NeSSI

NeSSI (от New Sampling Sensor / Initiative это глобальная и открытая инициатива , ) — спонсируемая Центром анализа и контроля процессов (CPAC) Вашингтонского университета в Сиэтле .

Инициатива NeSSI была начата для упрощения задач и снижения общих затрат, связанных с проектированием, установкой и обслуживанием аналитических систем химических процессов. Технологические аналитические системы обычно используются в химической , нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности для измерения и контроля как химического состава, так и некоторых внутренних физических свойств (таких как вязкость ). Конкретными целями NeSSI являются:

Повышение надежности этих систем за счет использования повышенной автоматизации ,
Уменьшение их физического размера и энергопотребления посредством миниатюризации .
Содействие созданию и использованию отраслевых стандартов для систем анализа процессов,
Помощь в создании инфраструктуры, необходимой для поддержки использования нового класса надежных и селективных микроаналитических датчиков.

На сегодняшний день NeSSI служит форумом для принятия и улучшения промышленного стандарта, который определяет использование миниатюрных и модульных Lego компонентов потока, подобных . NeSSI также выпустила спецификацию, которая сыграла важную роль в стимулировании разработки и коммерциализации готовой к использованию коммуникационной шины малой мощности (NeSSI-bus), специально разработанной для использования с технологическими аналитическими системами отбора проб в электрически опасных средах. В рамках своей дорожной карты развития NeSSI определила электрические и механические интерфейсы, а также составила список автоматизированных (интеллектуальных) функций программного обеспечения, которые теперь начинают использоваться производителями микроаналитики для промышленных приложений.

Фон

Современные химические и нефтехимические перерабатывающие предприятия представляют собой сложные системы, содержащие множество этапов (часто называемых единичными операциями ), связанных с производством одного или нескольких продуктов из различного сырья. Чтобы контролировать множество процессов, как для улучшения качества продукции, так и для эксплуатационной безопасности, на разных этапах обработки проводится множество измерений. Эти измерения, либо с помощью простых датчиков (таких как температура, давление, расход и т. д.), либо с помощью сложных химических анализаторов (определяющих состав одного или нескольких компонентов в химическом потоке), обычно используются в качестве входных данных для алгоритмов управления процессом, чтобы получить «моментальный снимок» операции процесса и контролировать процесс, чтобы гарантировать его эффективность и безопасность.

Традиционно большинство измерений (за исключением температуры, давления и расхода) выполнялось «автономно», путем отбора пробы из технологического процесса и ее анализа в лаборатории. Начиная со второй половины 1930-х годов, началась тенденция, направленная на перенос анализа из лаборатории на перерабатывающее предприятие. С появлением более сложных анализаторов эта концепция, известная как Process Analytics, стала гораздо более распространенной в 1980-х годах, и возникла новая дисциплина под названием Process Analytical Chemistry (PAC), которая объединила химическую инженерию и аналитическую химию .

Одной из основных движущих сил PAC (см. также: PAT ) является устранение узких мест и временных задержек, связанных с отправкой образцов в лабораторию и ожиданием результатов анализа. Перенеся анализ в процесс, результаты можно получить ближе к реальному времени, что эффективно улучшает способность управляющего воздействия корректировать изменения процесса (т. е. управление с обратной связью и упреждением).

Безусловно, наиболее распространенная реализация PAC (особенно для более сложных анализаторов) использует так называемый экстрактивный отбор проб. Обычно это предполагает непрерывное (или иногда периодическое) удаление небольшой порции пробы из гораздо более крупной системы трубопроводов или технологического резервуара. Затем этот образец кондиционируется (фильтруется, регулируется давление, контролируется поток и т. д.) и вводится в анализатор, где химический состав или внутренние физические свойства измеряется технологических жидкостей (паров и жидкостей). На промышленных предприятиях большинство систем отбора проб и связанных с ними анализаторов устанавливаются в анализаторных помещениях.

