Błędny pomiar temperatury o kilka stopni, źle dobrany zakres przetwornika ciśnienia albo przepływomierz pracujący poza optymalnym zakresem potrafią zrobić więcej szkody niż awaria samego sterownika. Operator widzi przecież liczbę na ekranie i zakłada, że jest prawdziwa. Jeżeli urządzenie pomiarowe przekazuje błędną wartość, system PLC lub DCS może bardzo precyzyjnie wykonać… niewłaściwe działanie.
Dlatego aparatura kontrolno-pomiarowa nie powinna być dobierana na końcu projektu instalacji, jako zestaw czujników do uzupełnienia wolnych wejść sterownika. W praktyce od jakości pomiaru zależą stabilność regulacji, zużycie energii, powtarzalność produkcji, bezpieczeństwo procesu i możliwość znalezienia przyczyny awarii.
Do tej grupy urządzeń należą między innymi czujniki i przetworniki temperatury, ciśnienia, poziomu, przepływu, wilgotności, pH, przewodności czy stężenia gazów, a także analizatory, rejestratory, mierniki elektryczne, kalibratory oraz aparatura diagnostyczna. W nowoczesnej instalacji coraz częściej nie są to już proste urządzenia podające jedną wartość analogową. Potrafią przekazywać informacje diagnostyczne, zapisywać parametry pracy i komunikować się bezpośrednio z systemem nadrzędnym.
Dobry pomiar zaczyna się przed wyborem konkretnego czujnika
Najczęstszy błąd pojawia się już przy formułowaniu zapytania: „potrzebujemy czujnika ciśnienia 0–10 bar”. Sam zakres to za mało.
Przed wyborem urządzenia trzeba ustalić przynajmniej:
-
co dokładnie ma być mierzone,
-
jaki jest rzeczywisty zakres roboczy procesu,
-
jaka dokładność jest potrzebna technologicznie,
-
jakie mogą wystąpić wartości maksymalne i chwilowe przeciążenia,
-
jaka jest temperatura medium i otoczenia,
-
czy medium jest agresywne chemicznie, lepkie, ścierne albo podatne na krystalizację,
-
jaki sygnał powinien trafić do systemu automatyki,
-
czy punkt pomiarowy znajduje się w strefie zagrożonej wybuchem,
-
jak urządzenie będzie serwisowane i wzorcowane.
To właśnie te informacje decydują o technologii pomiaru.
Przy pomiarze temperatury zwykły Pt100 może być rozsądnym rozwiązaniem dla wielu procesów przemysłowych, ale w aplikacjach wysokotemperaturowych częściej stosuje się termopary. Jeżeli czujnik pracuje w rurociągu pod ciśnieniem, dochodzi kwestia osłony termometrycznej, jej materiału, długości zanurzenia i wytrzymałości mechanicznej.
W pomiarach poziomu różnica jest jeszcze większa. Hydrostatyczny przetwornik ciśnienia sprawdzi się w wielu zbiornikach z cieczą, lecz jego wskazanie zależy od gęstości medium. Radarowy pomiar poziomu nie wymaga kontaktu z produktem i dobrze nadaje się do wielu zbiorników procesowych, ale geometria zbiornika, mieszadła, króćce czy pienienie produktu nadal mogą mieć znaczenie. Czujnik ultradźwiękowy jest prostszy, lecz para, turbulencje lub warunki temperaturowe mogą pogorszyć stabilność wskazań.
Podobnie jest z przepływem. Nie istnieje jeden „najlepszy przepływomierz”.
Przepływomierz elektromagnetyczny dobrze pasuje do przewodzących cieczy i nie wprowadza ruchomych elementów do strumienia. Nie nadaje się jednak do typowego pomiaru gazów ani cieczy o zbyt małej przewodności.
Przepływomierz Coriolisa może mierzyć bezpośrednio przepływ masowy i gęstość, oferując bardzo dobre parametry metrologiczne, ale jest droższy i przy większych średnicach rurociągu jego koszt szybko rośnie.
Przepływomierze wirowe, termiczne, ultradźwiękowe czy wykorzystujące różnicę ciśnień mają własne obszary, w których są najbardziej opłacalne. Technologię trzeba dobierać do medium, zakresu przepływu, wymaganej dokładności oraz warunków zabudowy.
Istotne jest również prawidłowe dobranie zakresu. Przetwornik o zakresie 0–100 bar zamontowany w procesie pracującym przez większość czasu przy 2–5 bar może być technicznie poprawny, ale metrologicznie będzie znacznie gorszym wyborem niż urządzenie dopasowane do faktycznego obszaru pracy.
