Тема с обложки: Преимущества интеграции систем автоматизации и безопасности

ОБЗОР • Общие причины отказов • Уровни целостности безопасности • Безопасность на основе программ • Снижение затрат на провода и прочие расходы

Опыт работы реальных приложений показывает, что интеграция систем автоматизации и безопасности может дать снижение себестоимости, увеличение производительности и даже повышение безопасности.

Благодаря последним изменениям стандартов и законов, системы безопасности и средства автоматизации управления могут быть объединены в одну общую систему. Несмотря на первоначальные колебания по поводу такого объединения, пользователи принимают интеграцию этих систем и на своем опыте убеждаются в итоговых преимуществах, которые выходят далеко за рамки безопасности. "Главный стимул в пользу такой интеграции — сделать систему более рентабельной", — говорит Азиш Гош, вице-президент производственной консультационной службы в ARS Advisory Group (Дедхам, шт. Массачусетс). Экономия появляется за счет уменьшения расходов на проектирование и эксплуатацию. Использование комбинированной системы поможет, например, резко сократить объем проводных соединений и, соответственно, сэкономить деньги и производственные площади.

Кевин Коллотон, менеджер по маркетингу продукта GuardLogix в компании Rockwell Automation отмечает и другие преимущества, такие, как общий набор компонентов системы контроля и безопасности. Кроме того, эта общность распространяется и на аппаратное обеспечение. "Производители также могут сократить свои расходы на программное обеспечение и техническую поддержку. Одна и та же программа может использоваться на различных участках предприятия, а операторам необходимо изучить только одну архитектуру",- поясняет он. Итак, что же такое интегрированные системы управления и безопасности и как их можно использовать сегодня?

Предупреждение отказа

В докладе ARC Гош отметил, что интегрированные системы необходимо очень тщательно проектировать и конфигурировать, чтобы уменьшить риск отказа, вызванного одной и той же причиной, когда, например, он происходит в системе управления и ставит под удар функцию безопасности. Первое, что порекомендовал Гош — выбрать соответствующий стандарт реализации безопасности: IEC 61511 или ANSI/ISA-84.00.01. Затем на базе выбранного стандарта следует провести анализ рисков и потенциальных опасностей. В ходе этого процесса необходимо определить оптимальный уровень защиты для заданных производственных операций. После завершения анализа можно приступать к составлению списка сертифицированных поставщиков и, в заключение, выбрать систему, которая соответствует техническим требованиям.

Производители систем решают вопросы безопасности и проблемы отказов по общей причине по-разному. Компания АВВ, например, руководствуется стандартами IEC 61508, IEC 61511 и использует аппаратное обеспечение, получившее сертификат TUV. Такой порядок гарантирует предотвращение пересылок на контроллер, выполняющий приложение безопасности, таким образом, уровень целостности безопасности (SIL) этого приложения не нарушается. Более того, продукты компании выполняют приложения управления и безопасности логически раздельными способами и, в реальности, создают два устройства. "После завершения этого процессаникакое внешнее приложение, SIL или не SIL, не может произвести запись в приложение SIL без вмешательства человека, которое требует подтверждения" — говорит Рой Таннер, менеджер по маркетингу систем в компании АВВ Inc.

Фото любезно предоставлено Siemens A C

С помощью интегрированной системы автоматизации и безопасности аргентинская химическая компания Atanor повысила эффективность производства. Единственный оператор, находящийся в диспетчерской, может безопасно запустить или остановить завод за несколько минут. Источник: ABB

Производители также встраивают средства защиты для предотвращения повреждений и других проблем, возникающих, например, при отказе электропитания во время конфигурирования. Системы по умолчанию будут находиться в защищенном режиме работы.

Кроме того, необходимо всегда помнить, что стандарты безопасности не являются догмами, подчеркивает Марк Иммордино, менеджер по обучению программным продуктам в компании WAGO Corp. Они развиваются, что иногда помогает упростить задачи, а иногда нет.

Например, изменения к стандартам ISO 11161 и ANSI B 11.20, которые сейчас прорабатываются, позволят производственным системам в одной зоне продолжить работу при возникновении проблемы и остановке процесса в соседней зоне. Определение "зона" — очень расплывчатое, однако его необходимо четко сформулировать с тем, чтобы несколько зон могли поддерживать связь между собой.