Оборудование (традиционно металлические трубы, компрессионные фитинги , клапаны, регуляторы, ротаметры и фильтры), связанное с отбором проб экстрактивных веществ, в совокупности называется системой отбора проб. Системы отбора проб используются для кондиционирования или корректировки условий пробы (давление, допустимое количество частиц, температура и поток) до уровня, подходящего для использования с аналитическим устройством (анализатором), таким как газовый хроматограф, анализатор кислорода или инфракрасный спектрометр. . Несмотря на только что данное простое объяснение, современные системы отбора проб могут быть довольно большими, сложными и дорогими. Конструктивные особенности аналитических систем отбора проб мало изменились с тех пор, как дисциплина Process Analytics зародилась в Германии, вплоть до сегодняшнего дня. Пример раннего анализатора и системы отбора проб, использовавшихся на заводе Buna Chemical Works (Шкопау, Германия), показан на следующей фотографии. Аналитика процессов остается исключительной, поскольку она является последним форпостом автоматизации низкого уровня (сохраняет ручные настройки и видимые проверки) в перерабатывающих отраслях.

История

Обоснование NeSSI возникло на собраниях фокус-групп, проведенных в 1999 году в Центре аналитической химии процессов (CPAC), на которых был призыв к более надежным отборам проб и анализу для производственных процессов. Ранняя работа с NeSSI была начата в июле 2000 года Питером ван Вууреном (из ExxonMobil Chemical) и Робом Дюбуа (из Dow Chemical) с первоначальной целью внедрения новых типов модульного и миниатюрного оборудования, которые рассматривались в стандарте, разрабатываемом технический комитет ISA ( Общество приборостроения, систем и автоматизации ). (Ссылка 1)

Термин NeSSI, наряду с футуристическими концепциями коммуникационной/энергетической шины, специально разработанной для аналитических процессов (шина NeSSI) и полностью автоматизированных систем отбора проб, был впервые представлен за пределами CPAC на презентации, состоявшейся в январе 2001 года на Международном форуме процессов. Аналитическая химия (IFPAC) на острове Амелия, Флорида, США. Эти новые концепции были собраны в спецификации NeSSI Generation II и выпущены CPAC в 2003 году как открытая публикация. Спецификация размещена на сайте CPAC. (Ссылка 2)

Технические цели NeSSI

Содействие принятию и внедрению модульных, миниатюрных и автоматизированных (интеллектуальных) систем отбора проб с использованием механической конструкции на основе стандарта ANSI /ISA SP76.00.02-2002.
Обеспечьте механическую, электрическую и программную инфраструктуру, необходимую для ускорения использования микроаналитических датчиков в перерабатывающих отраслях.
Переместите аналитические системы из корпусов анализаторов, поощряя использование аналитических систем, монтируемых на местах (аналогично датчикам давления), которые тесно связаны с основным технологическим оборудованием. (NeSSI называет эту концепцию построчным анализом)
Заложить основу для принятия стандарта(ов) открытой коммуникации для анализа процессов. Сюда входит связь между компонентами системы отбора проб, такими как датчики потока, приводы и микроаналитические датчики, а также связь с распределенной системой управления (РСУ).

Сравнение существующей технологии и технологии NeSSI (добывающие системы)

Современные технологии	NeSSI Technology (когда полностью развит)
Анализаторные убежища	Аналитическая система рядом с точкой отбора проб (построчная)
Длинные линии передачи с обогревом	Короткие очереди, быстрый ответ
Требуется обширный дизайн	Упростите проектирование за счет использования веб-инструментов проектирования, стандартных наборов символов компонентов и более распространенного использования модульных/функциональных блоков проектирования.
Индивидуальная сборка	Модульная сборка
Полевой ремонт	Модульная замена
Требуется профилактическое обслуживание, необходим персонал для контроля расхода, температуры и давления, иногда ежедневно.	Прогнозируемое обслуживание: диагностические данные записываются автоматически, а действия предпринимаются только при необходимости.
Обычно низкий уровень автоматизации системы отбора проб.	Высокий уровень автоматизации – контроль и управление давлением, температурой, расходом и нагревателями.
Большое количество образца	Небольшое количество образца, меньше материала для обработки
Кабелепроводы, уплотнения, армированный кабель, продувка и нагнетание давления	Простой штекерный разъем, небронированная проводка с использованием миниатюрного гибкого кабеля
Требуется большое пространство	Маленький, компактный, небольшой внутренний объем
Несколько независимых систем	Более тесная интеграция системы отбора проб с ее анализатором и другой вспомогательной инфраструктурой, такой как обогрев и утилизация проб.

