У вас дома есть умная розетка? Или датчик протечки воды под раковиной? Если есть — вы уже знаете, что такое интернет вещей. Небольшой девайс висит на стене, следит за температурой или влажностью, а когда что-то идёт не так — шлет уведомление на смартфон.

Теперь представьте то же самое, но не в квартире, а на нефтехимическом заводе площадью в несколько квадратных километров. Там не десять розеток, а тысячи труб, насосов, реакторов. И за каждым нужно следить. Именно для этого и придумали промышленный интернет вещей — IIoT.

В этой статье разберем, как СИБУР внедрял промышленный интернет вещей: почему отказались от кабелей, как адаптировали датчики к морозам -56°С, какие параметры контролируют на заводе и зачем понадобилась собственная платформа вместо готового решения.

Зачем заменять проводные датчики на беспроводные?

На заводах тысячи единиц оборудования работают круглосуточно. Насосы, компрессоры, реакторы, теплообменники. Каждый агрегат может выйти из строя — подшипник разрушится, двигатель перегреется, труба даст течь. Без контроля поломки случаются внезапно. Линия встает, производство останавливается, убытки растут.

Классическая схема контроля — проводные датчики, подключенные кабелями к системам управления. Они передают данные о температуре, давлении, вибрации. Работает десятилетиями. 

Нефтехимическое производство — это взрывоопасная зона. Каждый кабель должен идти в специальном взрывозащищенном исполнении: металлический рукав, герметичные муфты, сертифицированные кабельные вводы. Километр такой трассы стоит сотни тысяч рублей. Когда нужно покрыть датчиками тысячи точек на заводе площадью несколько квадратных километров, стоимость кабельной инфраструктуры становится астрономической.

Допустим, нужно добавить точку контроля температуры на трубе в 300 метрах от ближайшего шкафа управления. С проводным датчиком это недели работы: проектирование трассы, согласования с десятком служб, закупка материалов, прокладка кабеля, подключение, настройка, приемка. С беспроводным датчиком — закрепил на трубе хомутом, включил, готово. Час работы.

Проводной датчик требует прокладки километров кабельных линий до аппаратной чтобы подключить его к общей системе. А беспроводной датчик можно смонтировать в любом месте производственной площадки. Он сам найдёт базовую станцию и начнёт передавать данные.

Беспроводные датчики решают конкретные бизнес-задачи. Мы покрываем ими те участки, на которых раньше проверяли параметры вручную. Они позволяют нам постоянно следить за состоянием оборудования и исключить человеческий фактор.

Кроме того, мы получаем уведомления об отклонениях в работе оборудования еще на этапе их зарождения. Поэтому перед ремонтом мы можем планово перейти на резервное оборудование, а не экстренно останавливать производство. 

Как это сделали в СИБУРе

В 2018 году компания запустила программу цифровой трансформации и решила внедрить IIoT-решения на своих заводах. Первая мысль была простая — купить готовые беспроводные датчики. Проанализировали рынок, но оказалось, что готового решения под наши требования, на российском рынкенет.

Особые требования к промышленным датчикам

Промышленный датчик — это не датчик из умного дома в защищённом корпусе. Условия работы на производстве диктуют жесткие требования, которым потребительские устройства не соответствуют.

Любое устройство, работающее на электричестве, на нефтехимическом производстве должно быть сертифицировано по требованиям взрывозащиты. Датчик не может стать источником искры ни при каких обстоятельствах — даже при коротком замыкании или механическом повреждении. Это первое, что проверяют при выборе оборудования.

Датчики работают на улице круглый год. Летом +40°С, зимой -50°С или холоднее. Плюс влажность, осадки, перепады температур. Электроника должна выдерживать весь этот диапазон без сбоев. Европейские производители не думают о таких морозах — их датчики рассчитаны максимум на -20°С.

Если датчик работает от батареи, её замена на тысячах устройств превращается в постоянную рутину. Минимальное требование — 5 лет работы от одной батареи. Лучше — 10 лет. Иначе экономия на отсутствии кабелей съедается обходами для замены батареек.