Уровень безопасности и выбор компонентов влияют на затраты Марк Иммордино, менеджер по обучению программным продуктам в компании Wago Corp., отмечает, что определение целостности системы безопасности, в конечном счете, предполагает ответы на целый ряд вопросов, связанных с компонентами. Первый из них касается решения о выборе категории обеспечения безопасности работы. Этот выбор отчасти обусловлен нормативными актами, отчасти тем, какие требования указаны в стандартах, и, в какой-то степени, — географическим положением. В Европе, например, обеспечение безопасности — это закон, в то время как в США разработаны только основные направления безопасности и возможны правовые и финансовые отклонения. "Вне зависимости от местоположения обеспечение безопасности всегда предполагает затраты," — говорит Иммордино. Для каждого уровня целостности безопасности (SIL), имеющего вероятность опасного отказа на уровне 0,1 от предыдущего, расходы на внедрение повышаются соразмерно повышению уровня. Уровень безопасности определяет выбор типа датчиков безопасности, размещение аварийных выключателей, а также таких компонентов, как световые завесы и защитные коврики. "По этой причине, — говорит Иммордино, — даже тогда, когда вы получите все ответы на вопросы, связанные с компонентами, предстоит еще многое сделать". "В любом случае, очень полезным будет вернуться назад и снова проанализировать работу системы, чтобы убедится в том, что уровень защиты, заложенный в проектной документации, соответствует поставленной задаче, т.е. не слишком мал и не слишком высок", — советует он.

"С точки зрения оценки рисков, — говорит Им-мордино, — усовершенствование ISO 13849-1 вместе с IEC 61508 и 62061 будет означать, что будут оцениваться функции безопасности и среднее время до отказа электромеханических и механических устройств, даже если это в большей степени будет зависеть от самого приложения. При внедрении любой интегрированной системы следует рассмотреть обусловленные стандартами проблемы, которые изменяются в зависимости от отрасли промышленности и других факторов"

Повреждения со стороны пользователя

Эти и другие меры предотвращают нечаянное повреждение. Однако они оставляют возможность нарушений и общих причин отказов со стороны пользователя. Эти проблемы могут появиться во время начальной конфигурации или в процессе последующих изменений. По этой причине очень важно во время проведения конфигурации следовать предписаниям, составленным разработчиками систем и такими независимыми органами, как TUV.

Необходимо обеспечить защиту доступа. Большинство производителей интегрированных систем используют пароли и другие средства ограничения доступа. "Для сценариев производства мы можем реализовать один из способов безопасности, который разрешает доступ к контроллеру только авторизованному персоналу", — заявляет Коллотон из Rockwell Automation.

Очень важно, чтобы эти защитные меры были доведены до логического конца. Методика и процедуры должны осуществляться так, чтобы пароли, например, не стали общеизвестными или чтобы их срок действия не заканчивался неожиданно. Их не следует также писать на листке и оставлять на видном месте.

Кроме того, оборудование систем управления и безопасности должно отличаться друг от друга визуально, чтобы оператор мог различить его с одного взгляда. Устранение визуальной схожести помогает предотвратить ошибочную работу пользователя на неисправной системе. Однако достижение требуемого различия затруднено, потому что каждая часть комбинированных систем может выглядеть и восприниматься одинаково. Конечно, иногда такое сходство связано со сбытом интегрированной системы.

С другой стороны, некоторые устройства могут быть более надежными просто по своей природе. Карл Рэпп, руководитель отдела станочного оборудования Electric Drives and Controls в компании Bosch Rexroth, отмечает, что параметры приводов не модифицируются так часто, как параметры ПЛК. Это, по его словам, делает системы безопасности на базе приводов очень надежными и автономными с минимальной возможностью умышленного или случайного вмешательства.

Повышенная эффективность

Столкнувшись с необходимостью модернизации своих намоточных станков, в компании 3М решили использовать интегрированную систему управления и безопасности. Источник: Rockwell Automation

Ряд примеров показывает, как используются интегрированные системы управления и безопасности. Предприятие Atanor SA, которое находится в Буэнос-Айресе, является мировым лидером в химической и нефтехимической промышленности, а так же в производстве полимеров и химикатов для сельского хозяйства. Кроме того, компания является крупным производителем перекиси водорода в Аргентине. Потребность в этом продукте, который используется на целлюлозно-бумажных комбинатах в качестве отбеливателя, постоянно возрастает. Недавно Atanor разместила в Интернете информацию о своем новом производстве в Рио Терсеро. Завод АОА 2 сможет производить свыше 14000 тонн перекиси водорода в год, что полностью удовлетворит внутренние потребности Аргентины.