Дорожная карта развития технологий

Дорожная карта развития технологий NeSSI группирует технологии в три поколения, которые обратно совместимы. Поколение I — это коммерческий продукт, проверенный в многочисленных промышленных и лабораторных применениях. Продукты поколения II прошли лабораторные испытания, но еще не поступили в продажу. Третье поколение (микроаналитическое) находится в разработке.

Поколения технического развития

Компоненты жидкости поколения I

Поколение I охватывает коммерчески доступные механические системы, связанные с компонентами для работы с жидкостями. Поколение I приняло миниатюрный модульный механический стандарт ANSI/ISA SP76.00.2002. Этот стандарт точно определяет впускные и выпускные порты, а также габаритные размеры, которые обеспечивают взаимозаменяемость компонентов между различными производителями, как в LEGO. Стандарт ANSI/ISA упоминается Международной электротехнической комиссией в публикации IEC 62339-1:2006.

В настоящее время три производителя производят механическую монтажную систему (известную как подложка), которая служит платформой для крепления различных компонентов. Поскольку компоненты крепятся болтами к поверхности подложки и герметизируются уплотнительными кольцами , их иногда называют устройствами для поверхностного монтажа. (В полупроводниковой промышленности существует похожая система, однако герметизация осуществляется с помощью металлических уплотнений, а не эластомерных уплотнительных колец.) В настоящее время существует более 60 различных типов компонентов для поверхностного монтажа от различных поставщиков, которые также поставляют клапаны, фильтры и регуляторы. в качестве устройств измерения давления и расхода. Хотя платформа для монтажа различных компонентов является общей у производителей, соединения под поверхностью являются фирменными. На следующем рисунке показаны три распространенные конструкции. (Слева направо) Система Swagelok, в которой используются трубные соединители различной длины, установленные в жестких каналах; конструкция CIRCORTech, в которой используется один блок с различными расходомерными трубками; и В конструкции Parker Hannifin используются различные блоки, соединенные вместе небольшими соединителями, которые также служат путями потока.

Связь поколения II с использованием шины NeSSI и SAM

Ключевые элементы спецификации NeSSI Generation II следующие.

Внедрение цифровой коммуникационной шины (NeSSI-bus), специально предназначенной для анализа процессов и предназначенной для замены систем 4–20 мА. Эта шина может обслуживать до 30 устройств. (Эта шина будет эквивалентна USB-шине «подключи и работай» на персональном компьютере, но с особыми требованиями.)
Для электрооборудования во взрывоопасных зонах внутренняя часть корпуса, в котором работают опасные (легковоспламеняющиеся) жидкости (например, водород и этилен), отнесена к категории 1/зоны 1, а не к категории/зоне 2.
Принятие использования безопасного, низкоэнергетического, общепринятого метода электрической защиты, называемого искробезопасностью, для шины NeSSI.
Внедрение использования миниатюрных интеллектуальных/автоматизированных электронных устройств, включая датчики (расхода, давления, температуры), двухпозиционные и пропорциональные приводы, а также элементы управления нагревателем корпуса.
Отказ от использования локальных показывающих устройств, таких как манометры и ротаметры, с целью сокращения трудоемкой ручной проверки (обходов).
Переход от модели централизованного управления (автоматизации) к модели локального/полевого управления, которая представлена небольшим вычислительным устройством, называемым диспетчером датчиков и актуаторов (SAM).
Принятие концепции портативных, коммерчески доступных интеллектуальных апплетов программного обеспечения с целью автоматизации определенных функций системы отбора проб. Эти апплеты будут находиться в SAM.
Использование сети Ethernet между SAM, РСУ и пользовательской станцией оператора и технического обслуживания (O&M). (NeSSI называет эту шину ANLAN)
Внедрение графического интерфейса пользователя (GUI) для лучшей визуализации физически компактных систем отбора проб.

