Автоматизация запорно-регулирующей арматуры (ЗРА) с помощью пневмоавтоматики практикуется уже довольно давно. Наиболее распространённым вариантом управления пневмоприводами на протяжении многих лет является установка индивидуальных распределителей, смонтированных непосредственно на приводе или вблизи него.
Современные средства пневмоавтоматики всё чаще реализуются на базе пневмоостровов, эти устройства включают не только пневматические, но и электрические компоненты – электрические входы и выходы, встроенный контроллер, всё это позволяет решать локальные задачи по автоматизации на полевом уровне, а благодаря сертификации SIL пневмоострова могут использоваться в системах с уровнем полноты безопасности SIL2.
Сегодня пневмоостров находится прямо в сердце децентрализованной концепции автоматизации (рис. 1). Он позволяет легко и быстро настраивать оборудование на рабочий процесс, управлять сразу с одного устройства до 64 соленоидных катушек и обрабатывать аналоговые и цифровые сигналы, даёт возможность использовать различные протоколы передачи данных. В дополнение к вышесказанному пневмоостров может иметь на борту локальный контроллер, который независимо управляет технологическим участком.
Важно правильно подбирать полевые приборы, которые идеально подходят друг другу. Это может быть не столь очевидным, но упущение таких деталей способно привести к проблемам: например, передача пневматического сигнала может идти с задержкой при использовании трубки и фитингов либо слишком коротких, либо слишком длинных, либо применяемые материалы не соответствуют условиям эксплуатации.
К преимуществам концепции децентрализованной автоматизации можно отнести следующие пункты:
• гибкость (благодаря шинным протоколам передачи данных) – простая встраиваемость и возможность расширения;
• экономия времени за счёт одновременной конфигурации всех полевых модулей, включённых в пневмоостров;
• снижение времени на монтаж;
• широкий мониторинг благодаря диагностике работы систем.
При применении концепции децентрализованной автоматизации удаётся существенно снизить затраты на этапах закупки, монтажа и эксплуатации оборудования в тех технологиях, где запорно-регулирующая арматура установлена компактно. Это достаточно часто встречается в «тонкой» химии, биотехнологиях и фармацевтике, пищевой промышленности, промышленной водоподготовке.
На примере одного из проектов, реализованного на предприятии «тонкой» химии, рассмотрим сравнение затрат при автоматизации запорно-регулирующей арматуры на индивидуальных устройствах и пневмоостровах.
Помещение в 4 уровня, представленное на рисунке 2, имеет размеры примерно 20 на 20 метров и 15 метров в высоту, осуществляет выпуск исходного продукта для производства средств по уходу за телом и стиральных порошков.
Количество автоматизированной арматуры – примерно 100 ед., преимущественно это шаровые краны, но есть также и седельные клапаны и дисковые затворы с номинальным размером от 25 до 200 мм.
Сравниваем 2 системы. Первая: система с индивидуальными устройствами (рис. 3). Вся арматура укомплектована датчиками обратной связи и соленоидными распределителями, все устройства только отсечные в обеих сравниваемых системах.
Расчёт строится исходя из того, что шкафы управления уже включены в систему автоматизации. Отдельные клапаны и датчики конечного положения подключаются к полевой шине через удаленные вводы/выводы.
Вторая: система с пневмоостровами выглядит проще (рис. 4). Здесь подключение к полевой шине, удалённые вводы/выводы и соленоидные распределители представляют собой единый модуль на полевом уровне. При применении пневмоострова отпадает необходимость в дополнительных удалённых вводах/выводах, которые применяются для управления индивидуально установленными распределителями, так же как и уменьшается количество сигнальных кабелей.
Для расчёта также были приняты следующие условия:
1. Затраты на монтаж и подключение всей системы с индивидуально расположенной ЗРА сравниваются с затратами при применении пневмоострова CPX/MPA.
2. Для подключения соленоидных распределителей и блоков концевых выключателей применяется многожильный кабель. При подключении пневмоострова количество жил в кабеле снижается, разница в стоимости монтажа в этом случае незначительная.
