Передовые методы разработки промышленных панельных компьютеров для применения в опасных зонах

Опубликовано в номере:
PDF версия
Для обеспечения непрерывной работы нефтегазового оборудования особенно важно, чтобы панельные вычислительные системы были надежными и легко восстанавливаемыми. Высокие температуры эксплуатации вызывают отключения и снижение четкости ЖК-дисплеев, что может отразиться на считывании показаний приборов самым непредсказуемым и негативным образом. Солнечный свет ухудшает видимость сенсорных экранов, а микроцарапины быстро понижают «отзывчивость» управления. В статье показано, как использование ИТ совместно с принципами промышленного дизайна позволило создать инновационный полевой вариант комнаты управления.

На месторождениях провинции Альберта в Канаде операторам требуются панели управления, которые способны выдерживать холодные ветры и мороз суровых зим. При этом в Саудовской Аравии высокие температуры и агрессивное воздействие песка быстро разрушают панельные компьютеры и элементы управления. Хотя условия нефтяных и газовых месторождений отличаются по всему миру, у них есть одна общая черта: все они находятся в суровых и, часто, отдаленных местах. Успешность использования панельных компьютеров в нефтегазовой отрасли определяют три ключевые особенности: надежная модульная конструкция, различимость показаний экрана и термодинамическая конструкция.

ТЕНДЕНЦИИ ВНЕДРЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПАНЕЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ (IPC)

В прошлом панельные компьютеры были пригодны для использования только в крупных системах SCADA, осуществлявших управление в мягких и комфортабельных офисных условиях. Но сегодня «Интернет вещей» уже проник в сферу промышленной добычи и переработки нефти, поэтому возможность использования распределенных систем управления (DCS) с относительно недорогими и очень мощными промышленными панельными компьютерами (IPC) стала определяющим параметром при выборе оборудования.

Сегодня системы управления производством (MES) стремительно повышают функциональность систем DCS. IPC вытесняют PLC и RTU за счет своей масштабируемости, гибкости и вычислительной мощности. Инженеры по эксплуатации и операторы могут одновременно управлять многочисленными точками добычи и устройствами с одной буровой платформы или удаленного центра управления производственной площадкой.

Десять лет использования Ethernet и оптоволокна в области автоматизации процессов обеспечили обилие эксплуатационных и диагностических данных для каждого этапа работы. Другими словами, требуется собирать и анализировать все больше и больше информации, что требует значительного увеличения скорости передачи данных. А основной путь к достижению этого — использование более быстрого процессора. IPC позволяют решить данную проблему за счет значительного увеличения доступной для операторов вычислительной мощности, что в свою очередь обеспечивает более наглядное представление данных и более высокую доступность сети, а также снижает эксплуатационные риски при использовании оборудования для разведки, добычи, нефтепереработки и нефтехимии.

ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ IPC

Широкие возможности управления устройствами и повышенная мощность IPC по сравнению с PLC и RTU все же имеют определенные минусы. Подобное увеличение мощности и возможностей управления за счет IPC значительно повышает уровень сложности платформы. Сбои в работе дисплея устройства обычно влекут за собой дорогой и длительный ремонт, особенно при поломке на удаленных объектах. Отказы IPC потенциально означают простой производства, что само по себе недопустимо даже в том случае, если IPC значительно улучшают процессы управления и сбора данных. Модульность и простота — это ключевые элементы любой технологии управления в сфере автоматизации технологических процессов, потому что они обеспечивают быстрый ремонт и снижают риск простоя.

Удаленное местонахождение нефтегазовых месторождений — довольно распространенное явление. Например, если с морской буровой вышки отправляют блок HMI стоимостью $10 000 производителю на ремонт, то эта процедура растягивается на 8–12 недель, влечет за собой расходы на доставку в размере более $2000 и приводит к потере производительности и снижению наглядности работы узла. Этот сценарий встречается довольно часто, так как большинство IPC не рассчитаны на столь суровые условия промышленного использования. Зачастую они представляют собой традиционные панельные компьютеры в прочном корпусе. Интеллектуальные решения для обогрева, внутреннее распределение тепла, сенсорный экран и конвекционный корпус — все это обычно проработано поверхностно и испытано довольно слабо. Раньше IPC были очень дорогими, громоздкими и неэргономичными, они часто ломались, а их ремонт и замена влекли за собой серьезные трудности. Недаром нефтегазовая промышленность осторожно относится к использованию IPC, как это было 10 лет назад и с Ethernet-технологиями.