Как СИБУР искал решение

Взрывозащищенных беспроводных датчиков на рынке нашлось немного. Один подходил по взрывозащите, но работал только до -20°С. Заводы СИБУРа стоят в Сибири — зимой термометр показывает -50°С, а то и -56°С. Не подходит.

Другие датчики проходили по температуре, но имели малую ёмкость батареи — год-два работы максимум. Менять батарейки на тысячах датчиков каждый год — это те же обходы и человекочасы, от которых хотели уйти.

Покрутили, повертели характеристики. Подходящего варианта не нашли. Решили делать свой датчик.

Разработка промышленного датчика — это не только плата с сенсором и радиомодулем. Основная сложность — выполнить все требования по сертификации и реально проверить работу в условиях, близких к боевым.

Датчик должен пройти сертификацию в аккредитованном центре. Проверяют схемотехнику, конструкцию корпуса, все материалы. Цель — убедиться, что устройство не создаст искру даже в аварийной ситуации. Только после этого его можно ставить во взрывоопасных зонах.

Недостаточно написать в спецификации температурный диапазон. Датчики кладут в термокамеру, охлаждают до заявленного минимума, проверяют работу. Потом делают термоудар — резко нагревают. Смотрят, не отвалились ли компоненты, не потрескался ли корпус, передаёт ли устройство данные.

Но железо — это только половина решения. Нам пришлось полностью разрабатывать внутреннюю логику и прошивку датчиков. Мы писали ПО под реальные нужды производства: разные режимы измерений, оптимизацию энергопотребления, собственные алгоритмы контроля параметров, удаленное изменение настроек. Все прошивки, тестирование, интеграцию с IIoT-платформой и ввод в эксплуатацию мы выполняли сами — от нулевого прототипа до промышленного запуска.

Как адаптировали датчики к сибирским морозам

СИБУР разрабатывал датчики для работы при температурах до -56°С. При таких морозах возникают специфические проблемы.

Обычные элементы питания при -40°С теряют большую часть ёмкости. Литий-ионные аккумуляторы вообще перестают работать. Мы перебрали несколько вариантов и остановились на литий-тионилхлоридных батареях. В них используется жидкий электролит, который не замерзает даже при экстремальных морозах. Плюс у них высокая плотность энергии — много энергии в небольшом объёме. С такой батареей датчик работает до 10 лет без замены.

При сильном морозе некоторые компоненты меняют характеристики или вообще выходят из строя. Пришлось использовать специальные компоненты с расширенным температурным диапазоном. Такие чипы стоят дороже обычных, но гарантированно работают при -55°С и ниже..

На сильном морозе радиомодуль может работать нестабильно. Мы встроили нагревательные элементы под чипами. Когда температура падает ниже критического уровня, включается подогрев — чип прогревается до рабочей температуры. Это потребляет энергию, но позволяет датчику стабильно работать и передавать данные при температурах ниже -40, вплость до -56°С.

Все эти решения проверяются в термокамере перед запуском в производство. Только после успешных испытаний датчики идут на завод.

Какие параметры измеряют датчики и зачем

Промышленные датчики следят за разными параметрами оборудования, такими как температура, давление, вибрация в виде виброскорость, виброускорение, виброперемещение, сила тока, уровень жидкости, расход жидкости через трубопровод, состав воздушной среды, положение в пространстве, и так далее. 

Температура

На нефтехимическом производстве есть участки, где температурный контроль критичен. Отклонение от нормы — сигнал о проблеме, которая может привести к аварии или остановке оборудования.

Возьмём реакторы полимеризации. Это высокие вертикальные сосуды, где из мономеров получается полимер — гранулы пластика.

Процесс идёт при определённой температуре по всей высоте реактора. Если где-то температура отклоняется — начинаются проблемы.

Первая проблема — горячие точки. В какой-то зоне реактора реакция идет интенсивнее, температура растёт. Полимер начинает слипаться, образуются комки. Комки налипают на стенки, слой за слоем. Это называется обрастание. Со временем полимер забивает часть реактора, снижает его производительность. Приходится останавливать, вскрывать, чистить вручную. Это дни простоя и потерянная продукция.

Вторая проблема — дестабилизация режима. Если температура скачет, качество продукта падает. Такой полимер идёт в брак или продаётся дешевле.