Расчёты производятся исходя из цен, имеющихся в открытом доступе (соленоидные распределители, пневмоострова, трубка, кабели и пр.). Затраты включают в себя стоимость компонентов, монтаж кабеля в привязке к его длине и затрат на подключение. Размер этих затрат был предоставлен системным оператором.
Точное расположение электрических и пневматических линий для всех соленоидных распределителей было определено в ходе инспекции на объекте, в дальнейшем расположение закреплено на чертежах. Далее по чертежам рассчитывалась длина кабелей.
На рисунках 5 и 6 показано расположение клапанов при индивидуальном монтаже и монтаже на пневмоостровах на нижнем уровне. Подобное описание было составлено для всех уровней.
В расчёте также учитывались условия работы оборудования по зонам:
1. В помещении: потенциально не взрывоопасная атмосфера.
2. В помещении: Ех зона 2.
3. Вне помещения: Ех зона 2.
4. Вне помещения: Ех зона 1.
Итоговый расчёт затрат в зависимости от зоны установки оборудования показан на рисунке 7. Итоги наглядно демонстрируют, что решение на пневмоостровах значительно дешевле с точки зрения затрат на монтаж и подключение во всех зонах. Такой подход позволяет сэкономить от 14 до 42 % средств на оборудование и монтаж.
Разводка сжатого воздуха на объектах представляет собой замкнутый контур (рис. 5, выделено синим). Такой же тип пневморазводки, как правило, реализуется на объектах химической промышленности.
Если в процессе проектирования при использовании пневмоостровов удаётся отказаться от подобной схемы, то появляется возможность сократить инвестиции примерно на 10-20 %, но необходимо учесть, что эта экономия не отражена на рисунке 7 и не вошла в расчёт.
Выше приведённое сравнение затрат учитывает только инвестиционные затраты. В расчёт не были взяты затраты, которые могут возникать в процессе жизненного цикла оборудования и его отказов и, как следствие, экономия при использовании более надёжных решений. Например, простои оборудования, вызванные его неисправностями и которые можно избежать с помощью своевременной диагностики. Также простои можно уменьшать с помощью специальной индикации местоположения ошибки.
Всё чаще при работе с проектами приходится сталкиваться с требованиями IEC61508 или сертификацией SIL.
Если в результате анализа HAZOP (Hazard and Operability) выявляются риски для безопасности персонала, который находится в непосредственной близости к оборудованию при работе, либо риски для окружающей среды, то необходимо предпринимать дополнительные меры для снижения этих рисков.
Способы снижения рисков: введение дополнительных организационных мероприятий, либо изменение конструкции и дизайна оборудования, а также предупредительные меры, реализуемые на уровне системы управления оборудования.
Для примера, в зависимости от требуемого уровня SIL определённый функционал системы должен быть реализован таким образом, чтобы общая вероятность её отказа была как можно ниже. Эти функции, помимо прочего, включают и защиту от переполнения, контроль давления и температуры и прочие важные параметры.
На рисунке 8 представлена типовая схема SIL, в состав которой входит датчик, барьер, вход, контроллер безопасности, выход, последующий барьер, клапан ESD (Emergency Shut Down – клапан аварийного срабатывания) и отсечное устройство.
Задача клапана ESD – гарантированно открыть или закрыть отсечное устройство при возникновении внештатной ситуации, которая предварительно просчитывается.
В системах с уровнем полноты безопасности по SIL2 функция клапана ESD может быть интегрирована в пневмоостров по причине того, что весь пневмоостров сертифицирован для систем с SIL2.
Представленное выше может быть подвергнуто критике, мол, расчёты сделаны без привязки к российской действительности, которая отличается от европейской и по менталитету, и даже по климату. Но стоит согласиться, что при использовании пневмоостровов количество расходных материалов будет снижаться в любом случае, а значит, снизятся и затраты. Диагностика с помощью предлагаемого решения в любом случае останется, поэтому появляются возможности уменьшить время простоя оборудования. Использование меньшего количества компонентов при появлении требований SIL делают систему более надёжной и менее рискованной.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 4 (60) 2020