В конечном счете, одной из важнейших задач автоматизации процессов является предотвращение простоев, а риск использования IPC раньше часто перевешивал возможные выгоды. Тем не менее сейчас положение дел изменилось.

ПЕРЕДОВЫЕ МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ IPC

В течение последних пяти лет несколько поставщиков устройств промышленной автоматизации занимались развитием устойчивых и надежных IPC. Они имеют большой опыт успешного внедрения IPC в удаленных зонах с экстремальными условиями эксплуатации, от сильного мороза до невероятной жары. Соответствие строгим требованиям отрасли основано на трех ключевых характеристиках: модульности, удобстве использования и надежности (в порядке возрастания сложности).

РИС. 1. IPC, соответствующий стандарту UL Class 1 Division 2

РИС. 1. IPC, соответствующий стандарту UL Class 1 Division 2

Модульность
Ключевой метод разработки IPC и промышленного интерфейса HMI — это надежная и сертифициро- ванная (по стандартам Ex и UL Class 1, division 2) модульная конструкция (рис. 1). Уменьшение количества сборных деталей обеспечивает более быстрый, дешевый и простой ремонт и долгую эксплуатацию. Большинство IPC высокого класса имеют раз- дельные заднюю и переднюю панель, блок двойного энергопитания AC и DC, а также материнскую плату с возможностью подключения как обычных устройств ввода/вывода, так и кабелей стандарта Zone 2.

Настоящая модульность позволяет пользователю заранее приобрести запасные части, чтобы быстро отремонтировать компьютер в полевых условиях. Кроме того, модульность предполагает безвентиляторную конструкцию, устраняя необходимость в использовании наружной вентиляции для охлаждения IPC. Данная конструкция без лишних механических элементов основана на принципах естественной конвекции и низкого энергопотребления. Благодаря ей IPC потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла по сравнению со своими аналогами потребительского класса.

Удобство использования
Удобство использования — это широкий термин, который включает в себя как различимость показаний экрана, так и сенсорное управление. При создании IPC разработчикам приходится добиваться максимальных результатов в обеих этих областях, но по разным причинам обеспечить это не так просто. Например, свою роль здесь играют ограничения резистивной и емкостной сенсорных технологий.

Резистивные сенсорные дисплеи широко используются в IPC и HMI, потому что при их создании можно применять более долговечный материал и ими можно пользоваться в перчатках, что является общим требованием для нефтяных и газовых объектов. Ограничения резистивной технологии заключаются в ее неспособности распознавать несколько касаний, т. е. пользователь должен управлять интерфейсом HMI одним пальцем или стилусом. Команды для резистивных сенсорных дисплеев определяются по давлению на одну точку экрана.

Емкостные сенсорные дисплеи более чувствительны и распознают несколько нажатий, они распространены на смартфонах и потребительских планшетах. Работа с емкостным дисплеем требует больше ловкости, чем интуиции, но при этом пользователь должен управлять устройством голыми руками, с помощью специальных перчаток или стилуса, так как эта технология использует электрические свойства человеческого тела при определении точек нажатия. Из-за этого емкостные дисплеи нельзя использовать с механическим стилусом или в обычных перчатках, что делает их непрактичными в промышленных условиях.

Тем не менее, хотя резистивные сенсорные дисплеи более устойчивы к истиранию и разрушению, чем их обычные емкостные аналоги, они по-прежнему уязвимы к проколам, а их видимость может пострадать из-за использования полиэфирной пленки и воздушной прослойки между матрицей экрана и защитным стеклом. Грязь и блики от солнечного света могут помешать использованию IPC на промышленных удаленных площадках, подверженных воздействию прямых солнечных лучей, поэтому IPC должны иметь яркость не менее 800 кд/м2, чтобы соответствовать таким условиям.

