Автоматизирани системи за безопасност

ПОДОБНИ СТАТИИ

Концепции за човеко-машинен интерфейс

Борислав Младенов

Emerson Process Management с концепция за безжичен завод

Emerson Process Management залага на безжичните технологии

Изследване на риска в индустрията

Платформи за сигурност на Emerson Process Management, Honeywell, Rockwell и Siemens

Амелия Стоименова

Една от важните насоки в развитието на индустриалната автоматизация е свързана с преосмисляне на концепцията, философията и обхвата на приложение на системите за безопасност, наричани накратко SIS (Safety Instrumented Systems). Най-общо SIS представляват автоматизирани платформи, предназначени да осигурят сигурност в работата на техническото производствено оборудване, т.е. да не допуснат навлизането на процеса в авариен експлоатационен режим. Тенденцията към все по-високо оценяване на ролята и значението, които имат системите за безопасност в съвременната автоматизация, е свързана с навлизането на нови, цифрови платформи за управление на технологичните процеси. Предизвикателствата, с които е съпроводено изграждането на т.нар. цифрови заводи, засилва вниманието, което се обръща напоследък върху автоматизираните решения за безопасност и сигурност на работа на технологичното оборудване. През последните години компаниите, създаващи тенденциите в промишлената автоматизация, инвестират в развитието на концепцията си за осигуряване на сигурност на производствените процеси, в съответствие с философията на съвременната индустриална автоматизация.

За разлика от основните системи за управление на процесите, познати като BPCS (Basic Process Control System), които поддържат динамичен режим на работа, SIS обикновено са пасивни технически решения, които се привеждат в активен режим при откриване на опасни за процеса и технологичното оборудване експлоатационни условия. Основни цели на SIS са да обезпечи сигурност в работата на завода, да понижи разходите, свързани с текущата поддръжка на технологичното оборудване, да съдейства за удължаване на експлоатационния му живот и др. Два са базовите международни стандарта, които регламентират изискванията по отношение на съвременните автоматизирани платформи за безопасност - IEC 61511 и IEC 61508. Стандартът IEC 61508 дефинира изискванията към доставчиците на техническите средства, предназначени за изграждане на т.нар. Safety приложения. Според клаузите на стандарта, средствата за безопасност трябва да отговарят на комплекс от специфични хардуерни и софтуерни изисквания. Спазването на регламентираните изисквания би следвало да доведе до сигурност в недопускането на повреди, по-висока от 90%. Изпълнението на поставените норми на всеки етап от производството на средствата за безопасност се удостоверява чрез специален TUV сертификат. От своя страна, стандартът IEC 61511 се отнася за процесната индустрия. Съдържа процедури, които потребителите на SIS трябва да следват в процеса на проектиране, внедряване и поддръжката им. Процедурите, описани в стандарта, покриват целия експлоатационен цикъл на SIS. Сред изискванията, залегнали в IEC 61511, са разделяне на управляващите функции от тези по сигурността, възможност за използване на данните от SIS в BPCS, недопускане на компромис от страна на операторския интерфейс по отношение на безопасността и максимална защита от операторска грешка, осигуряване на текуща информация за статуса на SIS в HMI, верификация в съответствие с регламентираните нива на сигурност SIL (Safety Integrity Level) и др.

Верни на традициите си да ви запознаваме най-новите разработки в областта на индустриалната автоматизация, в броя ви представяме платформите за сигурност на четири от водещите компании в областта - Emerson Process Management, Honeywell, Rockwell Automation и Siemens.

Ако попитате инженер по управление на процесите за свойствата на идеалната система за безопасност, отговорът би бил списък с това какво е погрешно в сегашното поколение технологии и оборудване. Независимо дали е създаден по предназначение, или е базиран на платформата на програмируемите логически контролери (PLC), типичният контролер (logic solver) на една система за безопасност, оборудвана с измервателна апаратура (Safety Instrumented System), използва уникална конфигурационна среда, която не е свързана с основната система за управление на процесите (Basic Process Control System). Обикновено системата по безопасността е скъпо решение, което не се възползва от възможностите за диагностика на съвременните интелигентни полеви устройства.

Това е базата, върху която е създадена системата DeltaV SIS на Emerson Process Management. Тя съчетава възможностите за мащабиране и конфигурационната среда на системата за автоматизация на процесите DeltaV с независимостта, резервираността и функционалността на TUV сертифицираната система за безопасност. Възползвайки се от възможностите за мониторинг на полеви устройства и тестването на частичното преместване на клапани, DeltaV SIS способства за максимално повишаване нивото на безопасност (Safety Integrity Level) на инсталираното оборудване. Новата разработка включва в себе си 11 патентовани решения и представлява значително технологично постижение. DeltaV SIS е класифицирана и сертифицирана за ниво на безопасност SIL3. Системата по безопасност използва входно-изходното шаси на DeltaV и може да бъде монтирана дистанционно. Изградена е от модули с 16 входа/изхода с индивидуални процесори, поради което производителността й не зависи от натоварването. Добавянето на допълнителни модули не променя скоростта на сканиране и може да бъде направено on-line. DeltaV SIS позволява всякаква комбинация от входно-изходни връзки към клеморедите. Възможно е свързването на аналогов вход/изход или дискретен вход/изход към същия клеморед. Въпреки че е интегрирана с автоматизираната система DeltaV, системата по безопасността (SIS) има свое собствено резервирано електрическо захранване, така че по никакъв начин не зависи от хардуера на DeltaV. DeltaV SIS разполага с резервирани вътрешни процесори и може да бъде свързана в резервирана "две от две" архитектура.