W praktyce najpierw ustala się zakres roboczy procesu, następnie dopuszczalne odchylenie pomiaru, a dopiero później wybiera urządzenie.
Nie należy też utożsamiać rozdzielczości wyświetlacza z dokładnością. To, że miernik pokazuje wynik z trzema miejscami po przecinku, nie oznacza, że z taką dokładnością mierzy.
Od sygnału 4–20 mA do inteligentnego punktu pomiarowego
Klasyczny standard 4–20 mA pozostaje bardzo popularny w automatyce procesowej i nie bez powodu. Jest odporny na wiele typowych problemów transmisji analogowej, dobrze nadaje się do przesyłania sygnału na większe odległości, a wartość 4 mA pozwala odróżnić dolny koniec zakresu od całkowitego braku sygnału.
W praktycznej instalacji wygląda to prosto: przetwornik mierzy wartość procesową i zamienia ją na prąd odpowiadający skonfigurowanemu zakresowi. Przykładowo dla przetwornika 0–10 bar sygnał 4 mA odpowiada 0 bar, 12 mA około 5 bar, a 20 mA — 10 bar.
Problem zaczyna się wtedy, gdy trzeba wiedzieć więcej niż tylko „ile wynosi ciśnienie”.
Dlatego w aparaturze przemysłowej powszechnie stosowane są rozwiązania cyfrowe i hybrydowe, takie jak HART, Modbus RTU, Modbus TCP, PROFIBUS, PROFINET czy IO-Link. W zależności od urządzenia i architektury instalacji można dzięki nim odczytać nie tylko wartość mierzoną, ale także parametry konfiguracyjne i informacje diagnostyczne.
To zmienia sposób utrzymania ruchu. Zamiast czekać na całkowitą utratę sygnału, można wychwycić pogarszający się stan punktu pomiarowego wcześniej.
Nie oznacza to jednak, że należy wymieniać każdą prostą pętlę 4–20 mA na komunikację cyfrową. Najbardziej rozbudowana komunikacja nie zawsze jest najlepszym wyborem. Jeżeli urządzenie wykonuje prosty pomiar pomocniczy, pracuje stabilnie i nie wymaga zaawansowanej diagnostyki, komplikowanie architektury może jedynie zwiększyć liczbę elementów wymagających konfiguracji.
Inaczej wygląda sytuacja na instalacji krytycznej, w dużym zakładzie albo w procesie, w którym kilkaset lub kilka tysięcy punktów pomiarowych trzeba centralnie nadzorować. Tam możliwość zdalnego odczytu parametrów, identyfikacji urządzenia i diagnostyki ma realną wartość.
Dane mogą trafiać do:
-
sterowników PLC,
-
systemów DCS,
-
wizualizacji HMI,
-
systemów SCADA,
-
rejestratorów,
-
baz danych procesowych i historianów,
-
aplikacji utrzymania ruchu oraz systemów analizy stanu maszyn.
Samo gromadzenie danych nie poprawia jednak procesu. Typowa instalacja potrafi produkować ogromną liczbę alarmów, z których operator po pewnym czasie zaczyna ignorować znaczną część.
Znacznie ważniejsze jest określenie, które zmienne naprawdę wymagają alarmowania i jaka reakcja ma nastąpić po przekroczeniu granicy.
Jeżeli normalna temperatura procesu wynosi 80°C, ostrzeżenie przy 82°C i alarm przy 83°C mogą powodować dziesiątki niepotrzebnych komunikatów. Jeżeli zagrożenie pojawia się dopiero powyżej 100°C, progi trzeba ustawić na podstawie technologii, bezpiecznego czasu reakcji i dynamiki procesu, a nie intuicji programisty.
Jeszcze poważniejszym błędem jest używanie jednego pomiaru jednocześnie do regulacji i realizacji funkcji bezpieczeństwa bez odpowiedniej analizy ryzyka. W instalacjach, dla których projektowane są funkcje bezpieczeństwa SIS, znaczenie mogą mieć wymagania norm IEC 61508 i IEC 61511 oraz odpowiedni poziom SIL. Certyfikat urządzenia nie oznacza jednak automatycznie, że cały układ osiąga dany poziom bezpieczeństwa — liczy się kompletna architektura funkcji, sposób instalacji, diagnostyka, prawdopodobieństwo uszkodzenia oraz okresowe testy.
