בקרה בתנאי קיצון

‫בקרה בתנאי קיצון !‬
‫כך עושים זאת נכון בתעשייה ובעולם המים והביוב‬
‫כתב‪ :‬אינג' צור סגל ‪ ,‬מנהל מחלקת בקרה ‪ ,‬סימנס ישראל‬
‫ת‬
‫כנון מתקני בקרה והתאמתם לעבודה מאומצת‬
‫בתנאי קיצוניים חשוב מאוד ואינו מסובך או כרוך‬
‫במאמץ תכנוני מיוחד‪ .‬התעשייה בישראל ומתכנני‬
‫בקרה מבינים שסוף מעשה במחשבה תחילה‪ .‬תכנון‬
‫מתאים יאפשר אמינות לאורך שנים וחיסכון ישיר‬
‫בהוצאות ההקמה והתחזוקה‪ .‬מאמר זה יתאר את‬
‫החשיבה והתכנון של מערך בקרה אשר יתאים כמו‬
‫"כפפה ליד" לתנאי הקיצון שתוארו‪ .‬לפיכך גם שם‬
‫המאמר‪ :‬כך עושים זאת נכון! בסיום הקריאה ניתן יהיה‬
‫להסיק מסקנות ברורות בעת תכנון מתקני בקרה‬
‫לסביבות עבודה קיצוניות‪.‬‬
‫הקדמה‬
‫רוב יישומי הבקרה והאוטומציה בתעשייה מותקנים‬
‫ופועלים ברצפת הייצור או בסביבה הקרובה ביותר‬
‫אליה‪ .‬הסביבה התעשייתית דורשת מצד אחד אמינות ‪,‬‬
‫מהירות‪ ,‬פשטות וידידותיות‪ .‬מן הצד השני סביבת‬
‫העבודה בהן נמצאות מערכות הבקרה אינה "ידידותית"‬
‫כלל וכלל‪ ,‬אינה אידיאלית ומציגה אתגרים לא‬
‫סטנדרטיים לציוד הבקרה ‪ ,‬התקשורת ‪ ,‬פנלי התצוגה‬
‫ומערך ה‪ SCADA -‬המפעלי‪ .‬עמידות בלחות‪ ,‬קורוזיה‪,‬‬
‫אבק‪ ,‬מים או טמפרטורות קיצון הן רק דוגמאות‬
‫בסיסיות‪ .‬עמידות בסביבה מוגנת פיצוץ או עמידה‬
‫ברעידות הן דוגמאות מורכבות קצת יותר‪.‬‬
‫יישומי בקרת טלמטריה‪ ,‬לא בתעשייה‪ ,‬מציגים גם הם‬
‫"רף גבוה" הכולל את אותם דרישות ייחודיות‪ .‬דוגמאות שכאלה נוכל למצוא‬
‫למכביר במכוני הביוב‪ ,‬מכוני טיהור השפכים‪ ,‬קידוחי מים‪ ,‬תחנות בוסטר ובריכות‪,‬‬
‫מערכות ניטור אוויר ‪ ,‬גזים ומגוון יישומי הטלמטריה‪.‬‬
‫יישומים אלו לרוב מותקנים "בר בשטח"‪ ,‬פועלים ללא השגחה או מפעילים ‪,‬‬
‫חשופים לתנאי מזג האוויר‪ ,‬גזי פליטה מן התהליך‪ ,‬קורוזיה וחומרים מאכלים‬
‫אחרים‪.‬‬
‫ביישומים המיוחדים שתוארו ‪ ,‬הציוד הסטנדרטי אותו כולנו מכירים אינו מתאים‪.‬‬
‫המסקנה המתבקשת היא שיש להתאים את מערכות הבקרה בצורה פרטנית לקו‬
‫הייצור או המתקן בהתאם לסביבת העבודה בשטח‪.‬‬
‫ההתאמה נדרשת בכל רמות הפתרון‪:‬‬
‫ בקרים מתוכנתים‬‫ בקרה מבוזרת‪ :‬כרטיסי ‪I/O‬‬‫ רשתות תקשורת‬‫ פנלי תצוגה למפעיל‬‫ מתגים תעשייתיים קוויים ואלחוטיים‬‫ שרתים ו‪SCADA -‬‬‫‪ -‬מחשבי תפעול‬
‫הגדרת תנאי קיצון‬
‫מהם תנאי קיצון ? איך נזהה יישום הפועל בתנאי "קשים"?‬
‫תנאי קיצון ביישומים תעשייתיים יכולים להיות אחד או כל שילוב המתואר‪:‬‬
‫עבודה בטמפרטורות קיצוניות ‪:‬‬
‫‪-40/25°C to +60/70°C‬‬
‫עבודה בתנאי לחות גבוהים‪ ,‬עיבוי‪.‬‬
‫רכיבי בקרה לתעשייה מיועדים להתקנה בחדרים סגורים או ארונות ממוזגים‪,‬‬
‫מאווררים ומחוממים ‪ ,‬אשר מספקים סביבת עבודה יציבה יחסית למניעת רטיבות‬
‫או עיבוי‪ .‬גם אם נראה לכאורה שרכיבי הבקרה מיועדים להפעלה בטמפרטורות‬
‫נמוכות אין זה אומר שהם יכולים לתפקד מחוץ לאזורים ממוזגים מאחר והתאמה‬
‫לתחום טמפרטורה מסוים והתאמה לרטיבות ולחות אינם אותו הדבר‪.‬‬
‫ציוד סטנדרטי פועל עד טמפרטורה של ‪ 50‬מעלות‪ .‬ציוד לתנאי קיצון פועל עד ‪70‬‬
‫מעלות ובלחות יחסית של עד ‪) 98%‬במקום ‪.(95%‬‬
‫דרישה לרמת הגנה גבוהה לאבק ‪ ,‬מים‪ ,‬שמנים‪,‬‬
‫דלקים‪ ,‬אלכוהול‪ ,‬חומרי סיכה ועוד‬
‫אבק‪ ,‬לכלוך ומים יכול לסכן לא רק את הבטיחות‬
‫המבצעית במפעל‪.‬‬
‫לעתים קרובות שאריות חומרים ‪ ,‬כתוצאה מחוסר ניקיון מספיק‪ ,‬בשילוב עם‬
‫כימיקלים מתאימים מסוגל לגרום לתופעות לוואי לא "חביבות" בכלל‪.‬‬
‫התקן שכושל טרם זמנו ‪ ,‬והחייב בהחלפה בחדש או תיקון‪ ,‬הוא רק דוגמה נפוצה‬
‫אחת לבחירת ציוד ללא מקדם ההגנה המתאים עבורו‪.‬‬
‫דוגמה נפלאה להגנה אופטימאלית הוא ה‪SIPLUS Posmo A ruggedized -‬‬
‫‪ .positioning motors‬המוצרים עמידים לשמן‪ ,‬גריז‪ ,‬מלח ים‪ ,‬דלק‪ ,‬אלכוהול על כל‬
‫סוגיו כולל כל המנקים המיועדים למכונות הדפסה‪ ,‬נוזלי קירור וחומרי סיכה‪ .‬לכן‬
‫ניתן להיעזר בהם בכל אפליקציה הדורשת מענה לתנאי קיצון תוקפים ‪ ,‬בתעשיית‬
‫האוטומציה וגם בתעשייה התהליכית ‪.‬‬
‫ככלל‪ ,‬רכיבי בקרה המתאימים לתנאי קיצון הינם אלו המסומנים כ‪ ,PRO -‬קיצור‬
‫המילה ‪ . PROTECTED‬ה‪ ET200Pro -‬של חברת ‪ Siemens‬הוא דוגמה מצוינת‬
‫ליחידת בקרה מרוחקת ‪ ,‬לרבות כרטיסי ‪ ,I/O‬המאפשרים עמידות של ‪. IP67‬‬
‫ציוד סטנדרטי עומד בהגנה של ‪ . IP20‬ציוד המתאים לעבודה בתנאי קיצון מתחיל‬
‫ברמת הגנה ‪ IP65‬ועד לרמת הגנה ‪ .IP67‬מבחינת עמידות לחומרים‪ ,‬ציוד‬
‫המתאים לעבודה בתנאי קיצון עמיד בחומרי ניקוי‪ ,‬חול ואבק קורוזיבי‪.‬‬
‫עמידות בפליטות גזים‬
‫זיהום אוויר קיצוני נמצא בדרך כלל בתעשיית‬
‫הכימיקלים ‪ .‬לדוגמה‪ ,‬חומצה כלורית וגופרתי‬
‫נמצאים בתעשיית מחזור הנייר או במכוני טיפול בשפכים‪ .‬הסכנה אורבת בכל‬
‫מקום בו נעשה שימוש בבקרה מבוזרת ‪ . Distributed I/O ,‬קורוזיה איטית יכולה‬
‫לפגוע במתקנים ובציוד ולגרור תקלות "לא ידועות" ‪ ,‬לנפילות המתקן ללא הסבר‬
‫ברור או הגיוני‪ .‬ההגנה המתאימה שמהווה פתרון הוא ה‪, Conformal coating -‬‬
‫שהינו כיסוי ייחודי והגנה למעגל האלקטרוני המודפס ולרכיבים שמורכבים עליו‪.‬‬
‫ציוד סטנדרטי מספק הגנה לגזים בסיסיים‪CS2, H2S, H2SO4, SO2 :‬‬
‫ציוד המתאים לתנאי קיצון מספק הגנה לגזים נוספים‪.‬‬
‫שינויים במתחים השונים מהסטנדרט‬
‫מתחי האספקה משתנים בהתאם לסטנדרט בכל מדינה‪.‬‬
‫שנויים בלתי צפויים באספקת המתחים הינם פועל יוצא‬
‫מקונספט אספקת החשמל במתקן‪ .‬מתחי יתר‪ ,‬הלמים ‪ ,‬הרמוניות ורעשים הם רק‬
‫חלק מהתופעות ויש לתכנן כיצד המתקן יעמוד ויפעל בתנאים שכאלה‪ ,‬ללא פגיעה‬
‫בתפעול ובכושר הייצור‪.‬‬
‫בנושא הזנת הכוח‪ ,‬ובמקרים בהם אספקת החשמל אינה סדירה או בעלת‬
‫הסתברות גבוהה לאי סדירות‪ ,‬בהחלט יש לשקול אספקת ספקי כוח עם יחידת‬
‫מצבר מובנית‪ .‬יחידה שכזו מסוג ‪ DC UPS‬מהווה מקר מתח גיבוי למקרים של‬
‫נפילת אספקת החשמל ומסננת רעשים או נפילות חשמל רגעיות במערך הבקרה‪.‬‬
‫עמידות ברעידות – יישומי רכבות ותחבורה‬
‫הגנה מיוחדת נדרשת ביישומי תחבורה ‪ ,‬דהיינו מערכות‬
‫בקרה ו‪ HMI -‬המותקנות על משאיות‪ ,‬אוטובוסים ורכבות‪.‬‬
‫תקן ‪ EN50155‬מספק את המענה לאפליקציות מיוחדות‬
‫שכאלה ודן במתחי יתר‪ ,‬רעידות ועוד‪.‬‬
‫ציוד סטנדרטי יעמוד בתקני‪ . ATEX , FM ,CE :‬ציוד המותאם לתנאי קיצון יעמוד‬
‫בתקן ‪ , EN50155‬בתקן ‪ TUV‬או בתקני מספנות‪.‬‬
‫מהתיאוריה אל המעשה‬
‫תכנון מערכות בקרה מפעליות חייב לכלול שלושה מהלכים‪:‬‬
‫ אפיון הסביבה התעשייתית במפעל – תהליך אפיון זה יכלול הגדרה ברורה‬‫של תנאי הקיצון ברחבי המפעל ‪ /‬המתקן ‪ .‬בפועל במפעל יהיו מספר‬
‫סביבות עבודה שונות‪ .‬סביבת חדר הבקרה יהיה שונה מסביבת קו הייצור‬
‫או חדרי התקשורת‪ ,‬סביבת נקודות הבקרה המבוזרות במפעל יהיו שונות‬
‫מחדר לוח הבקר הראשי ‪ ,‬בקר התהליך או הבקר המפעלי‪.‬‬
‫תהליך האפיון חייב להתחשב בכל שרשרת הייצור במפעל ‪Production ,‬‬
‫‪ ,workflow‬החל בלוגיסטיקה של קבלת חומרי גלם ‪ ,‬בחינת סביבות‬
‫העבודה בתהליך הייצור המרכזי ובכל תהליכי הייצור המשניים ועד לסביבת‬
‫מחסן אספקת התוצרים מהמפעל‪ ,‬מעבדת הבדיקות בקו הייצור ועוד‪.‬‬
‫בנוסף ‪ ,‬תהליך האפיון חייב להתחשב בפיתוח עתידי ובשינויים בסביבת‬
‫העבודה כתוצאה מהגדלת כושר ייצור או הרחבת פעילות עתידית‪.‬‬
‫הנקודה החשובה ביותר היא בהיבט של ‪ . Production life cycle‬כיצד‬
‫תיראה סביבת העבודה לאורך השנים הבאות!‬
‫בקרה ישירה באזורים מוגני פיצוץ ‪EX‬‬
