ABB System 800xA สำหรับควบคุมสถานีขนส่งไฮโดรเจนเหลวของ Kawasaki

ABB ได้รับเลือกจาก Kawasaki Heavy Industries ให้จัดหาระบบควบคุมและระบบความปลอดภัยสำหรับสถานีขนถ่ายไฮโดรเจนเหลว Kawasaki LH2 Terminal ซึ่งอยู่ระหว่างการพัฒนาที่โอกิชิมะใกล้กรุงโตเกียว ขอบเขตระบบอัตโนมัติที่วางแผนไว้มี ABB Ability System 800xA เป็นศูนย์กลาง และจะผสานรวมการควบคุมกระบวนการ ความปลอดภัย และข้อมูลการปฏิบัติงานครอบคลุมกิจกรรมการทำให้เป็นของเหลว การจัดเก็บ การขนถ่ายทางเรือ การจ่ายก๊าซ และการบรรทุกขึ้นรถบรรทุก

สถานีแห่งนี้พัฒนาโดย Japan Suiso Energy ภายใต้โครงการเชิงพาณิชย์ที่ได้รับการสนับสนุนจากองค์การพัฒนาพลังงานใหม่และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมแห่งญี่ปุ่น แผนงานที่เผยแพร่ระบุถึงถังจัดเก็บไฮโดรเจนเหลวขนาด 50,000 ลูกบาศก์เมตร อุปกรณ์ขนถ่ายสินค้าทางเรือ สิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการทำให้เป็นของเหลว โครงสร้างพื้นฐานสำหรับจ่ายก๊าซไฮโดรเจน และการบรรทุกขึ้นรถบรรทุก การก่อสร้างเริ่มขึ้นในปี 2025 และคาดว่าโครงการสาธิตจะดำเนินต่อไปจนถึงปีงบประมาณ 2030

สภาพแวดล้อมการควบคุมร่วมเป็นหัวใจสำคัญของโครงการ

ขอบเขตงานของ ABB ครอบคลุมระบบเครื่องมือวัดเพื่อความปลอดภัยระดับ SIL 3 ตัวควบคุมแบบทำงานซ้ำซ้อน และโครงสร้างพื้นฐานเซิร์ฟเวอร์แบบทำงานซ้ำซ้อน สภาพแวดล้อมการควบคุมร่วมช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานเห็นภาพสถานะถัง ลำดับการถ่ายโอน ระบบสาธารณูปโภค สัญญาณเตือน การทริป และความพร้อมใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างสอดคล้องกันในที่เดียว ประโยชน์ไม่ได้มีเพียงความสม่ำเสมอของหน้าจอเท่านั้น การประทับเวลาที่ผสานรวม การจัดการสัญญาณเตือนที่ประสานกัน และบันทึกทางวิศวกรรมร่วมกัน สามารถย่นระยะเวลาตั้งแต่พบสัญญาณผิดปกติจนถึงการตัดสินใจเดินระบบอย่างปลอดภัย

ไฮโดรเจนเหลวทำให้เกิดสภาวะกระบวนการที่ท้าทาย โดยจัดเก็บที่อุณหภูมิใกล้ลบ 253 องศาเซลเซียส ดังนั้นเครื่องมือวัด วัสดุ ฉนวน และอุปกรณ์ถ่ายโอนต้องรองรับอุณหภูมิไครโอเจนิก ความร้อนที่เพิ่มเข้ามาเพียงเล็กน้อยอาจเพิ่มการระเหยเป็นก๊าซ ไฮโดรเจนมีช่วงการติดไฟกว้างและใช้พลังงานจุดติดไฟต่ำ จึงจำเป็นต้องมีการตรวจจับการรั่วไหล การระบายอากาศ การออกแบบพื้นที่อันตราย และการควบคุมแหล่งกำเนิดประกายไฟที่เหมาะสม ระบบอัตโนมัติต้องสนับสนุนมาตรการป้องกันที่ออกแบบไว้เหล่านี้ โดยไม่กลายเป็นจุดล้มเหลวเพียงจุดเดียว

สำหรับผู้อ่านที่ประเมินทิศทางด้านระบบควบคุมโดยรวมของ ABB รายงานของ PLC ProTech เรื่อง การปรับปรุงระบบ DCS และการผสานรวมระบบดิจิทัลของ ABB ให้บริบทที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับการแยกการควบคุมแบบกำหนดแน่นอนออกจากการวิเคราะห์ระดับสูงของบริษัท