Инженеринговата конфигурация на DeltaV SIS е еднаква със системата за управление на процеси. Използват се същите програмни средства. За удовлетворяване на изискванията за сигурност са разработени допълнителни функции, като специални графични елементи и диалози, за да се подчертае фактът, че се конфигурира системата по безопасността. Предоставените средства за разработка отговарят на стандарта IEC 61511, където проследяването на всички промени в конфигурацията е задължително изискване. Всички тези средства са реализирани на системно ниво, така че не е необходимо потребителят да прави някаква допълнителна специална конфигурация, за да се възползва от тях.

Системите за безопасност традиционно представляват дилема за отговорните инженери по управление на процесите. Желанието за разнообразие - както в хардуера, така и в софтуера, с цел избягване на често срещани състояния на откази, противоречи на необходимостта от сравнително прости, лесни за конфигуриране системи за безопасност, добре интегрирани с BPCS. Резултатът е използването на отделни системи за безопасност, обикновено трудни за употреба, тромави, сложни, старомодни и често дори мистериозни. DeltaV SIS решава този проблем, като заменя разнообразието с надеждност и самодиагностика.

Системите за безопасност (СБ) имат за цел да осигурят безаварийно извеждане на процеса в безопасен режим, в случай на нарушение на базовия работен режим. За тази цел е необходимо специфично проектиране на цялата верига - от измервателните прибори през системата до изпълнителните механизми. Консултантски услуги в този аспект предлагат вече много европейски фирми. Honeywell разполага с експерти в областта и също предлага подобни услуги. По същество съвременните системи за безопасност представляват програмируеми контролери, чиято архитектура е проектирана така, че да се осигури висока надеждност и разполагаемост, в съответствие с действащите стандарти. Изискването за безопасност (установяване в безопасно състояние при отказ) се отнася естествено и за контролера.

Предлагат се две концепции на този тип контролери - двуканални или триканални. Триканалните контролери работят на принципа 2 от 3. При двуканалните, което е по-съвременната технология, се прилага самодиагностика на каналите при всеки цикъл. Всеки от каналите при този вариант е резервиран.

Системата за безопасност FSC на Honeywell е оригинална разработка на фирмата Pepperl and Fuchs (бел.ред. придобита от Honeywell през 1994 г.) и се предлага под името Safety Management System (SMS). Това е най разпространената система в света с над 1000 инсталации. Системата е разработена в два варианта - едноканален (който също е серифициран като СБ) и двуканален. Предимствата на СБ на Honeywell могат да се обобщят в следните категории:

• компактни, заемат много по-малко място от триканалните контролери;
• разполагат с най-съвременен инструментариум за приложен инженеринг (базиран на Function Logic Design - FLD), с автоматично генериране на документацията и валидация на приложението;
• СБ на Honeywell е първата система със сертифицирана функционалност за "on-line" тестване и модификации;
• Двуканалният вариант съществено увеличава разполагаемостта на системата в сравнение с триканалните системи;
• Системата се предлага както като самостоятелна система, така и интегрирана в предлаганите от Honeywell разпределени системи.

В интегрирания вариант SMS предлага редица нови възможности, сред които комуникация "точка-точка" (Peer to Peer) с всички модули на системата; защита от неправомерен запис; синхронизация и последователност на събитията (Sequence of Events).

Днес пазарът на системи за безопасност е доминиран от няколко ключови тенденции. На първо място, производителите повярваха, че увеличаването на безопасността не означава намаляване на печалбата и производителността на труда. Вторaта тенденция включва повишено внимание върху регистриране на данни, касаещи безопасността на процесите. Това доведе до промяна в процеса на разработка - сега инженерите вграждат опциите за безопасност на оборудването още в етапа на проектиране на управляващите системи. Третата тенденция е насочена към съвместяване на управляващите системи и системите за безопасност и сигурност на средствата за производство. Днес, често се наблюдава резервираност и припокриване на функциите между две отделни инсталирани системи, поради което производителите търсят начини за комбинирането им с цел спестяване на средства.