Надежность
Надежность достигается за счет объединения модульной конструкции с удобством использования. Готовое решение должно заключать в себе все необходимое физическое оборудование, а также поддерживать удаленный доступ с помощью простого протокола сетевого управления (SNMP). SNMP — это всемирно признанный интернет-протокол управления устройствами в IP-сетях. В устройства, поддерживающие SNMP, входят маршрутизаторы, коммутаторы, серверы, рабочие станции, принтеры, модемные стойки и др.

С точки зрения аппаратного обеспечения, надежные IPC, способные непрерывно работать в диапазоне температур ниже 0 °C вплоть до –55 °C, должны обеспечивать быструю конвекцию и равномерное распределение тепла. Этот принцип конструкции связан с модульностью, но при этом сильнее затрагивает термодинамические свойства материалов. Внутренние источники тепла, в том числе процессоры, должны быть размещены на равном расстоянии от задней панели и экрана.

Тепло, которое образуется вокруг процессора, часто не учитывается при разработке обычных панельных компьютеров и блоков HMI, но при использовании критически важных IPC контроль над температурой важен для обеспечения быстрого охлаждения и обогрева в экстремальных условиях. Радиаторная конструкция вертикальной задней панели увеличивает скорость конвекции безвентиляторных IPC, быстрее отводя тепло от ядра устройства. Такой тип радиатора лучше всего подходит для устройств, устанавливаемых в теплых помещениях или подверженных воздействию прямых солнечных лучей.

РИС. 2. Пропорциональный контур управления *T — температура, определенная датчиком на интеллектуальном модуле обогрева. ** Теоретически такая ситуация не произойдет. В целях повышения надежности EXPC-1319 имеет встроенный механизм защиты от перегрева

РИС. 2. Пропорциональный контур управления
*T — температура, определенная датчиком на интеллектуальном модуле обогрева.
** Теоретически такая ситуация не произойдет. В целях повышения надежности EXPC-1319 имеет встроенный механизм защиты от перегрева

Но контроль над температурой подразумевает собой не только предотвращение перегрева. Промышленные площадки, связанные с нефтяной промышленностью, все чаще и чаще возводятся в отдаленных местах, подверженных воздействию экстремально низких температур, поэтому IPC, работающие в таких условиях, должны быть в состоянии выдерживать их и при этом стабильно функционировать. Чтобы избежать возникновения искажений, например белых пятен и размытости ЖК-дисплея, IPC должны быть оборудованы внутренними автоматизированными системами обогрева, которые адаптируются к растущей температуре процессора при активации механизма обогрева. Обогреватели должны иметь возможность оценивать температуру окружающей среды, поддерживать оптимальную температуру в тех случаях, когда система с этим не справляется, а также не допустить ее перегрева в случае увеличения внутренней температуры. Это решение реализовано с помощью программного пропорционального контура управления (рис. 2).

Пропорциональные контуры управления обеспечивают наибольшую эффективность использования энергии и мощности, но их конструкцию нельзя назвать простой. При использовании нагревательного элемента мощность контролируется за счет потребляемого количества энергии. Действительно эффективная конструкция IPC подразумевает использование пропорциональных элементов управления обогревом, которые определяют необходимое значение мощности с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а не просто последовательным включением и отключением нагревателя. Также необходимо установить датчик, определяющий тепловую мощность, и, наконец, две или три программные подсистемы, необходимые для интеллектуального управления и контроля над температурой системы. Каждый из этих элементов имеет свои собственные конструктивные проблемы, значительно увеличивая сложность пропорциональных систем управления в сравнении с простыми гистерезисными элементами управления, которые просто включают и отключают внутренний обогреватель. Гистерезисные элементы управления, которые иногда называют «двухпозиционными», заключают в себе множество нежелательных побочных эффектов и потенциальных точек отказа при использовании в приборах с широким диапазоном рабочих температур. Помимо значительно меньшей эффективности, обогреватели, использующие метод гистерезиса, могут негативно повлиять на стабильность питания (делают платформу более склонной к сбоям) или излишне перегреть внутренние компоненты компьютера, снижая его среднее время безотказной работы (MTBF).