การควบคุมการจัดเก็บเริ่มต้นจากการวัดที่เชื่อถือได้

ถังขนาด 50,000 ลูกบาศก์เมตรต้องใช้การวัดที่หลากหลายและชั้นการป้องกันที่เป็นอิสระต่อกัน ระดับ ความดัน การกระจายอุณหภูมิ อัตราการไหลของก๊าซระเหย ตำแหน่งวาล์ว และการตรวจติดตามการกักเก็บ ล้วนมีส่วนช่วยให้เห็นภาพการเดินระบบ ภาวะไครโอเจนิกทำให้การเลือกเซนเซอร์และการจัดวางท่ออิมพัลส์ซับซ้อนขึ้น ขณะที่ความหนาแน่นและการแบ่งชั้นของของไหลอาจส่งผลต่อการคำนวณปริมาณคงคลัง

วิศวกรควรแยกการวัดเพื่อการควบคุมออกจากการวัดเพื่อการทริปที่เป็นอิสระ เมื่อการวิเคราะห์อันตรายกำหนดให้ต้องแยกจากกัน อาจใช้ตรรกะการโหวตสำหรับการป้องกันความดันหรือระดับที่สำคัญได้ แต่การโหวตจะช่วยได้ก็ต่อเมื่อเซนเซอร์มีรูปแบบความล้มเหลวที่เป็นอิสระต่อกันเพียงพอ ท่ออิมพัลส์ร่วม แหล่งจ่ายไฟร่วม การสัมผัสสภาพแวดล้อมแบบเดียวกัน หรือข้อผิดพลาดจากการสอบเทียบเพียงครั้งเดียว อาจทำลายความซ้ำซ้อนที่ดูเหมือนมีอยู่

จัดการก๊าซระเหยโดยไม่บดบังความไม่เสถียร

ความร้อนที่ไหลเข้าสู่ระบบตามปกติทำให้เกิดก๊าซระเหย ซึ่งต้องกู้คืน อัด ทำให้กลับเป็นของเหลวอีกครั้ง หรือระบายไปยังจุดที่ปลอดภัยตามการออกแบบสถานี วงจรควบคุมต้องมีช่วงการทำงานเพียงพอสำหรับความแปรผันตามปกติ ขณะที่สัญญาณเตือนต้องแสดงให้เห็นการรั่วไหลของความร้อนที่ผิดปกติ การรั่วของวาล์ว หรือการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ การปรับจูนระบบควบคุมที่รุนแรงเกินไปอาจบดบังปัญหาที่กำลังก่อตัวด้วยการสั่งให้อุปกรณ์ขับเคลื่อนอีกตัวทำงานหนักขึ้น ผู้ปฏิบัติงานจึงต้องมีแนวโน้มข้อมูลและดัชนีประสิทธิภาพที่แสดงทั้งตัวแปรที่ควบคุมและความพยายามที่ต้องใช้เพื่อรักษาค่าดังกล่าว

การถ่ายโอนทางเรือทำให้เกิดขอบเขตที่เคลื่อนที่

การบรรทุกและขนถ่ายเชื่อมต่อสถานีที่อยู่กับที่เข้ากับเรือซึ่งมีระบบควบคุม ระบบหยุดฉุกเฉิน การสื่อสาร และขั้นตอนการปฏิบัติงานของตนเอง การถ่ายโอนไม่ควรเริ่มเพียงเพราะวาล์วเปิดอยู่ เงื่อนไขอนุญาตอาจรวมถึงสถานะท่าเทียบเรือ การยืนยันการผูกเรือ การเชื่อมต่อแขนบรรทุก การทำให้ท่อเฉื่อย การปรับสมดุลความดัน การจัดแนววาล์ว การตรวจจับก๊าซ และการยืนยันการสื่อสารระหว่างเรือกับฝั่ง

ปรัชญาการหยุดฉุกเฉินต้องกำหนดว่าฝั่งใดเป็นผู้เริ่มต้น สัญญาณจะแลกเปลี่ยนกันอย่างไร วาล์วใดจะปิด ปั๊มจะหยุดอย่างไร และจะจัดการของเหลวที่ค้างอยู่ในท่ออย่างไร การปิดช้าเกินไปอาจทำให้การรั่วไหลยืดเยื้อ ส่วนการปิดเร็วเกินไปอาจทำให้เกิดทรานเชียนต์ทางไฮดรอลิกหรือความดัน ดังนั้นการทดสอบเหตุและผลจึงต้องมีสถานการณ์แบบไดนามิก ไม่ใช่เพียงการตรวจสอบแบบจุดต่อจุด