Первый прототип многоузловой/миниатюрной системы поколения II был продемонстрирован компанией Siemens Process Analytics в 2006 году. Компания Siemens адаптировала существующую шинную систему под названием I. ²C для работы в искробезопасном режиме. Эта работа была предпринята после того, как было установлено, что существующие искробезопасные цифровые системы связи, такие как Foundation Fieldbus и Profibus, не могут удовлетворить требованиям уменьшенного физического размера, а также более низкой стоимости и энергопотребления, определенных шиной NeSSI. Поступит ли этот автобус в широкое коммерческое производство, пока неизвестно.

Некоммерческая организация CAN in Automation (CiA) выпустила в 2007 году проект стандартного предложения (DSP-103), в котором определяется физический уровень искробезопасной шины. [CAN = сеть контроллеров] Спецификация была разработана членами организации CiA, в том числе ABB, Pepperl+Fuchs, Texas Instruments и Siemens. Используя более низкое напряжение (9,5 В) для питания, эта шина может обеспечить больший ток (до 1000 мА) для питания нескольких устройств в опасной среде. Эта группа стандартизировала 5-контактный пикоразъем M8 для подачи питания и сигнала на устройства. Коммерческая реализация системы анализа процессов с использованием этой шины еще не продемонстрирована.

В промежуточной разработке под названием «Поколение 1.5» для приведения в действие клапанов используются как обычные аналоговые датчики 4–20 мА, так и дискретные сигналы. Программируемый логический контроллер (ПЛК) используется в качестве диспетчера исполнительных устройств датчиков (SAM).

Поколение III – микроаналитический

Внедрение новых микроаналитических устройств в обрабатывающую промышленность может быть обеспечено за счет использования стандартных физических, электрических и программных интерфейсов. Поколение III позволит более тесно интегрировать устройства для подготовки проб и аналитические измерения.

Приложения

NeSSI используется для технологических аналитических измерений в нефтехимической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Эти измерения могут проводиться для контроля качества сырья или конечного продукта, соблюдения экологических требований , безопасности, снижения энергопотребления или контроля процесса. Применение паров может включать углеводородное сырье и промежуточные продукты (этилен, этан, пропилен и т. д.), потоки природного газа, потоки сжиженного нефтяного газа (СНГ), потоки водорода и воздушного газа.

Жидкостные системы, подходящие для использования с механической частью NeSSI поколения I, представляют собой углеводороды, такие как дизельное топливо , а также водные потоки. Высоковязкие жидкости и твердые вещества не подходят для использования с NeSSI. Очень грязные потоки с высоким содержанием твердых частиц необходимо фильтровать. Некоторые приложения для работы с жидкостями могут быть ограничены перепадами давления, связанными с компонентами, подключенными в последовательной конфигурации. Системы NeSSI нашли применение не только в технологических аналитических средах, но и в микрореакторах, мини-заводах и лабораториях, где важны небольшой размер, неквалифицированная сборка и гибкая конфигурация.

Роль CPAC

Разработка NeSSI стала результатом совместных усилий промышленных конечных пользователей, производителей, снабжающих отрасли, и академических исследователей, работающих в области аналитики процессов. CPAC продолжает оставаться координатором разработки NeSSI и спонсором руководящей группы NeSSI. CPAC обеспечивает нейтральную зону, под которой заинтересованные компании могут встречаться, обсуждать потребности и проблемы, а также добиваться прогресса в определении будущего промышленных систем отбора проб и анализаторов. Название NeSSI зарегистрировано как торговая марка Вашингтонского университета, чтобы гарантировать, что оно по-прежнему будет свободно ассоциироваться с открытым характером инициативы. Любой может использовать имя NeSSI для обозначения продуктов или услуг, которые соответствуют спецификациям и рекомендациям NeSSI, при условии, что они воздержитесь от привязки имени исключительно к запатентованному продукту или услуге.

Критика, влияние и резюме

Критика механических систем NeSSI включала более высокую первоначальную стоимость, невозможность устранения неполадок на уровне компонентов (из-за компактного / интенсивного размещения) и отсутствие данных о производительности, связанных с использованием эластомерных уплотнений в долгосрочных установках. С точки зрения проектирования может быть сложно спроектировать модульную механическую систему, отвечающую потребностям разнообразных технологических процессов, встречающихся в промышленности. Разработка шины NeSSI представляла собой итеративный процесс, и для приведения своего оборудования в соответствие с шиной NeSSI потребуется тесное сотрудничество производителей компонентов и анализаторов. В настоящее время отсутствуют такие элементы, как недорогой маломощный датчик расхода, способный обеспечивать непрерывное считывание расхода системы отбора проб, а также пропорциональный миниатюрный регулирующий клапан.

Прогнозируемое влияние систем NeSSI следующее:

Принятие общепризнанного метода защиты (искробезопасности) для систем отбора проб приведет к глобализации и гармонизации проектирования систем и поможет преодолеть географические ограничения, которые в настоящее время установлены различными органами по электрической сертификации/утверждениям, такими как Factory Mutual (FM) и Underwriters Laboratories (UL), ATEX. (Европа), ГОСТ (Российская Федерация) и Канадской ассоциации по стандартизации (CSA).
Технический персонал анализатора будет иметь возможность получать доступ к состоянию всех ключевых показателей работы аналитической системы отбора проб как локально, так и удаленно. Можно проводить профилактическое, а не профилактическое обслуживание, а удаленная диагностика и графические интерфейсы пользователя являются нормой. Раунды анализатора будут исключены. Системы анализаторов станут более надежными и заслуживающими доверия. Техник-анализатор будет иметь возможность настроить систему отбора проб/аналитики по своему желанию, используя интеллектуальные апплеты. Разводной ключ и отвертка будут заменены программным обеспечением.
Молекулярное управление, означающее более жесткий контроль процессов за счет более тщательного анализа химических процессов, станет возможным благодаря более качественному, быстрому, менее затратному и более обширному анализу. Это поможет снизить производственные затраты на электроэнергию и минимизировать выбросы в окружающую среду в перерабатывающих отраслях.

С момента своего дебюта в 2000 году механическая часть NeSSI постепенно, но устойчиво внедрялась в промышленность. В настоящее время существует три основных коммерческих поставщика механических систем, совместимых с NeSSI, а также десятки компонентов, доступных для установки на эти системы. Также растет список компаний, внедряющих системы NeSSI на своих производственных и пилотных объектах. Недавно два крупнейших поставщика анализаторов процессов взяли на себя обязательство поддерживать оборудование NeSSI и внедрить искробезопасную связь по шине NeSSI в свои продукты. NeSSI получает статус фактического стандарта для многих приложений систем отбора проб в технологических процессах.

Принятие NeSSI (поколение I) вышло за пределы первоначальной химической и нефтехимической промышленности и нашло применение в автомобильной, пищевой и фармацевтической промышленности, а также в качестве системы аналитических разработок в исследовательских лабораториях. Электрические системы поколения II в настоящее время близки к коммерциализации: первые промышленные системы планируется ввести в эксплуатацию в 2008 году.

Ссылки

«ANSI/ISA 76.00.02-2002 Модульные интерфейсы компонентов для компонентов распределения жидкости поверхностного монтажа – Часть 1: Эластомерные уплотнения», Общество приборостроения, систем и автоматизации (ISA), Комитет по анализаторам состава, (2002), www.isa.org
Дюбуа, Робер Н.; ван Вуурен, Питер; Ганнелл, Джеффри Дж. «Спецификация NeSSI (Новая инициатива по отбору проб/датчиков) поколения II», концептуальная и функциональная спецификация, описывающая использование миниатюрных модульных электрических компонентов для адаптации к подложке ANSI / ISA SP76 в электрически опасных зонах. Центр аналитической химии процессов (CPAC), Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон (2003 г.)

Внешние ссылки

[1] — предоставляет дополнительную техническую информацию о NeSSI, а также полную историю его развития посредством сборника статей и выступлений, представленных на различных встречах, семинарах и конференциях с момента его создания.
AVENISENSE — предлагает миниатюрные датчики и преобразователи свойств жидкостей NeSSI (жидкости и газа), такие как вязкость, плотность, давление, температура и молярная масса.