Popredná celulózovo-papierenská spoločnosť v severozápadnom Pacifiku potrebovala monitorovať prietok odpadovej vody, ktorá odteká do vzdialenej vodnej nádrže patriacej ich prevádzke. Kvôli novej legislatíve museli zamestnanci trikrát denne ísť autom na vzdialené miesto, zaznamenať výšku hladiny vody spolu s dátumom a časom a vrátiť sa do kancelárie. Takto získané údaje sa použili na výpočet prietoku odpadovej vody, ktorá do nádrže pritekala. Spoločnosť si uvedomila, že to nie je efektívne využitie času a chcela tento proces automatizovať.

Spolu s automatizáciou zberu údajov o prietoku chceli, aby sa tieto údaje zobrazovali aj na operátorskom HMI paneli v ich kotolni. Keďže údaje z týchto meraní vyžadovala aj legislatíva, potrebovali navyše zaviesť systém zberu a archivácie historických údajov, ktorý by im v prípade potreby umožňoval jednoduché prezeranie historických údajov a vytváranie predpísaných reportov. Pri hľadaní rýchleho a efektívneho riešenia sa výrobný podnik obrátil na spoločnosť Autoline Controls, zástupcu výrobcu s kompletnými službami na prevádzkové prístrojové vybavenie a s odbornými znalosťami v celulózovom a papierenskom priemysle.

Riešenie

Dale Stepper zo spoločnosti Autoline Controls najprv navrhol implementáciu systému na mieste nádrže, ktorý využíval radarový vysielač výšky hladiny HART s vysokou presnosťou merania a koncentrátorový systém HCS HART® spoločnosti Moore Industries. HCS je konvertor komunikačného protokolu HART na MODBUS RTU, ktorý slúži ako master HART a dopytuje radarový hladinový vysielač HART, aby z neho získal údaje primárnej premennej (PP) – v tomto prípade úroveň prietoku vody. Okrem toho HCS prijíma a konvertuje na MODBUS RTU sekundárnu premennú (SP), terciárnu premennú (TP) a štvrtú premennú (ŠV) vysielača hladiny spolu s ďalšími diagnostickými údajmi.

Autoline Controls si pre toto riešenie vybral HCS z dvoch hlavných dôvodov. Po prvé, HCS z vysielača presne zhromažďuje digitálne údaje o výške hladiny a zároveň poskytuje prevádzkovým manažérom v podniku výroby celulózy a papiera prístup k ďalším procesným premenným údajom a kritickým diagnostickým údajom o stave a výkone vysielača. HCS tiež konvertuje tieto údaje HART priamo na priemyselný štandardný formát MODBUS RTU, štandard sériovej komunikácie, ktorý podporujú takmer všetky priemyselné rádiové vysielače.

Radarový snímač hladiny HART má displej na prednom paneli na miestne zobrazenie a pripája sa k vstupu HCS pomocou dvojvodičového krúteného kábla. Snímač radarového vysielača meria výšku vody v kanáli a zapisuje tieto údaje spolu s ďalšími procesnými premennými a diagnostickými údajmi do svojej internej pamäte. Tieto údaje potom HCS požaduje dvakrát až trikrát za sekundu. Údaje sa následne mapujú na pamäťovú mapu MODBUS, ktorá sa nachádza v HCS. Tento proces neustáleho dopytovania zabezpečuje, že údaje sa neustále aktualizujú na strane HART aj MODBUS HCS.

Použitie radarového vysielača HART pripojeného k HCS vyriešilo problém merania hladiny vody; ďalším krokom bolo odovzdanie týchto údajov do miestnosti riadenia priamo v podniku. V tomto prípade bolo potrebné preniesť údaje do nadradeného HMI panelu s ethernetovou komunikáciu a do systému zberu historických údajov. Z miesta nádrže do riadiacej miestnosti neboli k dispozícii žiadne ethernetové siete, optické linky ani krútené dvojlinky, takže inštalácia lokálnej bezdrôtovej siete bola zvolená ako najlepšia metóda na získanie týchto signálov.

Počiatočný prieskum lokality sa uskutočnil pomocou fotografií lokality. To ukázalo potenciálne problémy pri vytváraní priamej komunikačnej linky z miesta, kde sa nachádza nádrž, do nadradeného systému v dôsledku očakávaného rastu stromov v lese alebo nahromadeného snehu na vetvách stromov, čo môže znížiť silu signálu bezdrôtového spojenia. Keďže v budúcnosti existoval potenciál zoslabenia trasy RF signálu, spoločnosť Autoline Controls odporučila nasledujúce bezdrôtové komponenty:

  • Rádiový modul bezdrôtovej siete Moore Industries WNM. Namiesto 2,4 GHz modelov boli použité moduly s frekvenciou 900 MHz FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), pretože ich dlhšia vlnová dĺžka signálu má tendenciu lepšie prenikať listami.
  • Ethernetové verzie rádiových vysielačov WNM boli nainštalované tak, aby vyhovovali existujúcim preferenciám zákazníka využívať ethernetovú komunikáciu v rámci celého výrobného podniku. Zatiaľ čo vzdialená lokalita nádrže predtým nemala žiadne komunikačné spojenie, využitie ethernetovej komunikácie v lokalite nádrže je žiaducim krokom vpred pri rozširovaní možnosti pridávať budúce technické prostriedky s minimálnymi dodatočnými investíciami.
  • Antény Yagi 900 MHz boli inštalované v kotolni aj pri nádrži s úzkymi RF lúčmi nasmerovanými proti sebe. Potom, čo sa takéto riešenie ukázalo ako úspešné, bola anténa na kotolni vymenená za všesmerovú anténu, aby bolo možné rozšíriť možnosti komunikácie kotolne cez bezdrôtový ethernet so všetkými miestami prevádzky.
  • Inštalované boli aj nízkostratové koaxiálne anténne káble s bleskozvodmi.

