Автоматизация технологической арматуры является давней практикой. В зависимости от конкретных отраслевых требований и области применения используются электрические или пневматические приводы. Существует множество различных концепций автоматизации приводов, даже в рамках одной технологии. Например, при использовании пневматики приводы могут управляться отдельными электропневматическими клапанами или группами клапанов (пневмоострова), в зависимости от типа системы. Обе концепции имеют преимущества, поэтому их нужно подбирать под ваши конкретные требования.
В настоящее время цифровизация является широко обсуждаемой темой, в т. ч. в отношении приводов для трубопроводной арматуры. В следующем разделе показаны новые возможности, которые открывает цифровизация, и преимущества, которые она предлагает для промышленного производства, а также описаны первые случаи использования искусственного интеллекта (ИИ) в этой области применения. Устоявшиеся концепции управления пневмоприводом (рис. 1) представляют собой управление с использованием отдельных ЭПК либо с помощью пневмоостровов. Отдельные клапаны имеют определенные преимущества, например при автоматизации больших систем. Преимуществами пневмоостровов являются их компактная конструкция и возможность интеграции дополнительных функций, их экономическая эффективность за счет экономии на дискретных выходах и их способность диагностировать сам компонент, а также процесс.
Однако цифровизация открывает совершенно новые возможности, которые могут способствовать экономии на всех этапах жизненного цикла систем.
Одним из таких компонентов является цифровой терминал Festo Motion Terminal VTEM (рис. 2). В последние годы на рынке появились устройства, которые позволяют использовать широкий спектр функций на стандартизированной аппаратной (HW – hardware) платформе. Ярким примером этого является смартфон. Эта концепция разделения HW и пользовательского программного обеспечения – так называемых приложений – была применена к VTEM. Клапанный терминал был оснащен дополнительными датчиками, с помощью которых были объединены механика, электроника и программное обеспечение. До 50 различных пневматических сценариев может быть реализовано на одном и том же оборудовании с использованием различных приложений. Это устраняет противоречие между стандартизацией и гибкостью систем. Для данной системы могут постоянно разрабатываться и добавляться новые приложения, например, для определения конечного положения отсечных клапанов, что устраняет необходимость в традиционных концевых выключателях.
На этапе проектирования каждый привод рассчитывается с более высоким крутящим моментом или усилием, чем необходимо для работы. Этот коэффициент запаса варьируется до 100 % необходимого крутящего момента или усилия в зависимости от задачи. Особенно это заметно по расходу сжатого воздуха в системах с непрерывной работой. Приложение ECO Drive motion позволяет сократить увеличенное потребление сжатого воздуха, вызванное переразмеренным приводом, и снизить давление в приводе до необходимого минимума. Это означает, что потребляется меньше сжатого воздуха.
Опыт показал, что это приводит к экономии энергии до 50 %. Данное приложение особенно интересно для систем с постоянным потреблением сжатого воздуха, таких как упаковка сыпучих материалов. Еще одним преимуществом является то, что не требуется вмешательства в контроллеры верхнего уровня, и в шинных системах не создаются дополнительные сигналы, поскольку приложение работает локально.
Выявление утечек в повседневных операциях обычно занимает значительное время. В непрерывных производственных процессах приложение для диагностики утечек предлагает пользователю множество преимуществ. Оно позволяет быстро обнаруживать неисправности, поскольку утечки могут быть связаны с работой приводов и таким образом могут быть точно локализованы. Кропотливый поиск и устранение неполадок в сетях больше не требуется, а устранение утечек может начаться незамедлительно. Перед запуском системы в работу количество циклов переключения может быть зафиксировано в системе управления, а при достижении указанного количества будет произведена проверка возможных утечек.
В некоторых отраслях промышленности время хода клапана чрезвычайно важно. С помощью приложения «Предварительная настройка времени хода» оно может быть изначально установлено в цифровом виде, т. е. теперь время хода больше не зависит от настроенных конечных положений, а зависит от установленной продолжительности, например, в секундах, с помощью приложения. VTEM самостоятельно изменяет давление воздуха в приводе, чтобы достигнуть требуемой скорости перемещения. Еще одним преимуществом этого приложения является то, что время хода постоянно контролируется во время работы. Как только время переключения клапана меняется, например, из-за повышенного трения вследствие износа, система автоматически адаптирует значения скорости, чтобы снова достичь заданной продолжительности. Преимущества: уменьшение времени и усилий на ввод в эксплуатацию исполнительного механизма благодаря самообучению и отсутствию необходимости ручной настройки. Также минимальные усилия необходимы для преобразования и автонастройки в случае отклонения технологического процесса от заданных параметров.
Существуют различные варианты исполнений пневматических приводов с позиционерами. В дополнение к интеграции позиционера непосредственно в сам привод (рис. 3) позиционер также может быть установлен на приводе (рис. 4). Какой вариант будет использоваться, будет зависеть от условий эксплуатации. Если позиционер встроен в привод, то нет необходимости использовать внешние инструменты. Это значительно снижает затраты на калибровку и обслуживание, особенно в условиях экстремальной окружающей среды.
На рисунке 5 показан третий вариант. Здесь функция позиционирования выполняется не в самом приводе, а в децентрализованном блоке управления (пневмоострове). Это позволяет технологическому оборудованию, например флотационной камере (рис. 6) для отделения меди от руды, находиться под постоянным контролем. Преимущества: в дополнение к более низким инвестиционным затратам ниже требования к качеству сжатого воздуха. Привод может обеспечить более быстрое время перемещения. При наличии соответствующих модулей этот вариант также предлагает возможность функционирования привода и, следовательно, клапана в случае обрыва питания или же если система управления еще не функционирует. Этот вариант особенно интересен в местах с ненадежной подачей воздуха.
В данном случае модули также могут управляться децентрализованно. Используя модульный (МТР) подход ZTEI / NAMUR (Немецкой ассоциации производителей электрооборудования и электроники), легко включить визуализацию данной системы в систему управления более высокого уровня и настроить их коммуникацию. Это происходит автоматически, базируясь на данных, заложенных в модуль. Таким образом, дополнительный инжиниринг для визуализации и связи модуля исключаются. В то же время OEM-производитель может свободно выбирать систему управления, поскольку интерфейс к системе управления более высокого уровня стандартизирован. Еще одним преимуществом цифровизации в приводной технике является возможность децентрализованной реализации алгоритмов машинного обучения. Итог: децентрализованный мониторинг характеристик привода, таких как давление в полостях, скорость движения и их временная корреляция, не только позволяет анализировать параметры самого привода, но также позволяет обнаруживать аномалии в технологическом процессе. С одной стороны, это формирует основу для реализации концепции прогнозного обслуживания. А с другой стороны, анализ данных может быть использован для определения потенциала для оптимизации производственного процесса. Особое преимущество состоит в том, что аномалии могут быть обнаружены без дополнительного программирования контроллера модуля. Алгоритмы самонастраиваются на основе баз данных, описывающих нормальный технологический процесс, что позволяет им независимо обнаруживать отклонения в процессе или в производительности исполнительных механизмов. Таким образом, на ранней стадии можно предсказать проблемы и избежать незапланированных простоев системы, вызванных неисправностью.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (58) 2020
