Monitoring, pomiar i automatyzacja w optymalnym wydaniu

W bieżącym wydaniu naszego miesięcznika wiodącym tematem jest automatyzacja w branży wodno-kana­lizacyjnej. Siemens dostarcza m.in. rozwiązania dla tego sektora. Jakie rodzaje urządzeń notują dziś największe zainteresowanie odbiorców?

W aplikacjach z tej branży podstawową wielkością mierzoną jest oczywiście przepływ wody i ścieków, a także innych mediów używanych w procesach uzdatniania czy oczyszczania. Podstawowym urządzeniem pomiarowym stosowanym w branży wodno-kanalizacyjnej jest niezmiennie przepływomierz elektromagnetyczny. W ostatnich latach przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjne tworzą systemy monitoringu sieci wodociągowych, w których podstawowym urządzeniem pomiarowym jest przepływomierz elektromagnetyczny z zasilaniem bateryjnym. Można go zainstalować w dowolnym miejscu sieci, a konstrukcja czujnika pozwala nawet na montaż bezpośrednio w ziemi, bez konieczności budowania komory pomiarowej. Podłączenie tego typu przepływomierza do systemu telemetrycznego umożliwia szybką identyfikację wycieków, jak również monitorowanie przepływów w poszczególnych gałęziach. W następnej kolejności po przepływomierzach elektromagnetycznych szerokie zastosowanie znajdują przetworniki ciśnienia oraz urządzenia do ciągłego pomiaru poziomu lub sygnalizacji poziomu. W aplikacjach, które nie wymagają dużej dokładności pomiarowej jako alternatywa dla przepływomierzy elektromagnetycznych stosowane są również ultradźwiękowe przepływomierze bezinwazyjne. Umożliwiają montaż urządzenia pomiarowego bez konieczności opróżniania i rozcinania rurociągu oraz bez przerywania procesu. Innym ciekawym rozwiązaniem, które pozwala na zredukowanie kosztów montażu przy zachowaniu dużej dokładności pomiarowej – na poziomie 0,5 proc. – jest przepływomierz ultradźwiękowy SONOKIT, który instaluje się na istniejącym rurociągu bez konieczności jego rozcinania. Jest to szczególnie opłacalne w przypadku średnic rurociągów powyżej DN500, a dalsze oszczędności można osiągnąć dzięki zastosowaniu specjalnych narzędzi, umożliwiających montaż sond na nieopróżnionym rurociągu.

Jak z perspektywy ostatnich lat ocenia Pan poziom automatyzacji w branży wodno-kana­lizacyjnej?

Obecnie branża wodno-kanalizacyjna niewiele odbiega pod tym względem od innych branż przemysłowych. Zarówno w obiektach nowo budowanych, jak i modernizowanych powszechne jest wykorzystywanie systemów sterowania klasy DCS, takich jak Simatic PCS 7, które dotychczas stosowane były głównie w energetyce, przemyśle chemicznym czy branży spożywczej i farmaceutycznej. Dotyczy to nie tylko dużych obiektów, jak np. oczyszczalnia ścieków „Czajka” w Warszawie, ale również oczyszczalni średniej wielkości – np. oczyszczalnia ścieków w Piotrkowie Trybunalskim. Tego typu instalacje nie różnią się zasadniczo od instalacji w przemyśle chemicznym czy energetyce, gdyż procesy technologiczne, którymi należy sterować, są procesami ciągłymi, a tego typu zakłady pracują w cyklu 24-godzinnym. Z tego względu wymagania klientów branży wodno-kanalizacyjnej są obecnie zbliżone do oczekiwań odbiorców z innych branż przemysłowych. Oprócz automatyzacji sterowania technologią uzdatniania czy oczyszczania możliwa jest zdalna diagnostyka urządzeń pomiarowych oraz diagnostyka predyktywna, co pozwala uniknąć poważniejszych awarii i przestojów instalacji.

W ostatnich miesiącach została znowelizowana ustawa Prawo wodne. Czy zmiana przepisów prawnych w tym obszarze przekłada się na modyfikację portfolio takich firm jak Siemens?