РИС. 3. Система аварийной сигнализации на основе протокола управления сетью SNMP

РИС. 3. Система аварийной сигнализации на основе протокола управления сетью SNMP

Последнее требование для оптимальной конструкции IPC — это поддержка удаленного мониторинга и управления. С помощью механизма оповещения SNMP-Trap (рис. 3) настоящие компьютеры промышленного класса можно интегрировать в соответствующие системы мониторинга сети, что позволяет контролировать их внутренние показатели. Процессорное время, температура системы, использование памяти, уровень напряжения питания и емкость жесткого диска являются существенными факторами для критически важных приложений, поэтому операторы сети обязательно должны иметь возможность постоянно их контролировать. Благодаря встроенному программному обеспечению (ПО) для диагностики, IPC теперь могут выдавать напоминания о проведении профилактического технического обслуживания и ухода, что позволяет предотвратить неисправности еще до их возникновения.

Кроме того, IPC можно оснастить рядом дополнительных функций автоматического восстановления. Компьютеры, которые неоднократно запускают одно и то же ПО, часто провоцируют замедление скорости работы системы. Обычным решением в этом случае является переустановка или переписывание образа ОС. Для облегчения подобных операций передовые IPC оснащены ПО для автоматического восстановления, которое позволяет IPC немедленно и автоматически распознавать управляемую сеть при перезагрузке после неожиданного выключения. Smart Recovery автоматически восстанавливает исходную копию ОС, также возможно восстановление по событию или расписанию.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Мировой лидер в области производства буровых установок и лебедок заказал у компании Moxa надежное IPC-решение, которое может быть внедрено в консоли управления буровых установок по всему миру. Его буровые установки работают в одних из самых экстремальных условий на земном шаре. При создании данных встроенных систем управления необходимо было учитывать тот факт, что пульт управления может оказаться в условиях критических температур — намного ниже 0 °C и выше +50 °C. Решение IPC должно было соответствовать стандарту UL, иметь надежную модульную конструкцию и гибкую программную поддержку, необходимую для установки компанией своего собственного проприетарного ПО для управления тысячами исполнительных механизмов, которые каждый оператор дол- жен постоянно регулировать, и системой безопасности.

Этот международный производитель передовых буровых установок выбрал модель EXPC-1319 за ее строгое соответствие промышленным стандартам и надежные принципы конструкции, малое время замены
и снижение стоимости управления запасами, а также за сведение влияния человеческого фактора к минимуму. Трехкомпонентые, аккуратные и эргономичные устройства серии EXPC-1319 позволили заказчику предоставлять своим клиентам по всему миру надежные и качественно интегрированные системы управления, которые могут работать в любых условиях, от промерзлой тундры провинции Альберта до знойных пустынь Саудовской Аравии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Промышленные панельные компьютеры, которые сейчас внедряются таким же образом, что и человеко-машинные интерфейсы несколькими годами ранее, расширяют возможности распределенных систем управления далеко за пределы того, что раньше представлялось возможным. По аналогии с распространением интеллектуальных мобильных вычислительных устройств на потребительском рынке высоких технологий, более высокие скорости обработки данных позволили инженерам нефтегазовой отрасли использовать IPC для одновременного управления большим количеством приборов. Тем не менее при выборе IPC необходимо учитывать некоторые конструктивные особенности. Самые качественные IPC имеют надежную и соответствующим образом сертифицированную модульную конструкцию. Они основаны на резистивной или резистивно-емкостной комбинированной технологии и оборудованы дисплеями яркостью не менее 800 кд/м2. Кроме того, в действительно надежных IPC, которые могут выдерживать высокие и низкие температуры, вместо гистерезисных механизмов для обогрева используются интеллектуальные решения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *