Aby w pełni uświadomić sobie, jaki potencjał oszczędności niesie ze sobą właściwa gospodarka energetyczna, należy spojrzeć na zagadnienie z szerszej perspektywy. Obejmuje ona bowiem zarówno zapotrzebowanie energetyczne całego przedsiębiorstwa, tj. biur, sal konferencyjnych czy stołówek, jak i hal produkcyjnych oraz poszczególnych maszyn i urządzeń. Decydującą rolę w jej świadomym kształtowaniu odgrywa z jednej strony identyfikacja i optymalizacja działania najbardziej energochłonnych komponentów, a z drugiej – zharmonizowanie pracy wszystkich systemów i maszyn w przedsiębiorstwie. Niezbędnym warunkiem jest pełen dostęp do danych na temat zużycia energii dla każdego punktu jej poboru.

Energooszczędna inteligentna fabryka
Dzięki takiemu podejściu przedsiębiorstwo może także pod względem energetycznym realizować założenia inteligentnej fabryki, zgodnie z wymogami normy EN ISO 50001. Zintegrowany, a co za tym idzie – niedrogi system zarządzania danymi energetycznymi nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych. Poszczególne urządzenia pomiarowe można bowiem przyłączyć do istniejącego systemu automatyki budynkowej lub sterowania maszyn, a cały system swobodnie rozbudowywać o nowe komponenty, aby krok po kroku budować kompleksowe rozwiązanie do zarządzania danymi energetycznymi. Generowane w tym procesie koszty relatywnie szybko się zwracają. Niewielkim nakładem można np. na podstawie zebranych danych analizować szczytowe pobory mocy. Taka konsekwentna optymalizacja zużycia przynosi znaczne, długotrwałe oszczędności, co ma istotne znaczenie zwłaszcza w obliczu rosnących cen energii.

Dzięki wysokiej skalowalności i modułowej budowie system zarządzania danymi energetycznymi może zostać optymalnie dostosowany do potrzeb danej aplikacji – w zakresie gromadzenia danych z całego przedsiębiorstwa, jak i z hal produkcyjnych oraz poszczególnych maszyn

Co istotne, ekozarządzanie zyskuje też coraz większe znaczenie w oczach opinii publicznej, a tym samym rośnie także presja polityczna na ograniczenie zużycia energii i emisji CO2 przez przedsiębiorstwa. Znajduje to wyraz we wprowadzaniu mechanizmów stymulujących wdrażanie energooszczędnych rozwiązań, takich jak białe certyfikaty przyznawane za inwestycje zmniejszające zużycie energii elektrycznej, będące przedmiotem obrotu na giełdzie towarowej. Istotną rolę w procesie ubiegania się o nie odgrywa stały monitoring, pomiar i analiza danych energetycznych za pomocą zintegrowanych systemów składających się z modułów pomiarowych, oprogramowania i interfejsów do przesyłu danych. Przykładem takiego systemu może być rozwiązanie firmy Beckhoff, na które – oprócz wymiennych modułów – składają się: oprogramowanie TwinCAT, sieć EtherCAT i otwarta architektura komunikacyjna OPC UA. Tego typu system umożliwia nie tylko wdrożenie, ale także stałe optymalizowanie systemu zarządzania danymi energetycznymi w przedsiębiorstwie.

Uniwersalna, zintegrowana akwizycja danych

Koncepcja Scientific Automation firmy Beckhoff m.in. dzięki zastosowaniu wydajnych modułów pomiarowych umożliwia połączenie sterowania i techniki pomiarowej w ramach jednego uniwersalnego systemu sterowania

Aby zmaksymalizować oszczędność energii, warto zainwestować w uniwersalny system sterowania typu PC-based o modułowej budowie i wysokiej skalowalności, który umożliwi nie tylko sterowanie maszynami, ale także automatyzację całego obiektu, a tym samym zapewni dostęp do wszystkich danych procesowych i energetycznych z poziomu jednego oprogramowania. Takie rozwiązanie umożliwia nie tylko efektywne przetwarzanie wszystkich istotnych danych, ale także ich zestawianie, porównywanie i transfer do nadrzędnego systemu zarządzania energią.

