Kostnadseffektiv vibrasjonsovervåking for olje- og gassindustrien

Vi har snakket med Advantech for å diskutere nærmere disse særtrekkene, og i denne artikkelen ser vi på noen aktuelle løsninger.

Komplekst

Distribusjonsnettverkene dekker for det første store geografiske områder. Arkitekturen består av en blanding av mange små installasjoner, som de man finner i distribusjonsnettverkene, og noen få, svært komplekse, sentraliserte prosesserings- og produksjonsanlegg. Mange av maskinanleggene befinner seg i avsidesliggende eller vanskelig tilgjengelige områder med begrenset kraftforsyning og kommunikasjons-

infrastruktur. En betydelig andel av disse stedene er også klassifisert som farlige områder, noe som gjør det utfordrende å installere elektronisk utstyr som ikke er spesielt utviklet for slike miljøer.

Betydelige konsekvenser

Systemene består typisk av et stort antall elektromekaniske komponenter som pumper, ventiler og doseringsenheter, som er eksponerte for mekanisk slitasje og nedbrytning av pakninger. I tillegg innebærer den høye verdien av produktene som håndteres at søl eller lekkasjer kan få betydelige økonomiske og miljømessige konsekvenser, inkludert potensielle skader eller tap av menneskeliv på grunn av produktenes eksplosive natur.

Forebyggende vedlikehold

På grunn av disse elementene kan forebyggende vedlikehold, der potensielle feil håndteres før de faktisk manifesterer seg, ha en langt større innvirkning på driftskostnadene enn i andre sektorer. Utfordringen blir derfor å få tilgang til kildedata som utgjør forvarsler om feil på de mange elektromekaniske enhetene i olje- og gassystemene, med tanke på de unike bransjeforholdene med vanskelig tilgang og mangelfull kommunikasjon.

Lavere strømforbruk

Heldigvis har det etter hvert kommet løsninger som avhjelper dette problemet, takket være en kombinasjon av nyskapende teknologier. For det første har forholdet mellom prosesseringsbåndbredde og strømforbruk gjort det mulig å kjøre applikasjoner som for få år siden ville ha krevd et tradisjonelt innvevd PC-system, på plattformer som nå kan operere med mye lavere strømbudsjetter (potensielt fra interne batterier) og som derfor kan installeres også i farlige områder.

Trådløse nettverk

For det andre har det vokst frem trådløse radionettverk med lavt strømforbruk som kan dekke svært store geografiske områder, igjen med minimale strømkrav. Endelig har utviklingen og innføringen av kant-gatewayer for kommunikasjon akselerert raskt de siste årene, noe som gir brukerne mulighet til å implementere et offentlig, privat eller hybrid datainnsamlings- og leveringsnettverk for å balansere kostnader, ytelse og sikkerhetshensyn.

Denne kombinasjonen av teknologisk utvikling og innovasjon kommer tydelig til syne i nye løsninger for ekstern vibrasjonsmåling, som er særlig godt tilpasset behovene i olje- og gassindustrien.

Vibrajonsmåling for forebyggende vedlikehold

Teorien bak dette er velkjent. Hvis du har en elektromekanisk enhet, er overdreven vibrasjon i forhold til de normale driftsegenskapene en pålitelig indikator på at noe har begynt å gå galt, og at enheten bør inspiseres og vedlikeholdes. Det interessante her er at dette gjør det mulig for operatørene å gå bort fra en modell med faste serviceintervaller, der enhetene inspiseres (og potensielt skades) selv om de fungerer perfekt, og over til en modell som er behovsstyrt, noe som fører til færre kontroller på stedet og mer effektiv ressursutnyttelse. Dette er særlig viktig i olje- og gassindustrien på grunn av de tidligere nevnte forholdene.

