnými komponentami

Rozšíření standardu IEEE 802.1Q pro přepojování v ethernetových sítích, známé často pod obecně používaným názvem TSN (Time Sensitive Networking, časově citlivé síťování), umožňuje vytvářet automatizační systémy s homogenní síťovou architekturou od snímače po cloud. Ve srovnání s tím tradiční řešení používající na provozní úrovni řízení proprietární síťové standardy, jež zajišťují „tvrdý“ reálný čas, vždy představují určitou diskontinuitu síťové architektury. Sítě TSN tuto diskontinuitu odstraňují, protože dokážou zajistit tok informací z provozní úrovně řízení do vyšších pater řídicí hierarchie. Navíc uživatelé a výrobci zařízení získají výhodu unifikovaného hardwaru, který je flexibilní a cenově výhodný. Další výhodou je lepší využití instalovaných zařízení a běžné kabeláže množstvím různých aplikací bez rizika vzájemného ovlivňování.  Vzhledem k očividným výhodám se o vstupu sítí TSN do světa automatizace již nediskutuje – stal se skutečností. Rozdíly ve strategiích používaných různými firmami se nejčastěji týkají jen časování a sekvencí kroků. Jednotliví výrobci již dodávají na trh první výrobky s TSN, mnohé jsou už vyvinuty a další budou postupně následovat. Hlavní otázkou při zavádění TSN je široká dostupnost vhodného hardwaru. Standardy TSN jsou stále relativně nové a jejich implementace do odpovídajících polovodičových zařízení vyžaduje čas. Naproti tomu jen malá, avšak nevyhnutelná část standardů TSN vyžaduje podporu specializovaného hardwaru. Mnoho funkcí, které se vztahují k TSN, např. správa sítě, je čistě softwarových a mohou být snadno implementovány na libovolný hardware. V současné době mají výrobci zařízení k dispozici dvě hlavní možnosti, jak zavést funkce TSN do svých výrobků. Na jedné straně jsou to rozhraní založená na FPGA, díky nimž lze do rozhraní produktů pružně implementovat nejnovější funkce. Cena tohoto řešení se skládá ze tří faktorů: relativně vysoké výrobní ceny, ceny za programování FPGA včetně otestování logických funkcí a certifikace a popř. ceny za licenci, použije-li se hotové řešení. Na druhé straně jsou na trhu k dispozici běžná polovodičová zařízení, která za nízkou cenu nabízejí verifikované funkce TSN. Nízké ceny se dosahuje mj. tím, že není třeba znovu vyvíjet to, co už bylo jedno vyvinuto: standardy TSN jsou založeny na osvědčených konceptech, které se jen dále vyvíjejí a zevšeobecňují. Tato polovodičová zařízení vybraná podle specifických požadavků aplikace je možné použít jako základ pro vyžití komunikace TSN. V současné době je již obvyklou praxí, že výrobci zařízení implementují funkce TSN do automatizačních prostředků s využitím standardních, komerčně dostupných komponent.  TSN v automatizaci Požadavky na komponenty sítí, zvláště na koncové uzly a switche, se liší podle jejich funkce a konfigurace v síti. Síťové rozhraní PLC nebo rozhraní uzlu edge musí být jiné než rozhraní jednoduchého provozního zařízení. Podobně se musí switche na úrovni provozního řízení vypořádat s mnohem větším zatížením sítě než jejich protějšky na nižších úrovních snímačů a akčních členů. To se odráží v minimálních požadavcích na odpovídající komponenty zvláště v oblasti jednoduchých provozních zařízení, kde se zpravidla používá liniová nebo kruhová topologie s jedním nebo dvěma externími ethernetovými porty. Skupina substandardů TSN nabízí dvě hlavní metody, jak zajistit časově deterministický přenos dat: zaprvé přidělování prio­rit a preemptivní rámce (asynchronní) a za druhé časově řízený přenos ve vyhrazených časových slotech (metoda TDMA – Time Division Multiple Access, synchronní). Obě metody je možné kombinovat. V současné době je v oblasti průmyslové automatizace kladen důraz zvláště na časově řízenou komunikaci TSN a přenos dat v tvrdém reálném čase. Tento princip se již osvědčil u standardů, jako jsou Profinet IRT, Sercos III, EtherCAT nebo Powerlink. Standard TSN IEEE 802.1Qbv (Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Media Access Control (MAC) Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks Amendment: Enhancements for Scheduled Traffic) rozšiřuje a zobecňuje existující proprietární mechanismy, aby se rozšířila oblast potenciálního využití a umožnila koexistence různých systémů reálného času ve společných sítích bez vzájemné interakce. Časové řízení přenosů dat v sítích Qbv zabraňuje nežádoucím kolizím mezi různými datovými proudy opouštějícími switch na společném portu. Jestliže jde o komponentu, která je koncovým zařízením s jedním ethernetovým portem, a tedy nemá vestavěnou funkci switche pro přeposílání telegramů, je pro účast v časově řízené komunikaci TSN postačující přesné řízení času přenosu jednotlivých ethernetových rámců. Pro efektivní použití časově řízeného přenosu je nezbytnou podmínkou přesná synchronizace všech účastníků v síti s přesností ve zlomcích mikrosekund. Zavedené procedury v souladu s normami IEEE 1588 (Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems) a IEEE 802.1AS (Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks) kladou na hardware stejné požadavky jako Qbv. Odpovídající zařízení musí být vybavena hardwarovým časovačem protokolu PTP, od nějž se při odesílání a příjmu synchronizovaných zpráv generují časové značky. Frekvence a fáze časovače PTP musí být nastavitelná synchronizačními hodinami1).  TSN ve stávajících zařízeních Některá polovodičová zařízení, např. switche řady RZ/N1 od firmy Renesas, již nabízejí mechanismy jako vysoce přesnou synchronizaci a přenosy dat řízené časem s využitím TDMA. Sítě TSN budou využívat nový protokol PTP podle IEEE 802.1AS-Rev založený na metodách popsaných v IEEE 1588, který nemá žádné dodatečné požadavky na hardware. Jako alternativa se již dnes používají mechanismy podle dosud užívaných norem IEEE 802.1AS a IEEE 1588. Rozdíl v implementaci obou standardů je výhradně v softwaru. Metoda TDMA je již implementována v mnoha dostupných zařízeních jako rozšíření specifikace Qav. V tomto případě jsou ethernetové rámce klasifikovány podle Qav a jsou jim v jednom cyklu komunikace přiděleny individuální časové sloty. Tento mechanismus je předchůdcem specifikace Qbv, která se využívá v TSN. Čip s podporou IEE 1588/.1AS a Qav + TDMA je tedy vhodný i pro realizaci zjednodušené funkce Qbv pro TSN. To umožňuje využívat výhody TSN v jednoduchých koncových zařízeních na provozní úrovni v hvězdicové, liniové i kruhové topologii, stejně jako v hybridních topologiích. Obr. 1. Bloková struktura funkce TDMA ve switchích RZ/N1Na obr. 1 je bloková struktura funkce TDMA ve switchích RZ/N1. Nahoře jsou přicházející ethernetové rámce blokem Forwarding Engine přepojovány na své cílové porty. Tam je každý rámec klasifikován podle konfigurovatelných kritérií a umístěn do jedné ze čtyř výstupních front (Queues). Hardwarový časovač gPTP je synchronizován s časem sítě v příslušné doméně TSN. Od něj se odvozují všechny časové sloty mechanismu TDMA. Časové sloty s individuálně konfigurovatelnou délkou jsou specifikovány centrálně pro všechny ethernetové porty zařízení v seznamu Gate Control List se čtyřmi vstupy. V každém časovém slotu mohou být otevřeny libovolné fronty výstupního portu, řízené prostřednictvím funkce Bitmasks. V tomto kontextu „otevřené“ znamená, že ethernetové rámce, které jsou ve frontě, mohou být prostřednictvím řízení priorit zpracovány v linkové vrstvě MAC (Media Access Control) a tím připraveny k odeslání po kabelu. Systém řízení priorit pro přeposílání vždy vybírá ethernetové rámce s nejvyšší prioritou fronty. Ovšem ethernetové rámce v „uzavřených“ frontách nejsou v odpovídajícím časovém slotu přeposlány. Tak to funguje i podle starších standardů. Qbv se liší primárně v počtu front a časových slotů, tj. v diverzifikaci řízení jednotlivých ethernetových rámců. Detailní srovnání je v tab. 1. Například switche řady RZ/N1 od firmy Renesas podporují čtyři fronty a čtyři časové sloty. Pro srovnání: standard TSN Qbv definuje osm front, zatímco počet časových slotů nechává neurčený. Switch podle standardu Qbv má centrální časovač gPTP a seznam Gate Control List je specifický pro kaž­dý port, takže každý port switche může mít vlastní plánování komunikace. Pro provozní zařízení s jedním ethernetovým portem a provozní zařízení v jednoduché liniové nebo kruhové topologii využívající vestavěný switch jsou uvedená omezení často akceptovatelná. Je to proto, že se v reálném čase přenáší jen několik různých strea­mů a rozvrh komunikace je pro všechny porty stejný, což umožňuje ethernetovým rámcům bez zdržení procházet jednotlivými komponentami, a tím celou liniovou nebo kruhovou sítí. Ilustruje to následující příklad použití TSN. Příklad použití TSN Jednoduchá konfigurace na obr. 2 ilustruje, jak může být vytvořen automatizační systém využívající TSN prostřednictvím funkcí dostupných ve switchích RZ/N1.Obr. 2. Ukázkový systém TSN Programovatelný automat (PLC) schopný komunikovat v sítích TSN, fyzicky instalovaný v provozu nebo virtuálně v průmyslovém počítači edge, řídí velký počet I/O komponent (označených TEP n.m), které jsou uspořádané do dvou liniových sítí. Alternativně lze v tomto případě použít i kruhovou síť. Provoz v síti je řízen časem a synchronizován s řídicími cykly PLC. Řídicí cykly PLC mají tři fáze: čtení hodnot z I/O zařízení, výpočet nových výstupních hodnot prostřednictvím programu v PLC a výstup nově vypočítaných výstupních hodnot na terminálová zařízení. Fáze 1 a 3 se v čase překrývají. Páteřní síť TSN, která se skládá ze switchů TSW 1 a TSW 2, si musí poradit s veškerou komunikací mezi PLC a subsítěmi, a jestliže je to nutné a je to indikováno prostřednictvím switchů TSW x1 a TSW x2, také s další komunikací se sousedními segmenty sítě. To vyžaduje v páteřních switchích TSW 1 a TSW 2 plnou podporu standardu TSN Qbv, a je-li to požadováno, také Qbu. Požadavky v liniových podsítích jsou mnohem menší. Komponenty označené TEP n.m jen přeposílají komunikaci mezi sousedními uzly. Jejich role jako koncových bodů TSN je omezena na jednoduchý stream v reál­ném čase pro komunikaci s PLC a další časově nekritickou komunikaci, jako je synchronizace nebo komunikace se serverem OPC UA. V tab. 2 jsou ukázány různé třídy a jejich namapování na dostupný hardware switchů řady RZ/N1, které splňují požadavky na funkce TSN v tomto uspořádání. V uvedeném případě jsou všechny síťové komponenty, switche a koncové uzly, synchronizovány navzájem prostřednictvím synchronizačního protokolu popsaného v IEEE 802.1AS a pro zabránění nežádoucím kolizím využívají časově řízený přenos. Komunikace se uskutečňuje v časových rámcích s pevným rastrem, který se cyklicky opakuje. V tab. 2 je také znázorněno přiřazení tříd do časových slotů tohoto rastru pro koncová zařízení v liniových subsítích. Doba cyklu a délka individuálních časových slotů závisejí na aplikaci. Časový slot T3 je vždy prázdný, tj. v této době se neodesílá žádná fronta, a měl by mít délku nejdelšího ethernetového rámce, který se v síti vyskytuje. To zaručuje, že výstupní port je na začátku okna reálného času T0 vždy volný a není obsazen předchozím rámcem, což by vedlo k nežádoucímu zpoždění odeslání rámce reálného času. Obr. 3. Plánování v síti TSN Schéma komunikace Všechna koncová zařízení TEP n.m na začátku každého komunikačního cyklu posílají do PLC své aktuální hodnoty jako vstupní proměnné. PLC v této části současně posílá nové výstupní hodnoty vypočítané z předchozích hodnot získaných z koncových uzlů. Pro to je v každé subsíti i v páteřní síti vyhrazen časový slot T0, v němž jsou přenášena jen data v reálném čase mezi koncovými zařízeními TEP n.m a PLC. Kolize s jiným provozem na síti není možná, takže je garantována maximální doba přenosu z každého koncového uzlu a do něj. Koncové uzly přenášejí své aktuální hodnoty do svých nadřízených switchů páteřní sběrnice TSW 1 a TSW 2 simultánně. Switche sbírají data a odesílají je do PLC. Také zde je kolize při komunikaci vyloučena, protože páteřní switche přenášejí data z každé podsítě v oddělených časových slotech. To vyžaduje mít odpovídající zdroje ve switchích páteřní sítě. Výstupní hodnoty jsou přenášeny ve dvou krocích, aby se tak dosáhlo téměř simultánního příchodu výstupních hodnot PLC do každého uzlu TEP n.m; nejprve v subsíti 2, potom v subsíti 1. Časový slot T0 v subsítích musí být dostatečně dlouhý, aby umožnil přeposlání všech výstupních proměnných. Simultánní přenos aktuálních a nových výstupních hodnot je bezkolizní a nevyžaduje žádná dodatečná opatření, protože data proudí v opačných směrech. Poté, co jsou všechny aktuální hodnoty přeneseny do PLC ve svém definovaném přenosovém okně a nové výstupní hodnoty přeneseny do všech koncových uzlů, začne PLC zpracovávat svůj vlastní program, který vypočítává nové výstupní hodnoty z aktuál­ních hodnot. Výstupní uzly zpracovávají své nové žádané hodnoty synchronně na základě synchronizovaného síťového času, takže všechny komponenty změní svůj výstupní stav najednou. Potom, co PLC ukončí své výpočty, bez přerušení následuje další cyklus komunikace. Další data mohou být přenášena mimo vyhrazené časové sloty na páteřní síti TSN i v obou subsítích 1 a 2 bez nutnosti starat se o vliv na komunikaci v reálném čase. Například data reálného času RT x mohou být přenášena mezi dvěma přilehlými segmenty sítě a uzavřena v individuálních časových slotech tak dlouho, jak to umožňuje zbývající šířka přenosového pásma. Další důležité datové strea­my jsou používány pro synchronizaci nebo pro dotazování objektů OPC UA.  Závěr Standard TSN je stále ještě mladý a potřebná hardwarová podpora se postupně rozvíjí. Ovšem i s běžnými, komerčně dostupnými produkty, jako jsou switche RZ/N1 od firmy Renesas, které jsou založeny na obecně rozšířených standardech předchozí verze, je možné již nyní využívat výhody metod TSN, jsou-li v dané aplikaci přijatelná jejich omezení.  Arno Stock, Renesas Electronics Europe Tab. 1. Srovnání mezi Qbv a Qav + TDMA Vlastnost IEEE 802.1Qbv IEEE 802.1Qav + TDMA1) komunikační fronty 8 4 časové sloty >82) 4 plánovač individuální pro každý port globální pro všechny porty kritéria klasifikace VLAN PCP, defaultní pro neoznačené rámce VLAN PCP určení MAC IPv4 (DiffServ) Ipv6 (Class of Service) programovatelný Pattern Matcher typ ethernetových rámců defaultní fronta Queue pro neoznačené rámce řízení kongescí Guard Window není3)   1)   jako příklad se používá Renesas RZ/N1 2)     specifické podle aplikace, není definováno ve standardu Qbv 3)    Je-li to nezbytné, vloží se „prázdný“ časový slot, který odpovídá maximální délce rámce v daném čase.   Tab. 2. Třídy a jejich namapování na dostupný hardware switchů řady RZ/N1 Priorita Třída Příklad Fronta T0 T1 T2 T3 7 data v reálné čase I/O data 4 1 0 0 0 5 řízení sítě synchronizace 3 0 1 0 0 3 přiřazena priorita OPC UA 2 0 1 1 0 1 jiné http, stav, diagnostika 1 0 1 1 0   T0: časový slot výhradně pro data v reálném čase; zabránění kolizi s jinými třídami T1: časový slot pro všechny zbývající třídy T2: časový slot pro data s nízkou prioritou, pro zajištění minimální propustnosti T3: vyhrazené pásmo, zaručující volný výstupní port okamžitě na začátku T0 následujícího cyklu   Obr. 1. Bloková struktura funkce TDMA ve switchích RZ/N1 Obr. 2. Ukázkový systém TSN Obr. 3. Plánování v síti TSN