การบรรทุกขึ้นรถบรรทุกเพิ่มจุดเชื่อมต่ออีกชุดหนึ่ง ซึ่งรวมถึงการระบุรถ การต่อลงดิน การตรวจสอบการเชื่อมต่อ ปริมาณที่กำหนดไว้ การป้องกันการเติมล้น และอินเตอร์ล็อกก่อนออกจากพื้นที่ การควบคุมการปฏิบัติงานเหล่านี้ในสภาพแวดล้อม 800xA ร่วมกันอาจช่วยปรับปรุงการเชื่อมโยงเหตุการณ์ แต่ช่องบรรทุกแต่ละช่องควรยังมีระบบป้องกันเฉพาะที่และพฤติกรรมแบบปลอดภัยเมื่อเกิดความขัดข้องอย่างเหมาะสม

SIL 3 คือพันธสัญญาตลอดวงจรชีวิต

ระบบเครื่องมือวัดเพื่อความปลอดภัยระดับ SIL 3 ไม่ได้เกิดขึ้นจากการซื้อ PLC ด้านความปลอดภัยเพียงอย่างเดียว เป้าหมายดังกล่าวต้องมาจากการวิเคราะห์อันตรายและการวิเคราะห์ชั้นการป้องกัน จากนั้นจึงขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือของเซนเซอร์ ตัวแก้ตรรกะ และอุปกรณ์ปลายทาง ความครอบคลุมของการทดสอบพิสูจน์ ความสามารถในการวินิจฉัย สถาปัตยกรรม และแนวทางการบริหารจัดการ การควบคุมบายพาส ระยะเวลาการโอเวอร์ไรด์ บันทึกการบำรุงรักษา และคุณภาพของการทดสอบพิสูจน์ มีความสำคัญไม่แพ้การรับรองของตัวควบคุม

การใช้งานกับไฮโดรเจนให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับอุปกรณ์ปลายทาง วาล์วแยกฉุกเฉินต้องเคลื่อนที่ได้ภายใต้ความดันต่างและสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายที่สุดที่มีความเป็นไปได้ การทดสอบการขยับวาล์วเพียงบางส่วนอาจเปิดเผยความล้มเหลวอันตรายบางประเภทได้โดยไม่ต้องหยุดระบบทั้งหมด แต่ไม่สามารถทดแทนการทดสอบเต็มรูปแบบตามระยะได้ วาล์วโซลินอยด์ แอคชูเอเตอร์ สัญญาณป้อนกลับตำแหน่ง ระบบลมเครื่องมือ และสายเคเบิล ล้วนต้องรวมอยู่ในการคำนวณฟังก์ชันความปลอดภัย

บทวิเคราะห์ของ PLC ProTech เรื่อง สาเหตุที่โครงการความปลอดภัยกระบวนการล้มเหลวแม้จะดำเนินการตามเช็กลิสต์ครบถ้วน มีความเกี่ยวข้องกับประเด็นนี้ เอกสารจะมีคุณค่าก็ต่อเมื่อแนวปฏิบัติภาคสนาม ความสามารถของบุคลากร และวินัยในการปฏิบัติงานช่วยคงไว้ซึ่งการป้องกันตามที่ตั้งใจ

ความซ้ำซ้อนต้องขจัดจุดอ่อนจากสาเหตุร่วม

ตัวควบคุมและเซิร์ฟเวอร์แบบทำงานซ้ำซ้อนจะเพิ่มความพร้อมใช้งานได้ก็ต่อเมื่อการออกแบบจัดการกับสิ่งพึ่งพาร่วมกัน แหล่งจ่ายไฟ สวิตช์เครือข่าย แหล่งเวลา ระบบทำความเย็น บริการความมั่นคงปลอดภัยทางไซเบอร์ และการเข้าถึงทางวิศวกรรม อาจกลายเป็นจุดล้มเหลวร่วมกัน การทดสอบการยอมรับจากโรงงานและหน้างานควรรวมถึงการสลับการทำงานของตัวควบคุม การสูญเสียเซิร์ฟเวอร์ การหยุดชะงักของเส้นทางเครือข่าย ความไม่สอดคล้องกันของเครื่องมือวัด และการกู้คืนจากการอัปเดตที่ล้มเหลว

ระบบยังต้องมีกลยุทธ์โหมดเสื่อมสภาพที่ชัดเจน ผู้ปฏิบัติงานควรทราบว่าฟังก์ชันใดยังคงใช้งานได้หลังสูญเสียเซิร์ฟเวอร์ เส้นทางตัวควบคุม เซกเมนต์รีโมต I/O หรือบริการข้อมูลภายนอก สัญญาณเตือนจำนวนมากระหว่างการสลับระบบอาจสร้างความเสียหายได้พอ ๆ กับการสูญเสียการควบคุม หากทำให้เหตุการณ์เริ่มต้นถูกบดบัง การจัดเหตุผลของสัญญาณเตือน การกำกับดูแลการพักสัญญาณเตือน และความถูกต้องของลำดับเหตุการณ์ ควรได้รับการตรวจสอบก่อนเริ่มถ่ายโอนไฮโดรเจน