Мы ставим датчики температуры по всей высоте реактора с шагом 2 метра. Получаем оперативную информацию о температурном профиле — видим, как распределена температура по всей длине. Если где-то появляется отклонение — датчик показывает это сразу.

Сами датчики выглядят так:

Оператор видит на экране, что в средней зоне реактора температура выросла на 5°С. Это ещё не авария, но уже сигнал. Оператор сразу вносит нужные изменения и температура возвращается в норму. Горячая точка не успевает образоваться, обрастания не происходит.

Вибрация

Износ оборудования, люфты, механические дефекты проявляются через вибрацию. Особенно это заметно на вращающемся оборудовании, это насосы, компрессоры, электродвигатели и т.д..

Возьмём центробежный насос, который качает сырье или продукт. Насос работает круглосуточно, годами.

Внутри — вал с крыльчаткой, который вращается на подшипниках. Со временем подшипники изнашиваются. Сначала незаметно — зазоры увеличиваются на доли миллиметра. Потом появляется люфт. Вал начинает бить, вибрация усиливается.

Датчик вибрации, закреплённый на корпусе насоса, ловит эти изменения. Мы видим, что вибрация выросла с обычных 2 мм/с до 3 мм/с. Насос ещё работает, но тренд и тенденция очевидны — подшипник изнашивается. Исходя из того насколько сильно прогрессирует дефект мы планируем переход на резерв или вывод в ремонт.

Если не следить за вибрацией, подшипник разрушится внезапно. Насос встанет посреди рабочей смены. Линия остановится. Придётся экстренно искать запчасти, вызывать ремонтную бригаду, терять время и деньги.

Давление

На производстве давление контролируют в трубопроводах, ректификационных колоннах и другом технологическом оборудовании. Повышение давления выше нормы — сигнал об отклонениях от нормального режима работы.

Мы ставим беспроводные манометры на участках, где раньше контроль был только визуальный — оператор обходил территорию, смотрел на стрелочные приборы, записывал показания в журнал. Теперь данные приходят автоматически. Если давление упало ниже нормы — датчик передает сигнал, оператор видит проблему на экране.

Уровень жидкости

В резервуарах и емкостях важно знать какой уровень жидкости. Если они переполняются, то все разольется, а работа насухую может повредить насос.

Раньше уровень проверяли визуально через смотровое стекло или рейкой — вручную. Мы используем беспроводные уровнемеры, которые измеряют уровень по перепаду давления или ультразвуком. Данные передаются на платформу каждые несколько минут.

Расход

Контроль расхода показывает, сколько жидкости проходит через трубу за единицу времени. Это важно для учета сырья, контроля технологических процессов, выявления утечек.

Мы используем два типа расходомеров: накладные ультразвуковые и врезные. Накладной датчик крепится снаружи трубы, не требует врезки — установка занимает минуты. Врезной монтируется в трубопровод при ремонте, дает более точные показания. Оба передают данные по беспроводной сети.

Загазованность

В цехах, где работают с летучими химическими веществами, критично отслеживать концентрацию газов в воздухе. Превышение нормы угрожает здоровью персонала и может привести к взрыву.

Беспроводные газоанализаторы непрерывно измеряют концентрацию опасных газов. При превышении порога датчик мгновенно передает сигнал тревоги. Оператор видит, в какой точке завода проблема, и может эвакуировать людей или включить аварийную вентиляцию.

Ток

Контроль тока в электрооборудовании помогает вовремя заметить неисправности. Рост потребления тока говорит о перегрузке двигателя, падение — о проблемах с питанием или обрыве цепи.

Мы используем бесконтактные амперметры, которые измеряют ток без разрыва электрической цепи. Датчик крепится на кабель снаружи, считывает магнитное поле вокруг провода и рассчитывает силу тока. Данные передаются на платформу, где можно отследить изменения за сутки, неделю, месяц.

Как датчики работают годами от одной батареи

Один из самых важных вопросов про беспроводные датчики — как долго они работают от батарейки. Если её нужно менять каждый год, беспроводное решение теряет смысл. Замена батарей на тысячах датчиков превращается в постоянную рутину.