Ustawa Prawo Wodne z dnia 20 lipca 2017 r. nie precyzuje w sposób szczegółowy kwestii związanych z urządzeniami pomiarowymi przeznaczonymi do monitorowania poboru wód oraz odprowadzania ścieków do wód. Mamy nadzieję, że w najbliższej przyszłości zostaną opublikowane przepisy szczegółowe regulujące tę kwestię. Niemniej jednak firma Siemens oferuje przepływomierze przeznaczone do rozliczeń zgodnie z Dyrektywą 2014/32/EU Parlamentu Europejskiego i Rady z 26 lutego 2014 r. dla urządzeń pomiarowych (MID) w zakresie średnic DN50 do DN1200.

Z prognoz firmy MarketsandMarkets wynika, że światowy rynek mierników przepływu, którego wartość systematycznie rośnie, będzie w 2019 r. wart blisko 8 mld dolarów, a na czele najpopularniejszych rozwiązań pozostaną przepływomierze elektromagnetyczne. Jak pod tym względem prezentuje się polski rynek?

Zdecydowanie przepływomierze elektromagnetyczne stanowią ilościowo największą część sprzedaży ogółu dostarczanych na rynek przepływomierzy. Wynika to z faktu, że można je zastosować do pomiarów w większości aplikacji, gdzie występują ciecze przewodzące, np. woda i jej roztwory, ścieki komunalne i przemysłowe, kwasy, zasady czy mleko, śmietana, napoje itp. Decydującą rolę odgrywa w tym przypadku cena, która w stosunku do właściwości pomiarowych jest dla tego typu przepływomierzy korzystna niezależnie od branży. Nawet w przypadku przemysłu chemicznego, w którym występują ciecze silnie korozyjne, ale przewodzące, a pomiar prowadzony jest w strefie zagrożenia wybuchem, zastosowanie przepływomierza elektromagnetycznego jest optymalnym cenowo rozwiązaniem. Ponadto tego typu mierniki mają łatwe do spełnienia wymagania montażowe, jak np. stosunkowo krótkie wymagane odcinki prostoliniowe. Aplikacji, w których nie da się zastosować przepływomierzy elektromagnetycznych jest zdecydowanie mniej i należą do nich pomiary przepływu cieczy nieprzewodzących typu ciekłe węglowodory, woda zdemineralizowana, woda w zamkniętych obiegach ciepłowniczych, oleje spożywcze itp. Z tego względu w przemyśle rafineryjnym czy petrochemicznym oraz ciepłownictwie przepływomierze elektromagnetyczne znajdują ograniczone zastosowanie jedynie w instalacjach pomocniczych.

Pomiary przepływu stosuje się w różnych branżach i procesach technologicznych. Jakie kluczowe elementy powinny decydować o doborze metody pomiaru oraz właściwego przepływomierza? Na ile istotnym czynnikiem przy wyborze jest koszt rozwiązania?

Cena jest niestety obecnie kluczowym elementem wyboru urządzenia. Wprowadzane coraz częściej przez działy zakupów platformy zakupowe, na których dostawcy startują w aukcjach, powodują, że jakość urządzenia czy właściwości metrologiczne i użytkowe schodzą na dalszy plan. Nawet precyzyjnie napisana przez dział techniczny klienta specyfikacja przetargowa nie zawsze gwarantuje, że zakupiony towar będzie spełniał oczekiwania użytkownika końcowego. Aby zagwarantować dobór właściwego przepływomierza, pracownicy wsparcia technicznego naszej firmy zawsze kierują się danymi procesowymi, takimi jak rodzaj mierzonego medium, jego ciśnienie i temperatura, zakres przepływu, oczekiwana dokładność pomiarowa oraz inne wymagania, np. montażowe czy materiałowe. Dopiero na podstawie takiego doboru, jeśli dostępne jest więcej niż jedno rozwiązanie, w celu optymalizacji przyjmowane jest kryterium ceny. W przypadku trudnych aplikacji, gdzie występuje kilka rozwiązań i każde z nich ma zarówno wady, jak i zalety, wybór rozwiązania pozostawiamy klientowi.

W najbliższych latach zaczną obowiązywać nowe wymagania prawne związane z dziedziną analityki pomiarowej. Na ile dużym wyzwaniem będzie to dla działających w tym sektorze firm?

Nowe wymagania prawne wprowadzają bardziej restrykcyjne limity dopuszczalnej ilości zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek siarki, tlenek azotu i pyły, a dla elektrowni i elektrociepłowni spalających węgiel rozszerzają listę monitorowanych składników o rtęć, chlorowodór, amoniak i fluorowodór. Termin przewidziany na dostosowanie instalacji do nowych wymogów wynosi cztery lata od dnia publikacji decyzji w Dzienniku Urzędowym Komisji Europejskiej i upływa w połowie 2021 r. 