Energetický řetěz rychle, snadno a on-line

Navrhnout správně energetický řetěz není vždy snadným úkolem. Nový on-line konfigurátor společnosti LAPP s názvem Ölflex® Connect Chain tento úkol velmi urychluje a usnadňuje: je jednoduchý, rychlý a jasný. Tento nástroj umožní navrhnout kompletní energetický řetěz jen ve třech jednoduchých krocích. Šetří tedy čas a zároveň nedovolí chyby, které mohou nastat při ručním návrhu energetického řetězu. Konfigurátor provede projektanta výběrem vlastního řetězu, kabelů a příslušenství. Poté je možné požádat o zaslání individuální nabídky dle provedeného návrhu. V každém kroku výběrového procesu ​​zajišťuje konfigurátor kompatibilitu všech součástí. Kritickým místem může být výběr vhodných kabelů do vybraného energetického řetězu. Při volbě kabelu je třeba dbát na několik faktorů, jako jsou poloměr ohybu řetězu, délka pojezdu, rychlost, zrychlení a okolní teplota. Pokud se tyto faktory nezohlední, může dojít k poruchám a ke zkrácení životnosti kabelů. Konfigurátor zohlední, jaké kabely budou uloženy v řetězu a dokáže podle toho automaticky vybrat vhodný řetěz. Pomůže správně rozmístit vertikální a horizontální separátory, aby byla hmotnost kabelů v řetězu rozložena rovnoměrně. Nakonec si projektant vybere, zda si přeje dodat plně osazený řetěz, nebo zaslat jednotlivé komponenty s tím, že kabely mohou být předem nastříhané v požadovaných délkách. V případě plně osazeného řetězu je jisté, že energetický řetěz bude vyroben odborníky LAPP s bohatými zkušenostmi a know-how, otestován a bude v provozu řádně fungovat.Konfigurátor Ölflex® Connect Chain je možné zde: https://chainconfigurator.lappgroup.com/index.php/cs/

Optimální ochrana osob a strojů

Otázky bezpečnosti mají v automatizační technice vysokou prioritu. Murrelektronik nabízí sběrnicový modul MVK Metal Safety pro bezpečnostní instalace. Lze s ním dosáhnout nejvyšších standardů: Safety Integrity Level 3 (podle IEC 61508 a IEC 62061) a Performance Level e (podle EN ISO 13849-1). Pro konkrétní využití je MVK Metal Safety k dispozici ve dvou variantách: čistě vstupní modul a smíšený modul se vstupy a výstupy.

Tlačítkové moduly s různobarevnými světelnými efekty

Tlačítka pro nouzové zastavení a restart od firmy Murrelektronik se integrují do elektronických instalací prostřednictvím předem nakonfigurovaných standardních kabelů M12. Jde o řešení, které šetří čas a vylučuje riziko chyb v zapojení. Díky konceptu plug-and-play lze tyto ovládací prvky velmi rychle začlenit do strojů a zařízení. Takové řešení je žádané především tam, kde jsou jednotlivé ovládací a signalizační přístroje umísťovány do decentralizovaných pozic, např. na bezpečnostních ploty nebo do výrobních stanic. Varianty tlačítek s velmi kompaktní konstrukční šířkou 42 mm se perfektně hodí pro instalaci na standardní hliníkové profily. Tlačítko nouzového zastavení je k dispozici také se světelným tlačítkem Reset v jednom pouzdře. Tento tlačítkový model se zapojí do zařízení tak, aby se tlačítko restart rozsvítilo, jakmile je možné zařízení znovu spustit. V každém balení je obsaženo pět barevných krytů tlačítek. Díky tomu je možné dosáhnout různobarevného světelného efektu– podle příslušného využití.Více informací je uvedeno na www.murrelektronik.cz.