Z punktu widzenia użytkownika tak wysoka elastyczność i otwartość systemu przynosi szereg korzyści: z jednej strony umożliwia łatwą integrację wszystkich niezbędnych sygnałów za pomocą szerokiej gamy modułów I/O, a z drugiej – pozwala na bezprzewodową obsługę wszystkich typowych systemów magistrali, standardów przesyłu danych i protokołów zdalnego sterowania w ramach jednego systemu.

Podstawowym warunkiem efektywnego zarządzania danymi energetycznymi jest szerokie spojrzenie na analizowany obiekt przy zachowaniu wysokiej dokładności pomiarowej dla każdego punktu gromadzenia danych. Pomiar ogólnego zużycia energii w przedsiębiorstwie jest bowiem tak samo ważny jak precyzyjna akwizycja danych z każdego urządzenia podłączonego do sieci energetycznej. We wspomnianym rozwiązaniu firmy Beckhoff dzięki zastosowaniu modułów I/O dane o zużyciu mediów takich jak prąd, ciepło, woda, gaz czy sprężone powietrze zbierane są tam, gdzie powstają: w danym dziale, na maszynie lub urządzeniu wykonawczym, a następnie przesyłane za pomocą szybkiej, szerokopasmowej sieci EtherCAT do systemu sterowania i oprogramowania TwinCAT. Tam są poddawane wstępnej analizie i wizualizowane w narzędziach TwinCAT Scope i HMI, a następnie udostępniane nadrzędnemu systemowi zarządzania energią w przedsiębiorstwie za pośrednictwem standardowych interfejsów, takich jak OPC UA.

Właśnie w takich złożonych systemach wdrożenie zintegrowanego rozwiązania do zarządzania danymi energetycznymi przynosi najwięcej korzyści. Z jednej strony umożliwia bowiem prostą rozbudowę istniejącego systemu automatyki o komponenty pomiarowe, a tym samym precyzyjne dostosowanie go do bieżących potrzeb – nawet wiele lat po uruchomieniu i bez konieczności wdrażania osobnego sterowania do obsługi urządzeń pomiarowych. Z drugiej strony taka bezprzewodowa integracja pozwala szybciej reagować na wydarzenia o istotnym znaczeniu dla zarządzania energią.

Szczegółowa analiza danych z poziomu oprogramowania
W otwartych systemach sterowania typu PC-based zebrane dane energetyczne mogą być analizowane i przetwarzane w ramach dowolnego modułu oprogramowania, nie zaś wyłącznie w nadrzędnym systemie zarządzania energią. W systemie firmy Beckhoff w warstwie sterowania zadanie przetwarzania danych realizuje platforma automatyki TwinCAT. Dzięki modułowi TwinCAT PLC dane na temat zużycia można wykorzystać bezpośrednio do modyfikacji algorytmów sterowania, aby w ten sposób zoptymalizować bilans energetyczny linii produkcyjnej czy procesu wytwórczego. Z kolei do monitorowania i analizy danych służy pakiet narzędzi składający się z biblioteki TwinCAT Condition Monitoring oraz TwinCAT Scope.

Wspomniana biblioteka zawiera moduły algorytmów matematycznych do analizy wartości pomiarowych pozwalające na monitoring stanu maszyn i linii produkcyjnych. Biblioteka realizuje funkcje analityczne, statystyczne i kategoryzacji. Natomiast programowy oscyloskop TwinCAT Scope umożliwia pełen monitoring danych energetycznych, łącząc w sobie funkcje narzędzia do szybkiego zapisu i wydajnej graficznej prezentacji danych. Moduł może przetwarzać zarówno obszerne zbiory, jak i bardzo szybkie cykle danych z rozdzielczością na poziomie mikrosekund, np. z modułów pomiarowych EtherCAT EL3773 z funkcją nadpróbkowania. Wyniki są następnie przesyłane do modułu Scope View, który umożliwia graficzne obrazowanie niemal dowolnej liczby krzywych z wysoką dokładnością czasową. Dzięki temu można z dużą dozą pewności stwierdzić, czy w sieci występują sinusoidalne przebiegi napięcia lub wyższe harmoniczne, a wysoka rozdzielczość pomiarowa umożliwia analizę nawet niezwykle krótkich skoków napięcia, których nie zarejestrowałyby konwencjonalne systemy.