‫ בחירת ציודים ומערכות – ללא פשרות ‪ ,‬אשר יתאימו לעבודה ממושכת‬‫בכל סביבה שאופיינה‪ .‬בחירת ציודים נכונה עבור מפעל שעובד בתנאי קיצון‪,‬‬
‫תוביל לחיסכון ישיר בהוצאות התחזוקה לאורך כל השנים‪.‬‬
‫נכון להיום‪ ,‬לשנת ‪ ,2009‬היצע המוצרים והפרוטפוליו הינם מגוונים‬
‫ומתאימים לכל סביבה שתוארה‪ .‬ציודי בקרה כדוגמת ‪ SIPLUS‬של חברת‬
‫‪ Siemens‬מהווים פתרון מקיף ומושלם לכל תחום הבקרה ‪ ,‬החל מבקר‬
‫קטן כדוגמת !‪ SIPLUS LOGO‬או ‪ SIPLUS S7-200‬המתאימים ל‪-‬‬
‫‪ Nano Automation‬או ‪ MICRO AUTOMATION‬בהתאמה‪ ,‬ועד לבקר‬
‫‪ SIPLUS S7-400‬של ‪ Siemens‬המתאים לבקרת תהליך‪.‬‬
‫חשוב לבחור ציוד על בסיס של תוכנת הנדסה ידועה ומוכרת ‪ ,‬ולא על בסיס‬
‫"ידע אישי"‪ .‬תוכנות הנדסה‪ ,‬כדוגמת הקונפיגורטור של חברת ‪, Siemens‬‬
‫מאפשר בחירה מושכלת ‪ ,‬יעילה ומתועדת המתאימה לכל סביבה‪ ,‬לרבות‬
‫סביבה נפיצה )‪ ( ET200Isp‬או הגנה ‪ ( ET200pro) IP67‬או סביבה‬
‫בטוחה )‪.( SAFETY‬‬
‫תוכנת ההנדסה מתייחסת גם לשאר מרכיבי המערכת ‪ :‬פנלי תצוגה‪ ,‬רשת‬
‫תקשורת בטוחה ואמינה‪ ,‬פיזור חום‪ ,‬התקנה אופקית או אנכית בלוח ועוד‪.‬‬
‫חשוב לזכור כי יש לשים דגש על בחירת מערך כבילה מתאים לכל סביבה‬
‫ייחודית ‪ ,‬כאשר הדגש הוא על כבילת רשתות תקשורת ‪ ,‬בהתאם להמלצות‬
‫יצרן הציוד‪ .‬אם ליצרן הציוד אין הגדרות כבילה מתאימות‪ ,‬או לחילופין אינו‬
‫מוכר אותם או אחראי עליהם ‪ ,‬זוהי נקודה למחשבה ולמשנה זהירות‪.‬‬
‫בקרה עם הגנה ‪ IP67‬ו‪SAFETY -‬‬
‫ שילוב מערכות וציודים – כך שמערך הבקרה המפעלי הכולל יכיל פתרונות‬‫הגנה שונים ‪ ,‬שיספקו מענה מקיף לאורך שנים‪.‬‬
‫השילוב יכול בהחלט להכיל מערכות ‪ SAFETY‬בצד מערכות מוגנות פיצוץ ‪,‬‬
‫בצד מערכות בקרה סטנדרטיות ביתירות ‪ ,‬בצד מערכות תקשורת‬
‫‪ ETHERNET‬תעשייתיות ‪ ,IP67‬וציודי בקרה תעשייתית מבוזרת ‪. IP67‬‬
‫בשלב זה של התכנון יש להקפיד כי ציוד הבקרה שנבחר בפועל עומד‬
‫בתקינה ובסביבה הנדרשת‪ .‬כל פתרון אחר ‪ ,‬אינו אמין דיו ואינו צריך לבוא‬
‫בחשבון‪.‬‬
‫לצורך ההמחשה נבחן שני יישומים אופייניים‪:‬‬
‫יישום מערכות מוגנות פיצוץ בתעשייה‪ :‬רוב היישומים עושה שימוש בבקר‬
‫סטנדרטי ‪ ,‬המרוחק מאזור הבקרה‪ ,‬מותקנים בו רכיבי בידוד לרוב וכבילה‬
‫בהיקפים כספיים משמעותיים מאחר וההתקנה נעשית מרוחקת מהשטח‪.‬‬
‫מנגד‪ ,‬בחירת בקר או כרטיסי בקרה מדגם ‪ Isp‬מאפשר התקנה ישירה בלב‬
‫האזור המוגן פיצוץ‪ .‬חיסכון ישיר בהקמה ‪ :‬חיסכון בכבילה‪ ,‬חיסכון במובילים‬