Zaostrzenie rygorów emisyjnych jest bardziej wyzwaniem finansowym niż technicznym, zwłaszcza w przypadku mniejszych obiektów energetycznych, które nie były do tej pory objęte stałym monitoringiem emisji spalin. Elektrownie i elektrociepłownie, które już monitorują emisję spalin w sposób ciągły, również muszą zmodernizować istniejące układy pomiarowe, aby spełnić nowe wymogi. W tym przypadku jednak zmiana nie jest aż tak rewolucyjna. Ponadto inwestycje w systemy odsiarczania i odazotowania spalin, które zostały przeprowadzone w ostatnich latach w większości dużych elektrowni i elektrociepłowni umożliwiają spełnienie wymagań nowych, zaostrzonych norm dotyczących emisji.

Co najczęściej generuje błędy w pomiarach?

Jeśli chodzi o systemy do ciągłego monitoringu emisji spalin w energetyce, metodologia pomiarów jest na tyle opanowana i powtarzalna, że nie występują w tym obszarze poważniejsze problemy. Wyzwanie tkwi natomiast w systemach do monitoringu emisji w przemyśle, a w szczególności w przemyśle chemicznym i petrochemicznym oraz hutnictwie. Najistotniejszym elementem w takim przypadku jest układ przygotowania próbki. Nawet dogłębna znajomość procesu nie daje gwarancji sukcesu, gdyż nie zawsze udaje się prawidłowo przygotować próbkę do analizy, a dodatkowo pojawiające się interferencje skrośne pochodzące od różnych składników mogą zakłócić pomiar. Często pojawiają się problemy z korozją części zastosowanych w takim układzie i nie zawsze udaje się je całkowicie wyeliminować, co wiąże się z koniecznością okresowej wymiany szybko zużywających się elementów. W praktyce każdy taki system jest niepowtarzalny i niejednokrotnie trzeba go modyfikować w trakcie zdobywania doświadczenia podczas eksploatacji.

Nieodzownym elementem pomiarów procesowych jest rejestracja i transmisja danych. Jak idealnie połączyć jedno z drugim?

Funkcje rejestracji i archiwizacji danych są integralną częścią obecnie stosowanych w przemyśle systemów sterowania, jak np. w Simatic PCS 7. W zależności od architektury oraz liczby wejść/wyjść taki system, podobnie jak ubranie u krawca, jest „szyty na miarę”. Taka skalowalność jest ogromną zaletą, gdyż klient płaci tylko za to, co w danym momencie jest mu potrzebne, bez utraty funkcjonalności, a w przyszłości może system bez problemu rozbudowywać.

Nadal najczęściej stosowanym sygnałem z urządzeń pomiarowych jest sygnał analogowy 4–20 mA z komunikacją HART lub bez niej. W przypadku większych oraz nowych instalacji stosowana jest komunikacja cyfrowa Profibus. W małych aplikacjach, jak np. pompownie, używany jest również protokół komunikacyjny Modbus. W pomiarach, które nie są kluczowe ze względu na sterowanie procesem, a zmiany wielkości mierzonej są powolne – np. monitoring stanów magazynowych – można stosować komunikację radiową z wykorzystaniem protokołu HART, tzw. wireless HART. Istotne znaczenie z punktu widzenia niezawodności systemu sterowania mają zastosowane komponenty sieciowe, które za pośrednictwem protokołów cyfrowych Profibus lub Profinet przesyłają do systemu dane z oddalonych wysp wejść/wyjść. W przypadku ważnych instalacji procesowych, pracujących w ruchu ciągłym, klient wymaga przede wszystkim, aby zarówno system sterowania, jak i komponenty sieciowe pochodziły od jednego producenta – zapewnia to bezpieczeństwo całej instalacji. W tym przypadku znaczenie mają nawet nieistotne z pozoru elementy, jak wtyczki czy przewody. Istotnym wymaganiem jest również umożliwienie komunikacji dwustronnej między systemem a inteligentnym urządzeniem pomiarowym, gdyż tylko dzięki temu można w pełni wykorzystać funkcje zdalnej diagnostyki.