Во время строительства предприятия у Atanor появилось потребность в том, чтобы реализация интегрированной системы управления и безопасности от ABB, сертифицированная TUV, стала надежной системой, соответствующей стандартам IEC 61508 и IEC 61511. В состав системы также входили компоненты, которые соответствовали требуемому уровню SIL, включая контроллеры, полевые устройства ввода, модули ввода/вывода и полевые исполнительные устройства.

Система включает в себя пять рабочих станций, каждая из которых имеет шесть локальных и один удаленный экран. Кроме того, отображаются проектные данные, а также информация об управлении и техническом обслуживании. Новая система, по словам Оделя Приотти, генерального директора АОА 2, АОА1, и завода по производству кислоты в Рио Терсеро, резко сокращает потребности в персонале, не снижая при этом уровня безопасности. Например, отмечает он, "один оператор может запустить все производство менее чем за десять минут. Интегрированная система управления и безопасности обеспечивает также быструю и безопасную остановку производственной линии. Если в этом появится необходимость, мы можем произвести полную остановку всего производственного оборудования менее чем за 5 минут". Раньше на остановку такого предприятия двум операторам требовалось 45 минут.

Еще одно из главных преимуществ интегрированных систем — общая среда проектирования, которая предполагает единый набор инструментов проектирования как для функций управления, так и для функций безопасности. Такая унифицированная среда сокращает сроки проектирования, обучения персонала, монтажа, пуско-наладочных работ и позволяет сэкономить на запасных частях и техническом обслуживании. "Интегрированная система управления и безопасности также упростила мероприятия по техническому обслуживанию, которые теперь осуществляются из диспетчерской через персональный компьютер, — добавляет Приотти. — Мы можем сконфигурировать приборы, модернизировать области визуализации сигналов тревоги и т.д."

Децентрализованная и интегрированная

Производители дискретной продукции также видят выгоды от интегрированной безопасности. Так, например, компания Mewag Maschinen AG, Швейцария, работающая в автомобильной промышленности, поставляет гибочное оборудование, которое придает нужную форму обрабатываемым деталям. Механизированные гибочные головки позволяют выполнять изгибы различной формы с различными радиусами. На станке производится гибка труб диаметром до 150 мм, даже если у них имеются обработанные концы с фланцами, кольцевыми соединениями или муфтами.

Для того, чтобы сократить время на переоборудование, в Mewag разработали инструментальные головки для более легкого доступа и разместили станок горизонтально. Замена инструментальной головки должна быть не только быстрой, но и надежной. Именно это послужило одной из причин того, что в компании заложили в конструкцию станка интеллектуальную систему безопасности. При разработке системы применялся децентрализованный подход и приводы компании Bosch Rexroth, которые поддерживают самый широкий набор функций безопасности без внешней аппаратуры. При таком подходе, например, нет необходимости следовать традиционной практике защиты и устанавливать реле мощности на магистральной силовой линии и на шинах питания электродвигателей.

Самуель Гербер, технический директор Mewag, также отметил, что такой подход к децентрализации и интеграции управления и безопасности уже принес свои плоды. "Отсутствие внешних контрольно-измерительных систем позволяет уменьшить количество проводов и сэкономить площади, необходимые для шкафов управления",- говорит он.

Другие аспекты обеспечивают дополнительные выгоды. С помощью специальных режимов работы можно снизить скорость движения инструментов до безопасного уровня. После переключения с обычного режима на специальный приводы останавливаются в безопасной зоне, таким образом оператор может зайти на участок, не подвергая себя риску.

"Именно такая остановка (которая в интегрированной среде происходит очень быстро) дает преимущества, если сочетается с более удобным доступом к инструментальной головке. Это, в свою очередь, означает резкое сокращение времени производственного цикла", -подчеркивает Гербер.

Выигрыш может быть получен и на стороне безопасности. Безопасное движение привода может выявить ошибку в пределах 2 миллисекунд, ограничивая перемещение до 2 мм. Для сравнения, схемы, в которых оператор, находящийся в защищенной зоне, реагирует на ошибку с помощью контакторных схем проверки, приводят к более поздней остановке оборудования, и оно может переместиться на расстояние до нескольких сотен мм.