Tři výrobky ifm electronic oceněny v soutěži German Design Award 2019

Třii výrobky značky ifm electronic dostanou do hledáčků na veletrhu Ambiente ve Frankfurtu. Dne 8. února 2019 jim budou budou předány ceny v soutěži German Design Award. Vítězem soutěže se stal maják DV1500 a další dva přístroje si vysloužily zvláštní ocenění poroty: chytrý senzor pro nepřetržité hlášení polohy ventilu MVQ101 a jednotka IO-Link master AL1101.Maják DV1500 s pěti barevnými segmenty (na obrázku vlevo) slouží k vizualizaci různých stavů strojů a zařízení. V majáku lze nastavit barvu signalizace, jas, frekvenci a hlasitost výstražného tónu pomocí uživatelsky příjemného softwaru IO-Link pro PC. Pomocí montážního adaptéru lze maják instalovat jak ve standardní  poloze, tak pootočený o 90° na stěnu. Tónovaný kryt spolu s čočkou polygonálního tvaru zajišťují velmi dobrou viditelnost, takže není na překážku ani umístění majáku u okna nebo v přesvětlené hale. Jednotka IO-Link Master AL1101 (uprostřed) je zařízení nové generaci propojující svět IT a průmyslu. Tato řídicí jednotka plní vysoké nároky potravinářského průmyslu a je odolná vůči chemikáliím, vysokým teplotám a kapalinám. Díky modernímu technickému provedení neulpívají na indikátorech LED nečistoty a zůstávají stále viditelné. Použitím jednotky IO-Link se sníží množství propojovacích kabelů. Chytrý senzor pro nepřetržité hlášení polohy ventilu MVQ101 (vpravo)  poskytuje spolehlivou vizuální informaci o poloze klapky prostřednictvím LED kroužku. Barevnost LED kroužku lze nastavovat pomocí softwaru. LED kroužek také se nastavuje tlačítkem „teach“, který lze aktivovat bezdotykově, pomocí kovového předmětu.

Red Lion rozšiřuje sortiment o zařízení DA10D a DA30D pro převod protokolů a sběr dat

Společnost Red Lion Controls uvedla na trh zařízení DA10D a DA30D pro převod protokolů a sběr dat. Na rozdíl od jiných komunikačních bran a převodníků protokolů, které se pro připojení k podnikovému informačnímu systému spoléhají na komplikované skriptování nebo dodatečný hardware serveru, zařízení DA10D a DA30D nabízejí široké možnosti připojení a současně jednoduché prostředí pro konfiguraci. Umožňují tak firmám rychle získat přístup k datům z dosud nepřipojených nebo stávajících zařízení a snadno a cenově výhodně připojit, monitorovat a ovládat jednotlivé systémy.obr. 1. DA10D a DA30D Pro zákazníky z oboru průmyslové automatizace, kteří potřebují sbírat kritická data z různých systémů od různých dodavatelů, jsou zařízení DA10D a DA30D novou možností pro sběr dat a konverzi protokolů při sběru a sdílení dat z oddělených systémů využívajích standardní Ethernet a sériové porty. S novou nabídkou přichází také software Crimson 3.1, poskytující nativní podporu pro více než 300 průmyslových ovladačů, předem připravené (out-of-box) servery OPC UA a jednoduchou „zaklikávací“ konfiguraci cloudových konektorů MQTT pro některé nejpopulárnější platformy IIoT od firem Amazon, Microsoft a Inductive Automation. Zařízení DA10D a DA30D kromě toho umožňují zaznamenávat data, události a údaje o zabezpečení s podporou šifrování záznamů a možností připojení elektronického podpisu, a dále realizovat dotazy SQL, periodické i na vyžádání. To vše usnadňuje správu dávkových a recepturově řízených výrob a současně zajišťuje splnění nejvyšších standardů kvality. Zařízení navíc mají volitelný webový server s responzivním designem pro mobilní zařízení. Umožňuje zobrazení na celou obrazovku, jež je ideální pro tablety a mobilní telefony, dále operace HTTPS s poskytováním certifikátů, přesměrování HTTP a podporu stylů CSS a jazyka JavaScript. Pro více informací o zařízeních DA10D a DA30D od Red Lion navštivte www.redlion.net/DA.(ed)