数字化与安全性的完美融合


作者:Sabine Mühlenkamp 日期:2019/08/05 来源:PROCESS《流程工业》

尽管过程自动化正向着数字化的方向发展,但从现场使用的仪器设备来看,4~20 mA的模拟信号传输仍是最常见的技术。许多现场总线设备采用了Hart通信技术协议,但这种数字化的通信协议也仅仅是在流程设备调试时使用。

巴斯夫自动化技术中心的高级工程师Andreas Ziegler先生表示,他与自动化调节技术部的同事一起为巴斯夫制定了一套安全控制标准,其中就包括使用了性能可靠功能块,或者开发复杂、模块化的PLT过程安全控制装置的设计任务书。“我们必须找到一条自动化技术切实可行的道路,而且不仅仅适用于巴斯夫,也适用于全球各地的企业。” Ziegler先生解释道。

巴斯夫在“巴斯夫4.0”的指引下正在推进数字化,目前,所有简化流程设备维护保养和提高效率的方案都十分成功。例如,对热交换器污垢程度的监控、对像涡轮机这类大型机械的振动监控或者执行器的故障诊断等的数字化改造方案都取得了成功。当然,在安全控制方面,数字化改造需要非常谨慎的方案。

此外,智能化的安全诊断也有着非常重要的意义,因为在安全防护领域中,所使用的传感器和执行器对流程工业企业的生产经营非常重要。虽然企业在安全控制领域中已经制定了必要的工作流程和操作程序,但是巴斯夫自动化解决方案部门高级自动化技术经理Martin Roser博士解释道:“我们还无法真正利用与安全有关的诊断数据,我们需要这些数据进一步提高安全诊断的可靠性,例如用来延长重复检验的周期。”而迄今为止,传统的安全控制器还无法从现场仪器设备中读取这类附加件信息。

合作带来技术飞跃

在“开放式集成”这一合作项目的框内,Endress+Hauser公司和HIMA公司一起开发了这一问题的解决方案。现在在SIL安全完整性控制循环中,能够用HIMAx开发的安全控制器的心跳技术对Endress+Hauser研发生产的Proline流量计进行监控,读取其安全诊断的数据。这一功能提供的参数被称之为HBSI(心跳传感器完整性)值,它也可以探测流量计受到的腐蚀和沉积物情况。

这一方案还包括一个安全完整性等级SIL 3级的防火墙,由安全控制器在现场总线仪器设备层与更高级别的自动化控制层之间决定交换或不交换哪些信号。例如只允许读取现场总线层次的仪器设备,并阻止对这些仪器设备的写入命令。最终实现的安全功能满足了IEC 62443标准对Hart总线仪器设备访问所提出的的安全要求。

安全控制器能够确定最佳的重复检验时间,借助心跳技术,操作者可以经安全控制器对保护装置中被SIL安全完整性锁定的设备自动进行重复检验。从现场总线仪器设备的解锁到仪器设备全部功能的检验,直至检验后重新锁定的全过程都是自动进行的,此过程按照NE 154标准的规定,并通过Hart现场总线接口来实现控制。

这一解决方案提供了延长验证和测试周期的可能性。Ziegler先生指出,尤其是在仪器设备必须拆除或者需要计量鉴定时,重复验证工作需要占用大量的人力资源。“今天,完成这些工作就已经花费很多的时间了。随着流程设备中使用的传感器、执行器的数量增多和复杂化,将来验证工作将花费更多时间。”现在的解决方案为科里奥利流量计的维护保养带来了许多好处,未来也会推广到其他检测仪的重复验证中去,那时就不必再拆除现场的检测仪器,运行中的流程设备也不必为重复验证而停机了。此外,未来的重复验证可以在安全保护系统下自动进行,避免了系统误差和错误,并提供最准确的检测结果。同时,这一解决方案还提供了大量便于预防性维护保养的监控
参数。