Секрет в том, что датчик не передает данные постоянно. Он измеряет параметр раз в несколько минут. Передается пакет данных — это занимает доли секунды. Остальное время датчик спит, потребляя микроамперы.

Подогрев платы при сильных морозах потребляет энергию. Но нагревательный элемент включается не постоянно, а только когда температура падает ниже критического уровня — несколько раз за зиму. Прогрев занимает секунды, потом датчик снова переходит в режим низкого энергопотребления. Даже с учётом подогрева батарея работает годами.

Датчики СИБУРа работают до десяти лет от одной батареи. Даже в суровых условиях Сибири (температура до −50 °C и ниже) за пять лет заменять батареи пришлось меньше, чем у 5 % датчиков. Остальные 95% работают на тех же батареях, что установили пять лет назад.

Как устроена система IIoT

Датчики — это только часть системы. Суть промышленного интернета вещей не только в самих датчиках, но и в том, как данные с них собираются, обрабатываются и используются. Полноценное решение включает несколько уровней.

Помимо показаний с беспроводных датчиков платформа умеет работать и с промышленными интерфейсами: цифровыми RS-232/485, аналоговым 4-20 мА и гибридным HART. В качестве протоколов связи используются как наиболее распространенный открытый Modbus RTU/ASCII, так и специализированные под конкретного производителя оборудования (Меркурий, СЭТ, Пульс). Для самых сложных и запутанных ситуаций присутствует возможность написания произвольных запросов для общения с промышленным оборудованием.

Это значительно расширяет спектр оборудования, которое можно подключить, и позволяет собрать данные почти о любом параметре на производстве. Такой подход удобен и для перехода к набирающей популярность парадигме граничных вычислений — внедрения локальных edge-контроллеров в непосредственной близости от конечных устройств: часть математических моделей и алгоритмов TinyML можно запускать прямо на месте, а в сторону сервера передавать только результаты их вычислений, а не весь массив «сырых» данных. В будущем такие модули можно связывать и с контуром АСУТП.

От датчика до экрана оператора

Датчики измеряют параметры и передают данные по радиоканалу на базовые станции. Каждый датчик имеет уникальный идентификатор. Передача идёт раз в несколько минут — короткий пакет с температурой или вибрацией.

Базовые станции собирают данные с десятков датчиков в радиусе нескольких сотен метров. Они работают как промежуточное звено — принимают радиосигнал от датчиков и передают данные дальше на сервер по проводной сети Ethernet или по интернету. Для связи используют протокол LoRaWAN — это беспроводная технология для промышленного интернета вещей. Работает в нелицензируемом диапазоне частот, не требует разрешений на использование.

Вся архитектура системы умещается в три компонента: датчики на оборудовании, базовые станции для сбора сигналов и сервер с платформой для анализа данных. Структура простая, но масштабируемая — добавить новые датчики можно без изменения инфраструктуры.

Сервер — это центр всей системы. Здесь данные хранятся, систематизируются, визуализируются. Мы настраиваем пороги срабатывания, правила оповещений, строим графики. Платформа показывает оператору все точки контроля на карте завода. Если где-то температура выходит за норму — видим красную точку и получаем уведомление. Оператор видит все точки контроля на экране в режиме реального времени.

Платформа передаёт данные в другие системы через API — в систему управления производством, аналитические модули, системы предиктивной диагностики. Данные с датчиков становятся частью общей картины завода.

Что делает платформа

СИБУР разработал собственную IIoT-платформу, потому что готовые рыночные решения не подходили. Рынок предлагал либо отдельные куски бэкенда, либо фрагменты фронтенда, но цельного решения под промышленные нужды не было. Даже ближайшая платформа требовала серьезной доработки и найма отдельной команды разработчиков.

Компания посчитала полную стоимость владения готовой платформой с доработками. Сравнили с затратами на разработку собственной. Оказалось, что сделать свою в два раза дешевле. Плюс платформа будет полностью соответствовать технологическому стеку компании и не будет зависимости от внешнего вендора.

Разработка заняла полгода — с осени 2018 до весны 2019. Основной функционал был готов к весне, дальше шла работа с юристами по оформлению прав интеллектуальной собственности.