Osobna kwestia dotyczy stref zagrożonych wybuchem. W Unii Europejskiej urządzenia przeznaczone do pracy w atmosferach potencjalnie wybuchowych podlegają wymaganiom ATEX, wynikającym między innymi z dyrektywy 2014/34/UE. Samo stwierdzenie, że obudowa urządzenia jest szczelna albo „przemysłowa”, absolutnie nie wystarcza. Liczą się oznaczenia Ex, kategoria lub poziom zabezpieczenia urządzenia, grupa, klasa temperaturowa i zgodność wykonania z wymaganiami konkretnej strefy.
Wzorcowanie, diagnostyka i eksploatacja decydują o wartości całego systemu
Nawet wysokiej klasy aparatura nie pozostaje dokładna tylko dlatego, że producent podał dobry parametr w katalogu.
Czujniki pracują pod wpływem temperatury, ciśnienia, drgań, zmian wilgotności, środków chemicznych i starzenia materiałów. W niektórych zastosowaniach pojawiają się osady, korozja, dryft elementu pomiarowego lub stopniowe zabrudzenie powierzchni mającej kontakt z medium.
Dlatego urządzenie trzeba oceniać nie tylko w dniu zakupu, ale przez cały cykl życia punktu pomiarowego.
Jednym z podstawowych działań jest wzorcowanie. Polega ono na określeniu zależności pomiędzy wskazaniem badanego przyrządu a wartością odniesienia zapewnianą przez odpowiedni wzorzec. W Polsce usługi wzorcowania realizują między innymi laboratoria akredytowane oraz Główny Urząd Miar, którego pomiary mają odniesienie do państwowych wzorców jednostek miar powiązanych z układem SI.
W zakładzie przemysłowym trzeba przede wszystkim rozróżnić wzorcowanie i legalizację. To nie są synonimy. Prawnej kontroli metrologicznej podlegają określone przepisami kategorie przyrządów. Typowy czujnik procesowy zamontowany na linii produkcyjnej nie staje się automatycznie urządzeniem wymagającym legalizacji tylko dlatego, że mierzy temperaturę lub ciśnienie.
Częstotliwości wzorcowania także nie powinno się kopiować z jednej procedury na cały zakład.
Interwał może zależeć od:
-
krytyczności pomiaru dla produktu lub bezpieczeństwa,
-
stabilności konkretnego typu przyrządu,
-
warunków środowiskowych,
-
historii poprzednich wzorcowań,
-
wymagań systemu jakości,
-
instrukcji producenta,
-
wymagań klienta lub danej technologii.
Jeżeli czujnik przez kilka kolejnych wzorcowań zachowuje stabilność z dużym zapasem w stosunku do dopuszczalnej tolerancji, można analizować wydłużenie odstępu. Jeżeli wynik zaczyna dryfować, interwał trzeba skrócić albo znaleźć przyczynę.
Najgorsza praktyka wygląda inaczej: urządzenie jest wzorcowane raz w roku tylko dlatego, że „tak było zawsze”. Nie wiadomo, dlaczego właśnie co 12 miesięcy i czy pomiędzy wzorcowaniami nie przekracza dopuszczalnego błędu.
Przy punktach krytycznych znaczenie ma także ustalenie, co zrobić po stwierdzeniu wyniku poza tolerancją. Samo wyregulowanie czujnika nie rozwiązuje sprawy. Trzeba ustalić, od kiedy wskazanie mogło być błędne i czy wcześniejsze partie produktu, rozliczenia albo decyzje procesowe pozostają wiarygodne.
To jeden z najbardziej niedocenianych aspektów metrologii przemysłowej.
Drugim jest instalacja.
Dobry czujnik zamontowany źle będzie mierzył źle.
Do typowych problemów należą:
-
źle wybrane miejsce pomiaru temperatury,
-
zbyt krótka głębokość zanurzenia czujnika,
-
impulsy ciśnienia przekraczające zakres przetwornika,
-
niewłaściwe odcinki proste przed przepływomierzem wymagającym ustabilizowanego profilu przepływu,
-
montaż czujnika poziomu w miejscu silnych zakłóceń od mieszadła,
-
nieprawidłowe prowadzenie przewodów sygnałowych obok przewodów zasilających silniki,
-
brak prawidłowego ekranowania lub uziemienia,
-
niedostosowanie materiałów zwilżanych do agresywnego medium,
-
kondensacja wilgoci wewnątrz obudowy albo puszki przyłączeniowej.
Nie da się tego naprawić zakupem urządzenia o dwukrotnie lepszej dokładności katalogowej.