Tradisjonelle hindre

Historisk sett har problemet vært at strømforbruket som trengs for å overvåke vibrasjoner kontinuerlig over en viss måleperiode, og deretter behandle de rå akselerometerdataene for å produsere meningsfull vibrasjonsinformasjon, har utelukket bruk av små, batteridrevne enheter. Det samme har vært tilfelle når det gjelder overføring av vibrasjonsdata fra et fjerntliggende anlegg for analyse og tiltak oppstrøms –- en stor andel av olje- og gassanleggene har rett og slett ikke kabeltilkobling, og trådløs mobiltilkobling har vært både for strømkrevende og dyrt til å kunne tas i bruk i stor skala, selv i ikke-farlige områder.

Mange problemer er løst

I dag er imidlertid disse problemene løst. Fremskritt i prosessorytelse i tråd med Moores lov betyr nå at den nødvendige båndbredden er tilgjengelig med et ekstremt lavt strømbudsjett. Samtidig har fremveksten av radionettverk som LoRa, en teknologi for trådløs overføring av data over lange avstander med lavt energiforbruk, gjort det fullt mulig å ettermontere vibrasjonsovervåking på mekanisk utstyr som er i bruk på et anlegg i et farlig område uten strøm- eller kommunikasjonstilgang.

LoRa

LoRa er en energieffektiv nettverksteknologi som opererer i en ulisensiert del av radiospekteret. Den gir dekning over et stort område for lavhastighetskommunikasjon, hovedsakelig enveis, med et ekstremt lavt strømbehov. Dette gjør det mulig å designe sensorer og enheter som kan operere i lange perioder med kun batteristrøm.

Manglende interoperabilitet

Selv om LoRa-protokollen definerer overføringshastigheter, pakkestørrelser og arbeidssykluser (pulsbredde), er det ingen definisjoner eller restriksjoner på dataene som transporteres innenfor disse begrensningene. Dette innebærer at en LoRa-enhet fra én produsent ikke nødvendigvis kan koble seg til et LoRa-nettverk fra en annen produsent.

LoRaWAN

For å overvinne denne manglende interoperabiliteten bygger LoRaWAN på den grunnleggende LoRa-transporten for å tilby standardiserte metoder for å koble til og overføre data fra eksterne enheter til et innsamlingspunkt. Dette innsamlingspunktet, kalt nettverksserveren, fungerer som et oversettelsespunkt fra de mottatte LoRaWAN-dataene til et mer brukerorientert format, og, når det gjelder offentlige LoRaWAN-tjenesteleverandører, deretter til en database der de mottatte dataene kan konsulteres asynkront.

Stjernestruktur

Et LoRaWAN-nettverk er basert på en stjernestruktur, med et antall gatewayer som hver dekker et geografisk område for tilkobling av eksterne sensorer og enheter. Disse gatewayene videresender i hovedsak mottatte data til nettverksserveren ved hjelp av en forbindelse med kraftigere effekt og større båndbredde, som for eksempel mobil- eller Ethernet-nettverk.

Innebygd nettverksserver

Gatewayene fra Advantech støtter denne driftsmåten, men det viktigste er at de også kan fungere i en modus der gatewayen har en innebygd nettverksserver. Dette betyr at videre dataoverføringer konverteres til et format som umiddelbart kan brukes av IT- eller SCADA-systemer uten behov for en offentlig tjenesteleverandør. Dette gjør det mulig for brukerne å bygge private LoRaWAN-nettverk og eie sine egne data fra kilde til anvendelse.

Advantech-løsningen

Advantechs løsning for dette består av to hovedelementer, den trådløse vibrasjonssensoren WISE-2410X og den industrielle LoraWAN-gatewayen WISE-6610.

WISE-2410X er en kompakt, eksplosjonssikker trådløs LoRaWAN-vibrasjonssensor som er kompatibel med både offentlige og private LoRaWAN-nettverk. Den bruker et innebygd 3-akset akselerometer og en temperatursensor til å beregne 8 vibrasjonsparametere i samsvar med ISO 10816 i en kompakt, IP65-kompatibel kapsling som kan drives med interne (utskiftbare) batterier i opptil 2 år innenfor et temperaturspekter på 0 til +70°C.