在实践中顺利启航

巴斯夫公司驻地路德维希斯港的一套生产化妆品原材料的流程设备第一次采用了这一解决方案。Endress+Hauser生产的十台科里奥利流量计与HIMA公司的控制器配套使用,每个月自动进行一次重复验证,并提供HBSI心跳传感器完整性值。同时,这一诊断值将保存在流程设备操作数据信息系统中,用于预防性的维护保养。“我们希望将验证周期延长到3年甚至5年,到目前为止一切进展都还不错。”Ziegler先生说道。2018年秋季,这套流程设备中又有16台仪器加入了自动化重复验证的舰队。

Ziegler先生也看到自动化重复验证方案在新建流程设备中的巨大应用潜力,他说:“对我们来讲,如果其他有着深度诊断功能的传感器也能使用自动化重复验证方案那就太好了,但是目前只有少数传感器具有诊断功能。”

自动化重复诊断的心跳技术正在向其他检测仪类型进军,Endress+Hauser与HIMA的合作也正在继续着,自动化重复验证解决方案只是在合作双方开放式集成项目中的一部分。

从左至右:巴斯夫Martin Roser先生和Andreas Ziegler先生都认为开放式集成原理表现得很好,Endress+ Hauser的Peter Rippen先生也非常满意
从左至右:巴斯夫Martin Roser先生和Andreas Ziegler先生都认为开放式集成原理表现得很好,Endress+ Hauser的Peter Rippen先生也非常满意

优秀的合作伙伴

大约4年前,Endress+Hauser公司就开始与合作伙伴一起开发具有行业特点的自动化拓扑结构,并对相关的元器件、设备和组件进行了测试。自此,用户就可以得到自己流程设备自动化所需的建议。虽然在调试之前对自动化技术元器件进行详细测试已经成为日常工作,但测试的只是专用的现场总线仪器和驱动器。在实践中,尤其是在流程设备间调试过程中,常常会出现设备相的依赖性。在安装调试之前设备需要通过自动化拓扑结构的测试,这为用户选择可用检测仪器提供了很大的自由度,同时也把用户的风险降低至最低。制造商已经在与合作伙伴的开放式集成项目合作中完成了集成验证,因此留给用户的风险微乎其微。

开放式集成原理在巴斯夫的实际应用中运行良好。“两家仪器设备生产厂提前就确保所有的产品能够集成在一起使用非常重要,对我们来讲就不存在令人头疼的接口问题了,这一点也得到了现场施工工程师的证实。”Ziegler先生说。他认为,将自动化拓扑系统扩展到化学工业的SIL安全完整性应用中也非常有益。例如用合适的产品实现设备现场Hart标准信号的隔离,尤其是控制系统和安全控制器之间的耦合和接口仍然是一个问题。“人们要在流程设备调试之前就把所有的疑问都搞清楚,但是有一些问题是在设备调试或测试过程中发现的,甚至还有的会在设备投产运行几年后才出现,例如在电源故障之后,某仪器设备再也无法耦合或正常工作等。” Ziegler先生补充道。

展望未来

伴随着数字化技术的发展,智能化故障诊断技术变得更有意义,用户提出的要求也越来越多。例如温度传感器、压力传感器等在峰值负载时保护套破损的探测,或者是检测仪更换后参数值准确性的校验等。

新想法多得是,现在是把这些新想法付诸实践的时候了。例如可以通过PLT过程控制的安全保护装置读取现场总线仪器设备的数据,这体现了使用不同企业现场总线仪器设备的重要性。正如开放式集成项目框架内的网络连接案例,企业之间的合作共赢达到了意想不到的效果。

专访Endress+Hauser集团首席执行官 Matthias Altendorf

Matthias Altendorf

“支持数字化转型的现场仪器”——这就是NAMUR协会与赞助商Endress+Hauser公司为2018年NAMUR大会提出的座右铭。在个性化的推动下,产品的生产批量越来越小,生产周期越来越短已经成为一种必然趋势,化学和生物技术的共同成长也推动了流程工艺技术的不断创新。与此同时,全球网络化行业的竞争压力正在稳步增长,这意味着网络化技术也越来越多地涉及到流程设备中。针对这些问题,Endress+Hauser的首席执行官Matthias Altendorf先生接受PRCROCESS德文版的专访。

PROCESS:数字化转型不仅正在改变企业的工作环境,而且也为企业的价值增值链赋值。流程企业如何在设备的整个生命周期内更好地利用数字化转型带来的潜力?

Matthias Altendorf:一方面,这涉及到一套流程设备的生命周期,甚至是一个产品的生命周期。就这方面而言,我们可以从产品和流程工艺技术的开发开始,将实验室成功的分析技术方法移植到流程工业生产实践中去。从工程设计、设备采购和调试到流程设备投产运行,最终直至维护保养,我们确保了仪器设备的检测数据能够在规划设计、物资采购和资产管理系统间畅通无阻地流动。这能节省大量时间、简化工作流程并且还能防止出错。另一方面,这也涉及到一个执行过程,它在原材料和物流管理中提供了智能化库存管理的可能性。在流程工业企业的生产运营过程中,我们通过先进的检测分析技术得到的重要质量参数和流程设备安装情况的基础信息,能为更好的决策和最佳的调整控制提供依据。

PROCESS:流程企业还会受到4~20 mA模拟技术的影响,有什么办法能够使客户相信数字化测量技术?

Matthias Altendorf:”目前,90%的现场总线仪器设备都已经有了数字化接口,能够通过例如Hart通信技术协议和接口设备(即边缘设备)无缝地连接到IIoT工业物联网中。此外,针对数字化的安全性,我们已经将IIoT工业物联网生态系统让第三方的Eurocloud欧洲云计算联盟进行了认证,并获得了业内最高的四星级安全等级。由于IT行业有着很高的要求和安全标准,因此我们的数字化接口(例如WiFi、蓝牙或者以太网接口)也都达到了非常高的安全水平。

PROCESS:基于Web的技术服务已经成为一种发展趋势,贵公司在这方面有什么产品?流程工业用户能够从这些产品的使用中获得什么利益?

Matthias Altendorf:我们的第一款App应用程序Analytics App能够给出流程设备安装情况的概况。我们的扫描程序Scanner-App有着很高的效率,它通过边缘设备实现了全自动的扫描。在云技术领域中,我们的产品能够自动在云端生成数字化映射。对我们自己生产的仪器设备来说,我们可以直接访问数据库中的所有信息,包括使用说明书、参数、仪器设备的驱动程序、鉴定证书以及全部的维护保养历史记录。App应用程序能够识别关键的检测点,报告已经达到使用期限的仪器设备,并给出优化改进的建议。这些信息也可以随时随地在计算机中查到,就像在移动终端设备中查询一样方便。此外,还有一些为用户准备的App应用程序,这些App可以用于监控在役仪器设备状态或者进行预防性维护,例如酸碱度PH值检测传感器的预防性维护保养。此外,我们开发的水质智能管理系统适合从污水处理厂乃至养鱼场使用。

PROCESS:Endress+Hauser公司为NAMUR协会的开放式构架(NOA)工作组和模块类型包(MTP)工作组的研发做了哪些工作?

Matthias Altendorf:我们积极参与NAMUR协会和有关用户组织的讨论。在企业内部,我们积极推动高级物理层的研究工作。第二阶段的现场仪器设备带宽将从10 M起扩展到100 M,我们将拥有一条传递数据信息的高速公路,为NOA开放式构架的应用扫清障碍。在这些工作中,我们投入了大量的人力物力,尽其所能。另外,我们还在探讨5G应用在现场仪器设备数字化和流程工艺自动化中的应用潜力。