Posledná časť riešenia zahŕňala prenos signálov z vysielača hladiny do nadradeného systému spôsobom, ktorý spĺňal celkové požiadavky výrobného podniku. Vedenie podniku vyjadrilo želanie, aby boli údaje radarového vysielača hladiny reprezentované digitálnymi aj analógovými signálmi.

Aj keď s tradičnými riešeniami PLC alebo DCS by to mohlo byť dosť drahé, spoločnosť Autoline Controls odporučila pridať do nadradenej úrovne malý systém koncentrátorov NCS® NET spoločnosti Moore Industries. NCS je dynamický V/V systém, ktorý môže fungovať ako rozšíriteľný V/V systém, MODBUS RTU master, MODBUS RTU slave alebo MODBUS/TCP slave. NCS tiež poskytuje nespočetné množstvo matematických a logických algoritmov prostredníctvom svojho integrovaného riadiaceho a logického programu ISaGRAF.

Srdcom systému NCS je modul Ethernet/MODBUS (EMM), ktorý je v podstate CPU a komunikačným centrom NCS. EMM preberá v tejto aplikácii rôzne úlohy. Najprv funguje ako MODBUS RTU master a dopytuje HCS inštalovaný v lokalite nádrže cez sériový port rádia WNM. Údaje MODBUS RTU zhromaždené z HCS obsahujú údaje HART z vysielača hladiny, ktoré sa následne umiestnia do mapy lokálnej pamäte EMM. Tu sú uložené ako registre kompatibilné s MODBUS RTU a MODBUS/TCP.

EMM je vyzvaný ako MODBUS/TCP slave prostredníctvom ethernetového operátorského HMI panela v kotolni, takže prevádzkoví operátori môžu zobraziť údaje o výške hladiny a diagnostické údaje. EMM sa potom naprogramuje pomocou logiky ISaGRAF na priradenie procesných premenných k analógovému výstupnému modulu AOM NCS. AOM poskytuje až štyri 4 – 20 mA alebo napäťové signály (v rozsahu 0 – 10 V), ktoré možno preniesť do akéhokoľvek analógového prijímacieho zariadenia, ako je napríklad systém zberu historických údajov.

Zabezpečenie nepretržitého komunikačného spojenia s nádržou bolo tiež dôležitou požiadavkou zo strany výrobného podniku. Preto bola v ISaGRAF napísaná jednoduchá rutina sledovania komunikácie v EMM, ktorá monitoruje bezdrôtové pripojenie a inštruuje hodnoty MODBUS RTU, MODBUS/TCP a 4 – 20 mA z modulu AOM, aby prešli na vopred definované úrovne, ak bezdrôtové pripojenie s EMM zlyhá.

To umožňuje prevádzkovým operátorom vo výrobnom podniku okamžite zistiť, kedy zlyhalo bezdrôtové komunikačné spojenie. Len čo je spojenie obnovené, systém automaticky pokračuje tam, kde prestal, prenáša a sprístupňuje premenné a diagnostické údaje v reálnom čase zo snímača hladiny.

Presné údaje v reálnom čase

Spoločnosť Moore Industries asistovala spoločnosti Autoline Controls pri rýchlom spustení nového riešenia. Aplikační technici Moore Industries predkonfigurovali elektroniku a testovali riešenie na testovacej zostave pomocou podobného radarového vysielača hladiny, ktorý sa nachádza v centrále Moore Industries pre takéto zákaznícke aplikácie. To umožnilo spoločnosti Autoline Controls nainštalovať systém rýchlo a s istotou, že bude fungovať s minimálnymi potrebnými úpravami. Systém teraz umožňuje podniku na výrobu celulózy a papiera efektívne získavať presné a požadované údaje o hladine v ich systéme odpadovej vody.

„Legislatívne požiadavky zo strany štátu vyžadovali, aby sa zaznamenávali hodnoty o množstve odpadovej vody na dennej báze. To vyžadovalo, aby výrobný podnik poslal na miesto zamestnanca, ktorý zapisoval hodnoty trikrát denne, sedem dní v týždni,“ povedal D. Stepper. „To je v podstate polovica práce zamestnanca na plný úväzok vrátane toho, že musí pracovať cez víkendy. Nový systém automatizuje celý proces merania a dokumentácie a umožňuje ich zamestnancom sústrediť sa na iné dôležité aspekty ich prevádzky.“

Zdroj: Moore Industries’ Digital and Wireless Technology Reduces Legwork at Pulp and Paper Site. Moore Industries-International, Inc. Prípadová štúdia. [online]. Publikované 13. 4. 2023.   

-tog-