Концепцията на Rockwell Automation в областта на автоматизираните системи за безопасност е базирана на стратегията да бъде водещ доставчик на комплексни решения. В стремежа си да се наложи като такъв, Rockwell Automation отговоря на всички тенденции и очаквания на машиностроителите. За да постигне тази амбициозна цел, компанията работи усилено в четири основни направления:

Предлагане на комплексни консултантски услуги и глобална техническа поддръжка с цел помагане на клиентите да оптимизират изграждането на свои автоматизирани системи за безопасност и защита на техническото оборудване. Като доставчик на системи за безопасност, Rockwell Automation предлага не само продукти, но и знанията и опита да съветва потребителя за начина им на използване в съответното приложение, както и за процедурите по сертифициране.

Разработка на интегрирани "safety" системи, базирани на съществуващи управления на Rockwell Automation, а не скъпо струващи нови разработки на специализирани системи. Rockwell Automation залага на интегрирането на стандартни и "safety" функции на системите за управление, базирани на обща хардуерна платформа. Типичен пример е универсалната система за управление ControlLogix, която едновременно с това е сертифицирана по стандарта TUV, ниво SIL2. С добавяне на резервиран процесор, системата достига ниво SIL3. Това значително намалява разходите на потребителя както за внедряване и експлоатация на системата, така и за обучение, поради липсата на специфични компоненти. Друг пример на Rockwell Automation за интегриране на стандартни и "safety" функции и управления е чрез мрежовата комуникация. Преди около 10 години фирмата първа разработи, внедри и наложи своята идеология на отворените индустриални мрежи чрез въвеждане на архитектурата NetLinx, т.е. добре познатите днес DeviceNet, ControlNet и EtherNet/IP. Вграденият в тези мрежи CIP (Common Industrial Protocol) протокол позволява прозрачен достъп до всички нива на мрежовата архитектура, лесна комуникация и конфигуриране на устройствата, включени към тях, без това да изисква писане на допълнителен код.

Техническите характеристики на автоматизираните системи за безопасност и защита да предлагат гъвкавостта и удобството при работа, характерни за стандартните продукти и системи на Rockwell Automation. За тази цел Rockwell Automation разработи и предлага "safety I/O" модули, позволяващи бързо разширяване на системата за управление и намаляване на разходите по опроводяване.

Непрестанна разработка на нови, по-ефективни, гъвкави и надеждни компоненти и системи за безопасност и защита, отговарящи на световните стандарти в тази област. На практика това означава включване на нови типове управления, които по-рано не се разглеждаха като "safety" продукти, като задвижвания, устройства за разпределено свързване и индустриални мрежи.

За Rockwell Automation в идеалния завод на бъдещето стандартните и автоматизираните системи за безопасност ще бъдат тясно интегрирани, често използвайки общи компоненти.

Платформата за гарантирана висока надеждност и безопасност е неразделна част от концепцията TIA (Totally Integrated Automation) на Siemens. Все по-високата степен на автоматизация в съвременния индустриален свят води до непрекъснато повишаване на изискванията за сигурност и безопасност, гарантиращи изпреварващо откриване и отстраняване на функционални грешки, които могат да доведат до опасност за хората, съоръженията или околната среда. Siemens работи в посока непрекъснато повишаване на надеждността на действие на оборудването, базирайки се на платформата Safety Interated, като част от концепцията на компанията за напълно интегрирана автоматизация. Siemens предлага пълна гама технически решения, осигуряващи висока надеждност и сигурност, независеща от индустриалния бранш и спецификата на производство. Продуктовите групи SIGUARD, SIMATIC, SINUMERIK, SIMOTION, MASTERDRIVES, SIMODRIVE като част от програмата Safety Integrated осигуряват максимална и непрекъсната безопасност на работа. В гамата на системите за автоматизация Siemens предлага високонадеждни контролери S7-300F S7-400F (F като знак за Fail Safety), базирани на стандартни CPU-та, чиято система за действие и хардуерни компоненти са допълнително разширени, посредством защитни механизми. За разпределена периферия Fail Safety са продукти от гамите ЕТ 200М, ЕТ 200S, както и сериите с IP 65/67 ET 200 eco, ET 200 pro с възможност за избор на комуникация Profibus или Profinet чрез Profisafe-Profilе. За проектиране и програмиране при изисквания за висока надеждност се използва стандартният софтуер STEP 7, посредством интегрираните опционални пакети. Стандартни и "F" програми могат да бъдат заредени в едно CPU и задействани при необходимост, т.е. съвременните "F" контролери могат да изпълняват едновременно стандартни и Safety функции.

Платформата Safety Integrated е залегнала и при процесната автоматизация. За безпроблемна интеграция на стандартни и високонадеждни компоненти; за приложения във взривоопасни участъци; както и за диагностициране на голям брой данни, Siemens предлага Safety Matrix още от етапа на проектиране при системите за управление на технологични процеси PCS 7. Платформата Safety Integrated e базирана на международните стандарти IEC 62061; IEC 61508 (до SIL 3); EN 954 -1 (до категория 4) - за сензори и компоненти за производствена автоматизация; IEC 61158 / EN 50170; EN 50295 за индустриална комуникация; IEC 61508; IEC 61511 ( до SIL 3) - за процесна автоматизация.