Optymalizacja kosztów zużycia energii w aplikacjach przemysłowych
Dopiero przy zastosowaniu uniwersalnego, zintegrowanego systemu zarządzania danymi energetycznymi można w pełni zidentyfikować i wykorzystać cały potencjał oszczędności energii w przedsiębiorstwie. Akwizycja i analiza danych energetycznych zintegrowana z systemem automatyki budynkowej może znacznie zoptymalizować zużycie prądu, wody, gazu i ciepła. W halach produkcyjnych systemy zarządzania energią umożliwiają m.in. ogólną ocenę zapotrzebowania na prąd i sprężone powietrze. A na poziomie maszyn i linii produkcyjnych pozwalają na określenie dokładnych wartości zapotrzebowania dla każdego czujnika i urządzenia wykonawczego oraz zapewniają pełen monitoring stanu urządzeń będący podstawą predyktywnego, a tym samym niedrogiego utrzymania ruchu.

System PC-based Control dostarcza szczegółowych danych na temat zużycia energii umożliwiających m.in. obliczenie krzywych obciążenia oraz identyfikację i równoważenie obciążeń szczytowych

Dzięki możliwości obliczenia krzywych obciążeń i identyfikacji obciążeń szczytowych systemy takie stanowią także punkt wyjścia do opracowania strategii równoważenia tych obciążeń, wyliczenia ich procentowego udziału w całościowym obciążeniu sieci, a także określenia obciążenia podstawowego i średniego. Informacje te można wykorzystać m.in. do porównania zapotrzebowania na energię dla poszczególnych maszyn i opracowania planu jego optymalizacji. Identyfikacja urządzeń o największym poborze prądu umożliwia nie tylko redukcję kosztów energii elektrycznej, ale też przyporządkowanie tych kosztów do miejsca ich powstawania. A dane na temat całościowego zapotrzebowania na energię można wykorzystać w procesach sterowania, np. do zwiększenia stabilności procesu wytwarzania i wyeliminowania przestojów maszyn.

+ + +

Łatwy pomiar wszystkich wielkości
Wysoce skalowalny, modułowy system sterowania umożliwia precyzyjne dostosowanie poszczególnych funkcji i zintegrowanego z nim systemu zarządzania danymi energetycznymi do potrzeb danej aplikacji. Istotną rolę w tym procesie odgrywa szeroka gama modułów I/O umożliwiających akwizycję wszystkich danych dotyczących zużycia energii. W ofercie firmy Beckhoff dostępne są zarówno moduły KL/EL3403 umożliwiające bezpośredni pomiar wielkości prądu elektrycznego oraz moduły EL3143, EL3433 i EL3773 do rozszerzonej analizy tych wielkości, jak i terminale KL6781 i KL6401 z interfejsami M-Bus/LON, które umożliwiają przyłączanie typowych liczników gazu, wody i prądu. W systemach temperatura mierzona jest bezpośrednio z wykorzystaniem termopary lub czujnika oporowego RTD przyłączonego do modułów magistrali/EtherCAT KL3xxx lub EL3xxx, a zużycie sprężonego powietrza monitorowane jest za pomocą modułów do pomiaru różnicy ciśnień KM37xx, także w wersji Box (EP3744), które pozwalają m.in. zidentyfikować miejsca wycieku. Całość pracy maszyn jest zaś monitorowana za pomocą analogowego modułu wyjściowego EL3632 umożliwiającego identyfikację harmonicznych z wykorzystaniem czujników przyspieszenia lub mikrofonu. Monitoring stanu ma istotne znaczenie przy wczesnym wykrywaniu błędów aplikacji, a tym samym podejmowaniu działań zaradczych, zanim dojdzie do przestoju maszyn.