Безопасность на основе программного обеспечения

В другом примере, взятом из автомобильной промышленности, компания Kuka Toledo Productions Operation LLC (KTPO) тоже использовала интегрированную систему управления и безопасности, разработанную в Siemens Energy and Automation. КТРО является дочерней компанией фирмы Kuka, которая, разрабатывает роботизированные производственные системы для изготовления кузовов автомобилей и поставляет кузова компании Daimler Chrysler. Для того, чтобы стать ведущим поставщиком, KTPO потребовалось разработать более эффективную, по сравнению с существующими аппаратными, систему безопасности.

Традиционная аппаратная система безопасности на автомобильном производстве — это металлические ограждения, удаленные кнопки аварийного останова, дверные защитные выключатели, коврики безопасности, световые завесы и великое множество различных резервных реле и кабелей.

Трубогибочные станки от Mewag Meashinenfabrik для автомобильной промышленности оснащены интеллектуальными сервоприводами, в которых функции безопасности обеспечиваются децентрализованно. Источник: Bosch Rexroth

Такая схема является очень дорогой и негибкой. Сотрудничая с фирмой Siemens, компания Kuka взяла на вооружение интегрированный подход, который объединил систему безопасности и стандартную систему управления станком на одной полевой шине. Это позволило практически полностью исключить все реле и сэкономить площадь для размещения пульта управления и другой аппаратуры. Кроме того, значительно сокращаются расходы на проектирование, выявление и устранение неисправностей, а также на прокладку проводов. Интегрированная система управления и безопасности была согласована с изменениями схемы силового кабеля, что обеспечило возможность использования 3-х фазной системы шин. Новый метод подключения силового кабеля позволил сократить общую площадь рабочей ячейки на 20 %.

При переходе от аппаратной системы безопасности к системе, построенной на базе ПО, Kuka получила общий безопасный код, который можно изменять или переносить из одной системы в другую. Это помогло сократить сроки ввода в промышленную эксплуатацию. "Мы быстро построили данную систему, а запуск в эксплуатацию был на удивление легким", — сообщил инженер Kuka Род Браун. Этот подход помог сэкономить десятки тысяч долларов только на первой установке.

Экономия возникла, в частности, в результате сокращения количества проводов и других узлов и агрегатов. Инженеры Kuka сообщили о сокращении на 85% используемых реле, локальных входов/ выходов, терминальных блоков и кабельных подключений. Это стало возможным благодаря использованию диагностики на нижнем уровне для всех важных стандартных и безопасных входов/выходов. Такая же диагностика применялась для поиска неисправностей на уровне шин. При помощи диагностического повторителя информация с полевой шины передавалась на НМI. При поиске неисправностей система может локализовать разрыв в кабеле связи с точностью до 0,3 м.

В этом устройстве управление стандартными функциями станка, а также всеми устройствами защиты осуществляется процессором Siemens . Для управления процессом и поддержки функций безопасности используется обычная среда программирования с лестничной логикой.

Более простая реализация

На заводе компании 3М в Лондоне (Онтарио, Канада) производится до сорока видов изоляционной ленты. После нанесения клея на обратную сторону ленты он высушивается и лента разрезается по ширине на одном из восьми намоточных станков. В то время как применяемые станки соответствовали высоким стандартам качества компании 3М, системы управления не внушали большого доверия, в большей части по причине своего возраста.

"Мы были обеспокоены тем, что старые устройства управления, прослужившие зачастую 30-40 лет, могли остановить станки на несколько недель и даже месяцев из-за отказа элемента", — говорит Трэсси Харвей, главный электрик 3М Канада. Другая проблема состояла в том, что старые средства управления затрудняли переход на новые безопасные коды.

Столкнувшись с проблемой модернизации средств управления, 3М решила использовать интегрированные системы управления и безопасности компании Rockwell Automation. Наличие двух систем в одной означает совместное использование тэгов данных и более простое применение. В принятии решения не последнюю роль сыграл продолжительный опыт работы с продуктами Rockwell Automation.

По плану предусматривалась модернизация одного станка, затем другого и т.д. Харвей сообщает, что первый запуск в эксплуатацию прошел спокойно и не повлиял на производительность. Он ожидает, что новая система управления (вместе с модернизацией приводов, которые запускают станок) приведет к повышению производительности. "Более эффективное управление крутящим моментом, в частности, позволит сократить отходы, а следовательно, увеличить выпуск готовой продукции", — говорит он. Эти усовершенствования сейчас изучаются и планируется модернизация оставшихся станков.

Эти и другие примеры указывают на то, что интегрированные системы управления и безопасности успешно внедряются в различных отраслях промышленности. Выгоды от их использования простираются далеко за пределы проблем безопасности.