Сетевой сервер управляет беспроводными сетями LoRaWAN — подключает базовые станции, настраивает их, управляет датчиками. Мы можем подключить новый датчик, отключить старый, изменить частоту передачи данных.

Бэкенд обрабатывает данные, которые поступают от датчиков и от других корпоративных систем. Применяет бизнес-логику, вычисляет отклонения, генерирует события. Если температура превысила порог — бэкенд создаёт событие и отправляет уведомление оператору.

Исторические данные с датчиков отправляются в корпоративное Big Data хранилище СИБУРа — Узел Корпоративных Данных.

Веб-интерфейс доступен с любого корпоративного компьютера. Спроектирован так, чтобы быть простым — не нужно быть ИТ-специалистом, чтобы посмотреть показания или настроить оповещения. Оператор открывает приложение, видит карту завода с точками датчиков, смотрит графики температуры или вибрации.

Интеграция с корпоративными системами

Платформа IIoT — не изолированный остров. Данные с датчиков используются в других системах СИБУРа.

Например, данные о вибрации насосов передаются в систему планирования ремонтов. Аналитический модуль строит модель износа, предсказывает дату следующего обслуживания. Система планирования автоматически формирует заявку на замену подшипника через месяц, когда вибрация достигнет критического уровня.

Или данные о температуре охлаждающей жидкости идут в систему управления производством. Если охлаждение работает нестабильно, система может автоматически снизить интенсивность реакции в реакторе, чтобы избежать перегрева.

Большая часть интеграций работает через потоковую платформу Kafka — она передаёт данные в реальном времени между цифровыми продуктами, например мобильными обходами или ИВН. Если нужна интеграция с системами вроде FineBI, Grafana или «Удалённого эксперта», то данные уходят в озеро на Vertica. А напрямую через API у нас взаимодействуют только внутренние сервисы платформы.

Так получается цифровая экосистема завода, где данные с датчиков становятся частью общей картины производства.

Экономический эффект от внедрения IIoT

Внедрение промышленного интернета вещей даёт экономию из нескольких источников.

Отказ от прокладки километров взрывозащищенных кабельных трасс экономит десятки миллионов рублей. Когда нужно покрыть тысячи точек датчиками, разница между проводным и беспроводным подходом становится существенной. На СИБУРе посчитали — беспроводное решение обошлось в разы дешевле, чем прокладка кабелей к каждой точке контроля.

Датчики передают данные каждые несколько минут. Отклонение от нормы видно сразу, а не через часы или дни. Это позволяет предотвращать аварии, простои, поломки. Оператор видит отклонения и вовремя реагирует на них, не допуская потерь.

Когда данных накапливается много, можно строить модели. Например, анализировать, как меняется вибрация насоса за несколько месяцев, и предсказывать момент, когда нужна замена подшипника. Не «через год по регламенту», а «через 7 дней, когда вибрация достигнет критического уровня». Чиним не последствия неисправности подшипника с заменой дорогостоящего вала, а меняем вовремя подшипник за пару тысяч рублей, экономя сотни тысяч.

Куда развивается промышленный интернет вещей

IIoT-платформы всё активнее интегрируются с системами управления производством, ERP, системами планирования ремонтов. Данные с датчиков становятся частью общей цифровой экосистемы предприятия. Мы движемся к тому, чтобы производство управлялось на основе реальных данных, а не только по регламентам и графикам.

В России растет запрос на отечественные решения, независимые от импортных компонентов и поставок. Разработка своих датчиков и платформ — это не только технологическая задача, но и вопрос устойчивости бизнеса. Когда у тебя своё решение, ты не зависишь от внешних поставщиков и санкций.

Сейчас на заводах компании стоит  ~10 000 датчиков. План — расширять сеть, добавлять новые типы устройств, углублять интеграцию с аналитикой.

Титры

Подписывайтесь на наш тг-канал. Он полезен айтишникам, которые хотят понять, что реально происходит в промышленном ИТ.

Там мы рассказываем о цифровых технологиях для производства — от IIoT и аналитики до инженерных инструментов и ИИ. Делимся кейсами, экспериментами, новостями и выкладываем вакансии.