Digitalizace stávajících průmyslových provozů v procesní výrobě

Společnost Endress+Hauser uspořádala virtuální prezentaci, v níž představila své aktivity v oblasti systémů pro digitalizaci výroby. Pandemie covidu zvýraznila přínosy digitalizace, zvláště možnosti správy zařízení na dálku a optimalizace plánování údržby. Tento článek se věnuje obecně digitalizaci stávajících provozů v oborech procesního průmyslu, kam patří zejména chemie, petrochemie, metalurgie, farmacie nebo potravinářství. V některém z následujících čísel bude zveřejněn článek o konkrétní realizaci implementace IIoT na lince kontinuálního moření pásové oceli.

Koncepce průmyslového internetu věcí lze realizovat poměrně snadno, pokud jde o zcela nové systémy řízení výroby vznikající tzv. na zelené louce. Avšak jde-li o řídicí systémy současných výrobních provozů v procesním průmyslu, které až dosud využívaly výhradně standard analogového přenosu signálů 4 až 20 mA, je jejich digitalizace obtížná a náklady těžko obhajitelné.

Spolehlivý přenos dat druhým komunikačním kanálem

Základem všech systémů chytré výroby jsou data. Data vznikající v provozech je však třeba těmto systémům zpřístupnit. Evropští provozovatelé výrobních závodů v oblasti procesní výroby musí čelit problému, že většina systémů, které provozují, funguje už roky, nebo dokonce desetiletí. V procesním průmyslu se málokdy stavějí zcela nové podniky, ale přestavují se ty již vybudované. Jde o oblast tzv. brownfieldů. To je jeden z důvodů, proč asociace NAMUR vyvinula NOA – NAMUR Open Architecture, otevřenou architekturu NAMUR [2], [3] [4], a přijala odpovídající doporučení NE 175 [5]. Základní myšlenka NOA je jednoduchá a okouzlující: dodatečná digitální data z provozní úrovně se přenášejí paralelně s přenosem naměřených hodnot prostřednictvím druhého komunikačního kanálu. Tento přístup snižuje množství dodatečné datové komunikace v provozech i dopad na nynější strukturu systému.

Otevřená architektura NAMUR jako most

Otevřená architektura NAMUR funguje jako důležitý most mezi přísně hierarchickými strukturami stávajících řídicích systémů a digitálním prostředím IIoT (průmyslového internetu věcí) s volnou topologií. Implementace paralelního přenosu dat jako rozšíření původního komunikačního systému je zvláště vhodná pro již provozované systémy. Uvádí se, že v současné době není 97 % dat vznikajících v provozu nijak využíváno. V existujících systémech je tedy velký potenciál, který by mohl být využit prostřednictvím digitalizace k další optimalizaci technologických procesů. NOA uživatelům nabízí příležitost k trvalému monitorování výrobních zařízení, protože provozní přístroje lze jasně identifikovat a parametry jejich konfigurace se projeví v jejich „digitálním dvojčeti“. Díky nejmodernějším diagnostickým funkcím lze stav inteligentních snímačů monitorovat trvale, a ne jen při pravidelných prohlídkách.

Základní technologické procesy nejsou dotčeny

Koncept „druhého kanálu“, který je jedním ze základních principů NOA, poskytuje pracovníkům servisu a údržby možnost přímo monitorovat stav zařízení, aniž by bylo třeba zasahovat do průběhu základních technologických procesů. Digitalizace však umožňuje více: např. úplnou správu výrobních prostředků a optimalizaci procesů prostřednictvím dodatečné analýzy provozních dat. NOA je proto důležitým krokem ve schopnosti využívat potenciál digitalizace ve stávajících systémech. Pro realizaci konceptu NOA v praxi, pro nové závody (na zelené louce) i závody stávající, nyní společnost Endress+Hauser nabízí chytré a jednoduché řešení: adaptér FieldPort SWA 50 (obr. 1).

Komunikační adaptér je určený pro provozní snímače s rozhraním HART a umožňuje přejít k digitálnímu přenosu dat, aniž by to zatěžovalo dosavadní komunikační kanály nebo ovlivňovalo architekturu systému. Nový adaptér FieldPort SWA50 přenáší z provozního přístroje paralelně s naměřenými hodnotami dodatečná data a lze jím snadno dovybavit jakékoliv přístroje s rozhraním HART. S tímto komunikačním modulem mohou operátoři využít potenciál digitalizace i ve stávajících průmyslových provozech.

Komunikačním adaptérem lze dovybavit snímače třetích stran

Až 90 % provozních přístrojů od firmy Endress+Hauser již má kromě nejběžnějšího analogového rozhraní s protokolem HART také digitální rozhraní, včetně rozhraní pro provozní sběrnice, jako jsou Profibus nebo Foundation Fieldbus. V praxi však v mnoha případech nejsou využívány ani signály HART. S novým bezdrátovým adaptérem FieldPort SWA50 mohou být všechny signály HART, včetně signálů ze snímačů od jiných výrobců, přenášeny současně s naměřenými hodnotami z provozní úrovně řízení do cloudu. Adaptér FieldPort SWA50 je jiskrově bezpečný (Ex ia). Je napájený proudovou smyčkou a lze jej snadno použít pro práci s přístroji s výstupem HART 5 až HART 7 od jakéhokoliv výrobce.