ความมั่นคงปลอดภัยทางไซเบอร์ต้องอยู่ในการสนทนาเรื่องความปลอดภัย

สถานีแบบผสานรวมแลกเปลี่ยนข้อมูลกับสถานีวิศวกรรม ระบบบำรุงรักษา ระบบบันทึกข้อมูล แอปพลิเคชันทางธุรกิจ และอาจรวมถึงบริการสนับสนุนระยะไกล โซนเครือข่ายควรแยกระบบควบคุมพื้นฐาน ระบบความปลอดภัย อุปกรณ์แพ็กเกจ บริการกำกับดูแล และอินเทอร์เฟซองค์กรออกจากกัน การเข้าถึงระยะไกลต้องใช้ตัวตนที่ระบุชื่อ การยืนยันตัวตนหลายปัจจัย ระยะเวลาที่จำกัด การอนุมัติ และการบันทึกข้อมูล การเข้าถึงระบบความปลอดภัยควรเข้มงวดกว่าการเข้าถึงเพื่อเฝ้าติดตามทั่วไป

การติดตั้งแพตช์ต้องเป็นไปตามวงจรชีวิตที่ผ่านการทดสอบแล้ว สถานีไม่สามารถยอมรับการอัปเดตอัตโนมัติรูปแบบเดียวกับระบบองค์กรบนตัวควบคุมที่สำคัญได้ แต่การเลื่อนออกไปอย่างไม่มีกำหนดก็ทำให้ความเสี่ยงสะสมเพิ่มขึ้น บัญชีรายการทรัพย์สิน คำแนะนำจากผู้จำหน่าย มาตรการควบคุมชดเชย การสำรองข้อมูลแบบออฟไลน์ และการทดสอบกับระบบตัวแทน เป็นแนวทางสายกลางที่ใช้ได้จริง การกำหนดค่า System 800xA แอปพลิเคชันตัวควบคุม ตรรกะความปลอดภัย กราฟิก ฐานข้อมูลสัญญาณเตือน และพารามิเตอร์ของระบบแพ็กเกจ ล้วนต้องมีเวอร์ชันที่ควบคุมได้และสำเนาที่กู้คืนได้

ประสบการณ์จากโกเบช่วยลด แต่ไม่ได้ขจัดความเสี่ยงจากการขยายขนาด

ก่อนหน้านี้ ABB ได้จัดหาระบบควบคุมและระบบความปลอดภัยสำหรับสถานีรับไฮโดรเจนเหลว Hy touch Kobe ที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งใช้ในการทดลองขนส่งไฮโดรเจนเหลวที่นำโดย Kawasaki ประสบการณ์การเดินระบบดังกล่าวมีคุณค่า เพราะให้ข้อมูลเหตุการณ์จริง ข้อเสนอแนะจากผู้ปฏิบัติงาน และบทเรียนด้านการบำรุงรักษา อย่างไรก็ตาม โรงงานโอกิชิมะเป็นการขยายขนาดที่มีปริมาณกักเก็บ อินเทอร์เฟซ และข้อกำหนดด้านการพาณิชย์มากขึ้น ควรนำโมดูลที่ผ่านการพิสูจน์แล้วกลับมาใช้เมื่อมีเหตุผลรองรับ ขณะเดียวกันอันตรายใหม่ที่เกิดจากขนาดและอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นต้องได้รับการวิเคราะห์ใหม่

ผลลัพธ์ที่มีความหมายที่สุดของโครงการนี้จะเป็นรูปแบบการเดินระบบไฮโดรเจนเหลวนำเข้าที่สามารถทำซ้ำได้ ระบบอัตโนมัติที่เชื่อถือได้ต้องประสานการจัดเก็บแบบไครโอเจนิก การถ่ายโอนทางเรือ การกระจาย ความปลอดภัย การบำรุงรักษา และข้อมูลเชิงพาณิชย์ โดยไม่ทำให้ความรับผิดชอบระหว่างส่วนต่าง ๆ พร่ามัว ขอบเขตงานด้านการควบคุมและความปลอดภัยแบบผสานรวมของ ABB มอบแพลตฟอร์มที่เป็นหนึ่งเดียวให้ Kawasaki แต่วิศวกรรมตลอดวงจรชีวิตที่มีวินัยจะเป็นตัวกำหนดว่าแพลตฟอร์มดังกล่าวจะสนับสนุนการเดินระบบที่ปลอดภัยและพร้อมใช้งานได้สำเร็จเพียงใดตลอดช่วงโครงการสาธิตจนถึงปี 2030