Anvendelig

Sensoren oppfyller kravene i IECEx for sone 2 og ATEX2 for installasjon i eksplosjonsfarlige områder, samt kravene for sone 21 som gjelder støvete miljøer. Med støtte for en rekke monteringsalternativer kan den enkelt festes til nesten alle mekaniske eller elektromekaniske maskiner i petrokjemiske produksjons-, prosesserings- eller distribusjonsmiljøer, og den kan levere nyttige vibrasjonsdata i løpet av få minutter.

Gatewayen

WISE-6610 kan være vertsenhet for opptil 100 LoRaWAN-enheter, og integrere disse i enten en offentlig eller privat installasjon. Med muligheter for overføring til Ethernet eller mobilnett kan WISE-6610 fungere som en tradisjonell LoRaWAN-gateway i systemer der det allerede finnes en sentralisert LoRaWAN-nettverksserver. Men WISE-6610 kan også fungere som en nettverksserver i seg selv, ved å konvertere de mottatte LoRaWAN-dataene til MQTT eller et RESTful-grensesnitt for direkte utnyttelse i bedriftssystemer, eller til Modbus TCP for bruk i tradisjonelle SCADA-systemer, noe som gjør det enkelt å opprette helt private nettverk. WISE-6610-gatewayene kan også fungere i redundansmodus, noe som gir svært pålitelig tilgang til den underliggende vibrasjonsinformasjonen.

For mer enn vibrasjon

I tillegg til WISE-2410 tilbyr Advantech en rekke LoRaWAN-moduler for datainnsamling som gjør det mulig å integrere konvensjonelle inndata fra digitale og analoge sensorer i nettverket. Dette innebærer at man kan hente ut enda mer omfattende diagnose- og statusinformasjon som kan brukes til å planlegge vedlikeholdsoperasjoner.

Betydelige utfordringer

Vedlikeholdskostnadene i olje- og gassindustrien er betydelige. Driftsanleggene kan være spredt over et ekstremt stort geografisk område, kan være vanskelig tilgjengelige, kan være klassifisert som farlige områder og har ofte begrenset tilgang til kommunikasjon og strøm.

For mye «brannslukking»

Ofte får operatøren først kjennskap til en defekt anleggsdel når den har sviktet og forårsaket et problem nedstrøms. Dette fører til at vedlikeholdsoperasjonene blir drevet som en serie "brannslukkingsøkter", noe som medfører ineffektivitet og ofte ekstra kostnader i form av bøter eller rabatter for å kompensere for avbrudd, forurensning eller skade.

Ineffektivt vedlikehold

Historisk sett har det eneste alternativet vært å forsøke å minimere antall feil gjennom et planlagt vedlikeholdsprogram, der anleggene besøkes, inspiseres og vedlikeholdes med jevne mellomrom, uavhengig av behov. Dette fører igjen til ineffektivitet og høye driftskostnader, i tillegg til at inspeksjonsprosessen i seg selv fører til en viss andel feil på ellers velfungerende komponenter.

Dra nytte av fremskrittene

Fremskritt innen prosessor- og kommunikasjonsteknologi gjør det nå mulig å overvåke mekaniske og elektromekaniske enheter på en kostnadseffektiv måte og bruke de innsamlede dataene til å forutsi tilstanden. Dette gjør det mulig å planlegge servicebesøk på behovsstyrt basis, slik at vedlikehold kan utføres når det trengs, før et problem utvikler seg til en feil. Dette reduserer driftskostnadene betydelig, samtidig som kundene får bedre service.

Unik mulighet

Kombinasjonen av smart vibrasjonsovervåking, LoRAWAN-kommunikasjon og godkjenning for eksplosjonsfarlige områder gjør WISE-2410X til en unik mulighet for olje- og gassoperatører til å redusere problemene og utgiftene knyttet til drift og vedlikehold av det store antallet mekaniske og elektromekaniske enheter som er installert i systemene og nettverkene deres.

Artikkelen er basert på opplysninger fra Advantech.