Bezdrátový přenos signálů HART

Signály HART lze poté přenášet z adaptéru FieldPort SWA50 směrem ke cloudu pomocí bezdrátových sítí WirelessHART nebo Bluetooth. Jestliže se používá Bluetooth, přenos je realizován přes modul FieldEdge SGC200 přímo do cloudového prostředí Netilion firmy Endress+Hauser. To poskytuje uživatelům přístup k mnoha službám, např. Netilion Analytics, Netilion Health a Netilion Value, které umožňují realizovat funkce, jako jsou sledování stavu nebo vzdálené zobrazení měřených hodnot. A s aplikací SmartBlue mohou uživatelé dokonce na dálku konfigurovat parametry provozního přístroje. V dalším kroku mohou být data prostřednictvím aplikačního programovacího rozhraní (Netilion Connect) přenesena do cloudového prostředí zákazníka nebo do systému ERP (obr. 2). U WirelessHART se k připojení používají moduly Endress+Hauser FieldGate SWG70 a FieldEdge SGC500; dále je postup stejný (obr. 3).

Shrnutí: jak snadno vytvořit systémy pro brownfieldy s podporou IIoT

Nedostatek možností přenosu dat z provozních zařízení byl doposud největší překážkou v implementaci konceptů IIoT a průmyslu 4.0, což zastavilo jakýkoliv pokrok v digitalizaci výrobních závodů typu brownfield v procesním průmyslu. Zavedením adaptéru FieldPort SWA50 je nyní možné provozní přístroje dovybavit komunikačními moduly a bezpečně využívat dostupná provozní data v aplikacích v cloudovém prostředí, jako je Netilion od firmy Endress+Hauser. To vše s minimálním úsilím a zcela bezpečně, protože komunikace probíhá podle doporučení NAMUR v druhém kanále, který nijak neovlivňuje řízení základních výrobních procesů. A protože se adaptér vyznačuje jiskrově bezpečnou konstrukcí Ex ia, lze tuto techniku bez omezení použít ve většině závodů v procesním průmyslu, což značně usnadňuje cestu pro IIoT a průmysl 4.0.

Literatura:

[1] BARTOŠÍK, Petr. Využít potenciál dat získaných z provozních zařízení – rozhovor s Matthiasem Altendorfem. Automa. Děčín: Automa – ČAT, 2018, (8-9), 15–17. Dostupné také z: https://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/11676.pdf

[2] BARTOŠÍK, Petr. Otevřená architektura NAMUR jako brána k využití přínosů průmyslu 4.0 v procesní výrobě. Automa. Děčín: Automa – ČAT, 2017, (4), 14–15. Dostupné také z: https://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/10145.pdf

[3] BARTOŠÍK, Petr. Valné zasedání NAMUR 2017: digitální transformace procesního průmyslu. Automa. Děčín: Automa – ČAT, 2018, (1), 45–47. Dostupné také z: https://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/11268.pdf

[4] BARTOŠÍK, Petr. Provozní přístrojová technika podporuje digitální transformaci. Automa. Děčín: Automa – ČAT, 2019, (1), 42–43. Dostupné také z: https://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/11958.pdf

[5] NE 175 – NAMUR Open Architecture (NOA) Concept. NAMUR – Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie e. V., Leverkusen. Poslední aktualizace dokumentu: červenec 2020. K zakoupení na https://www.beuth.de/en/technical-rule/namur-ne-175/329955409

(Text a obrázky: Endress+Hauser. Překlad a úprava: redakce)

Bezdrátový adaptér FieldPort SWA50

Adaptér FieldPort SWA50 převádí signály HART (verze HART 5, HART 6 nebo HART 7) z připojeného provozního zařízení na šifrovaný signál Bluetooth nebo WirelessHART. Přístroj lze použít pro snímače ve dvouvodičovém i čtyřvodičovém zapojení s rozhraním HART v běžném prostředí i v prostředí s nebezpečím výbuchu. Robustní kryt z korozivzdorné oceli umožňuje modul instalovat i v náročných podmínkách prostředí (–40 až +85 °C, IP66/IP68).

Výhody:

• spolehlivý a zabezpečený přenos měřených hodnot a parametrů prostřednictvím Bluetoothu nebo WirelessHART,
• snadné připojení ke všem provozním přístrojům s rozhraním HART s dvouvodičovým i čtyřvodičovým zapojením,
• jednoduché vytvoření komunikace mezi provozními přístroji a cloudem Netilion,
• adaptér je napájen z proudové smyčky, instalace adaptéru nijak neovlivní stávající přenos signálů ze snímače.

Obr. 1. Bezdrátový modul FieldPort SWA50

Obr. 2. Struktura komunikačního systému s FieldPort SWA50 s využitím komunikační sítě Bluetooth (dosah až 40 m)

Obr. 3. Struktura komunikačního systému s FieldPort SWA50 s využitím komunikační sítě WirelessHART (dosah až 200 m)