Siemens oferuje różnego typu urządzenia w ramach Totally Integrated Automation. Które z nich cieszą się największą popularnością?

Nasza firma bez wątpienia jest liderem na rynku automatyki w zakresie systemów sterowania i dlatego największą popularnością wśród klientów niezmiennie cieszą się produkty z rodziny Simatic. W procesach dyskretnych występujących w różnych branżach, np. w przemyśle samochodowym czy maszynowym, szerokie zastosowanie znajdują sterowniki programowalne z rodziny Simatic S7-1200 i S7-1500, natomiast w procesach ciągłych występujących w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, spożywczym – system sterowania klasy DCS, jakim jest Simatic PCS 7.

Obecnie klienci coraz częściej wymagają, aby wszystkie komponenty automatyki pochodziły od jednego producenta. Siemens jako jeden z nielicznych dostawców na rynku może zaoferować sterowniki programowalne czy system DCS wraz z urządzeniami infrastruktury sieciowej, aparaturą łączeniową oraz aparaturą kontrolno-pomiarową.

Wszechobecnym dzisiaj tematem są Przemysł 4.0, Internet Rzeczy i Przemysłowy Internet Rzeczy. Siemens ma w tym obszarze bardzo mocną pozycję. Jakie są Pana obserwacje odnośnie realizacji założeń tej transformacji w praktyce na polskim rynku?

Siemens jest wiodącą firmą technologiczną w zakresie Przemysłu 4.0, toteż nie tyle reagujemy na ten trend, co sami go kreujemy. Inwestując w najnowocześniejsze rozwiązania związane z przechowywaniem danych przemysłowych w chmurze, czego efektem jest już działająca platforma MindSphere, czy tworząc cyfrowe bliźniaki instalacji przemysłowych nasza firma jest centrum kompetencji w tym zakresie. Świadomość przedstawicieli świata przemysłu rośnie, co jest optymistycznym sygnałem. Z badania Smart Industry 2017, które Siemens przeprowadził wspólnie z Ministerstwem Rozwoju na grupie MŚP, wynika jednak, że polskie przedsiębiorstwa są wciąż jeszcze zbyt zamknięte na informacje z zewnątrz i kooperację. Braki widać szczególnie we współpracy z ośrodkami naukowymi, a częstą barierą jest niedobór funduszy na zakup technologii i patentów.

Istotnymi utrudnieniami we wprowadzaniu nowych technologii w firmach produkcyjnych, dostrzeganymi przez samych przedsiębiorców MŚP, są przeszkody natury formalnej. W tym punkcie respondenci badania wymieniają biurokrację oraz brak wsparcia czy zachęt ze strony organów publicznych. Do barier w rozwoju technologii cyfrowych trzeba też zaliczyć ograniczone możliwości finansowania, brak dostępu do wykwalifikowanych kadr oraz obawy przed ryzykiem braku zwrotu z inwestycji. To się jednak zmienia, podobnie jak zmienia się poziom świadomości zagrożeń. Ubiegłoroczny atak hakerski na wiele europejskich przedsiębiorstw, w tym również polskich, spowodował ogromny wzrost zainteresowania tym tematem, a co za tym idzie – wiele inwestycji związanych z poprawą stanu bezpieczeństwa. Trzeba pamiętać, że Przemysł 4.0 to pewien etap rozwoju szeroko pojętej cyfryzacji obejmującej obszary zastosowań od Przemysłowego Internetu Rzeczy, przez technologię chmury, aż po produkty wirtualne. Pod tym względem nasz przemysł jest bardzo zróżnicowany, a poziom przygotowania zależy od branży. Bardzo dobrze rozwinięty cyfrowo jest sektor automotive, szczególnie producenci OEM. Rynek motoryzacyjny od dawna przoduje i wymusza przemiany w całej produkcji przemysłowej. Obserwujemy także duży postęp w przemyśle procesowym, gdzie cyfryzacja i bezpieczeństwo procesów są głównymi elementami zmian.

Paweł Olszak

Absolwent Politechniki Warszawskiej Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych. Kierownik Działu Rozwoju Sprzedaży w firmie Siemens, z którą związany jest od 2003 r. Od 18 lat zajmuje się w aparaturą kontrolno-pomiarową i aplikacjami urządzeń pomiarowych we wszystkich branżach przemysłowych.

źródło: Automatyka 4/2018