Trzeba też uważać na diagnostykę predykcyjną. Jest bardzo użyteczna, ale nie jest magicznym mechanizmem przewidującym każdą awarię. Jeżeli uszkodzenie następuje nagle i wcześniej nie powoduje mierzalnej zmiany parametrów, model trendowy może nie dać żadnego ostrzeżenia. Predykcja działa najlepiej tam, gdzie awarię poprzedza obserwowalny proces degradacji.
Dobry system kontrolno-pomiarowy powinien więc mieć cztery warstwy: właściwie dobraną technologię pomiarową, poprawny montaż, sensowną integrację z automatyką oraz procedurę kontroli metrologicznej. Pominięcie którejkolwiek z nich szybko wychodzi na jaw podczas eksploatacji.
FAQ
Jakie urządzenia zalicza się do aparatury kontrolno-pomiarowej?
Między innymi czujniki i przetworniki temperatury, ciśnienia, przepływu i poziomu, mierniki wilgotności, analizatory pH i przewodności, detektory gazów, mierniki parametrów elektrycznych, rejestratory danych, kalibratory oraz urządzenia diagnostyczne.
Czy sygnał 4–20 mA jest już przestarzały?
Nie. Nadal jest szeroko stosowany w automatyce procesowej dzięki prostocie, odporności i bardzo dużej bazie kompatybilnych urządzeń. Komunikację cyfrową warto stosować wtedy, gdy potrzebna jest dodatkowa diagnostyka, konfiguracja lub większa ilość danych.
Jak często trzeba wzorcować czujniki przemysłowe?
Nie istnieje jeden prawidłowy okres dla wszystkich urządzeń. Interwał ustala się na podstawie krytyczności pomiaru, warunków pracy, historii dryftu, wymagań jakościowych i zaleceń producenta. Dla jednego punktu uzasadnione może być kilka miesięcy, dla stabilnego urządzenia pomocniczego — znacznie dłużej.
Czy każdy przyrząd pomiarowy musi mieć legalizację?
Nie. Legalizacja jest elementem prawnej kontroli metrologicznej i dotyczy określonych kategorii przyrządów wskazanych w przepisach. W przemysłowym systemie jakości znacznie częściej spotyka się okresowe wzorcowanie niż legalizację każdego czujnika procesu.
Czy dokładniejszy czujnik zawsze jest lepszy?
Nie. Urządzenie o bardzo dobrej dokładności niczego nie poprawi, jeżeli zostało źle zamontowane, ma niewłaściwy zakres albo proces sam wykazuje większą zmienność niż błąd pomiaru. Najpierw trzeba określić wymaganą niepewność i tolerancję procesu.
Kiedy potrzebna jest aparatura w wykonaniu ATEX?
Gdy urządzenie ma pracować w miejscu sklasyfikowanym jako przestrzeń zagrożona wybuchem. Dobór musi uwzględniać konkretną klasyfikację strefy, rodzaj atmosfery wybuchowej i oznaczenia urządzenia. Sama wysoka klasa szczelności IP nie zastępuje certyfikacji przeciwwybuchowej.
Czy można podłączyć każdy nowoczesny czujnik do PLC?
Nie automatycznie. Trzeba sprawdzić rodzaj sygnału wyjściowego, zasilanie, zakres wejścia sterownika, izolację, sposób skalowania oraz obsługiwany protokół komunikacyjny. W przypadku sieci cyfrowych dochodzi jeszcze konfiguracja urządzenia i zgodność infrastruktury komunikacyjnej.
Co sprawdzić jako pierwsze przed modernizacją aparatury?
Nie katalog nowych urządzeń, lecz listę punktów pomiarowych powodujących problemy. Najpierw trzeba sprawdzić, które pomiary wpływają na bezpieczeństwo, jakość produktu, częste alarmy albo przestoje, a następnie przeanalizować zakres, dokładność, sposób montażu i historię wzorcowań. Dopiero wtedy wiadomo, czy problemem jest stary czujnik, zła technologia pomiaru, instalacja czy konfiguracja systemu.
Jeżeli trzeba wybrać jedno działanie na początek, należy zrobić przegląd krytycznych pętli pomiarowych, a nie masową wymianę aparatury. Dla każdego istotnego punktu warto zestawić zakres procesu, zakres urządzenia, dopuszczalny błąd, warunki pracy, sposób transmisji sygnału oraz ostatnie wyniki wzorcowania. Najpierw usuwa się pomiary pracujące poza właściwym zakresem i punkty, których wskazaniom nie można metrologicznie zaufać. Dopiero później ma sens inwestowanie w dodatkową diagnostykę, komunikację cyfrową czy analitykę predykcyjną.
Dodatkowe informacje na: https://www.merserwis.pl