‫ותשתיות‪ ,‬חיסכון בארונות וחדרי בקרה מרוחקים מהאתר‪,Barriers ,‬‬
‫חיסכון בתחזוקה על פני השנים ועוד‪.‬‬
‫יישום מערכות מוגנות מים ואבק בתעשייה‪ :‬רוב היישומים עושה שימוש‬
‫בבקר סטנדרטי המותקן בארון חשמל ובקרה ‪ .‬את ההגנה למים ואבק‬
‫מספק ארון החשמל ולא הציוד!‪ .‬כעת נחשוב בהיבט של ‪Production life‬‬
‫‪ .cycle‬מתי דלת הארון תיסגר פרוביזורית ולא תינעל ? מתי המנעול יישבר‬
‫ושוב הארון לא יהיה אטום ומוגן? בארונות הפזורים "בר בשטח" ‪ :‬מתי יופיע‬
‫הכיפוף הראשון והוונדליזם הראשון לארון? ומי יתקן אותו בזמן?‬
‫בחירת ציוד בקרה מוגן יאפשר תמיד את המשך העבודה לאורך שנים‬
‫ויחסוך הוצאות ישירות לתחזוקה ‪ ,‬תיקונים והחלפה בחדש‪ .‬בקר או כרטיסי‬
‫‪ I/O‬העומדים בהגנה של ‪ IP67‬מספקים מענה מיידי להנ"ל‪.‬‬
‫בהיבט של ‪ Production life cycle‬תוספת המחיר לציודים הנ"ל בחלוקה‬
‫על פני ‪ 15‬או ‪ 20‬שנות חיי המערכת הוא בטל בשישים‪.‬‬
‫סיכום‬
‫במאמר זה סקרתי את תנאי הקיצון ליישומי בקרה‪ .‬ברור כי יש לנפץ "טאבו"‬
‫האומר שכל יישום בקרה ניתן לבצע בצורה מיטבית עם בקר מתכנת‬
‫סטנדרטי‪ .‬המאמר מציג שאין כך הדבר‪ .‬אפיון ‪ ,‬תכנון ושילוב של כל‬
‫הטכנולוגיות גם יחד הוא המאפשר ליישם מערכת בקרה מפעלית בצורה‬
‫מיטבית ‪ ,‬לאורך שנים ‪ ,‬עם חיסכון ישיר בהוצאות התפעול‪ ,‬התחזוקה‬
‫המונעת ותחזוקת השבר‪.‬‬
‫התעשייה מאז ומתמיד הוקמה ופעלה בתנאי עבודה קיצוניים ‪ ,‬הטכנולוגיה‬
‫היא שהתפתחה לאט‪ .‬כיום‪ ,‬אין סיבה לוותר ולקבל את הטוב ביותר‪ .‬ומי‬
‫כמונו יודע מה הוא הטוב ביותר? ובכן התשובה היא ברורה‪:‬‬
‫הטוב ביותר הוא שילוב של כל הטכנולוגיות‪ ,‬של כל רמות ההגנה‪ ,‬כמכלול‬
‫אחוד בפתרון הבקרה למפעל המודרני ‪ .‬רק כך יפעל המתקן בצורה מיטבית‬
‫לאורך שנים‪ ,‬לא יקטן כושר הייצור עם השנים והתחזוקה תהייה פשוטה‬
‫והכי חשוב‪ ,‬בטוחה‪.‬‬
‫יצרן ציוד שמכבד את עצמו קיימים שני פתרונות בקרה ‪ :‬סטנדרטית וכזו‬
‫המתאימה לעבודה בתנאי קיצון‪ .‬מעבר לכך‪ ,‬יצרן מתקדם מספק פתרון‬
‫לתנאי הקיצון לכל תחום הפעילות ולכל פרוטפוליו המוצרים‪ :‬בקרים‬
‫מתוכנתים‪ ,‬בקרה מבוזרת‪ ,‬ספקי כוח‪ ,‬פנלים‪ ,‬רכיבי התקשורת‪ ,‬ווסתי‬
‫מהירות‪ .‬שאלו את ספק הבקרה שלכם איזה פתרונות הוא מחזיק על‬
‫המדף? שאלו את ספק הבקרה שלכם האם לכל בקר יש בקר תואם העובד‬
‫בתנאי קיצון? שאלו את ספק הבקרה שלכם עם איזה תוכנות הנדסה ניתן‬
‫ליישם ולאפיין את תנאי הקיצון? בחרו ליישומים "קשים" רק פתרונות מדף‬
‫המתאימים לסביבת העבודה הטבעית‪.‬‬