S rostoucí komplexností průmyslových výrobních systémů, které stále více využívají výkonové elektroniky jako jsou měniče, regulátory výkony i UPS, které vytvářejí parazitní jevy na elektrické síti,stoupá potřeba sledování kvality elektrické energie uvnitř závodů a jejího vlivu na výrobní proces.
Většina pracovníků současných podniků se zatím domnívá, že postačí vědět, jak elektrická síť uvnitř podniku vyhovuje podmínkám normy ČSN EN 50160, a netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie ve vztahu dodavatel-odběratel, tedy na straně odběrného místa, tedy pro většinu podniků na primární straně napájecího transformátoru.
Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující neposkytuje však téměř žádnou informaci o situaci na straně sekundární, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku.
Kvalita napětí na sekundární straně je ve většině případů zásadně odlišná od kvality na primární straně. Je totiž ovlivňována odběry připojených zařízení. Jevy na sekundární straně se naopak na primární stranu dostat nesmí.
Většina dnešních spotřebičů nejen v průmyslových závodech, je nelineárních a zavádí do sítě harmonické složky. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a vytvářejí kolísání napětí, poklesy a překmity napětí i impulzní špičky.
Na druhou stranu současná zařízení jsou na rušení a jevy na síti mnohem citlivější než zařízení předchozích generací. I když jsou konstruována a testována dle přísných norem pro EMC. Certifikační testy se však provádějí samostatně na jednotlivých zařízeních, nikoliv však na komplexu takovýchto zařízení připojených společně na elektrickou síť závodu.
Tedy elektrická síť současného výrobního závodu je spíše než klasický elektrický rozvod nízkého napětí, výkonovým elektronickým obvodem se všemi důsledky z toho plynoucími.
Špatnou zprávou je, že limity energetické normy ČSN EN 50160, podle kterých většina dnešních energetiků v podnicích kvalitu elektřiny v závodě hodnotí, je z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečná, a většinu rušivých jevů na síti ovlivňujících provoz zařízení nepostihne. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající sítí. Ty však zásadně ovlivňují jak provoz napájecího transformátoru – jeho ztráty – tak i napětí sítě závodu.
Další špatnou zprávou pro vyhodnocování kvality s využitím ČSN EN 50160 v závodě je, že postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány určuje norma EN 61000-4-30 a další normy této řady. Ta, krom jiného, předepisuje, že efektivní hodnota napětí je při měření průměrována přes 10 period síťového kmitočtu. Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100 V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti (zelená stopa). Oranžový průběh pak ukazuje, co naměří přístroj pracující podle ČSN EN 50160.
Jak patrno, krom toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí, tak ani jeho velikost neodpovídá skutečné fyzické velikosti této události.
Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem, a ne virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. Toto jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících dle ČSN EN 50160.
Kvalita elektrické energie však není, jen o poklesech napětí, ale představuje řadu parametrů, které různým způsobem ovlivňují hladký provoz připojených zařízení, jejich životnost i efektivitu.
Nekvalita elektrické energie se na zařízeních pak projevuje různě jako např. oteplování motorů, transformátorů a vedení, nebo okamžitou poruchou, náhodnými výpadky automatů, PLC a podobně, k nestabilitě provozu pohonů a akčních členů a k jejich náhodným poruchám, poškozování elektroniky, náhodným výpadkům počítačových systémů řízení výroby atd. Tedy nekvalita elektrické energie vede k výpadkům výroby, ke zkracování životnosti zařízení, nárůstu nákladů na údržbu a energetickým ztrátám.
Jak vidno, kvalitní elektrická energie je stejně zásadním faktorem pro výrobu jako ostatní suroviny a stejně tak je třeba na ni pohlížet.
Pro kontrolu kvality vstupních surovin, materiálů a komponentů má každý výrobní podnik běžně vybudovaný systém kontroly kvality.
Na elektřinu se většina podniků však zatím dívá jako na něco daného automaticky, snaží se měřit a regulovat spotřebu, nanejvýše se pokouší ověřovat kvalitu měřidly pracujícími dle ČSN EN 50160 v blahé naději, že má vše pod kontrolou.
Pokud pak dojde k nějaké události na elektrické síti podniku, automaticky se předpokládá, že problém byl způsoben distributorem elektřiny. Z dlouhodobých statistik však plyne, že pouze 10% až 15% událostí na elektrické síti závodu, které způsobí problém ve výrobě, pochází z nadřazené sítě, tedy od distributora. Ostatních 85 až 90% si způsobuje závod sám vlastním provozem své technologie.
To je třetí špatná zpráva pro ty, kteří se domnívají, že se o kvality elektřiny nemusí starat, protože přeci je to problém dodavatele.
Z výše popsaného plyne, že je z mnoha zásadních důvodů pro efektivní a spolehlivý provoz výroby nezbytné mít průběžný přehled o kvalitě elektřiny v celém závodě.
Každá konstelace zařízení v různých závodech je jiným způsobem ovlivňována jevy na elektrické síti a sama tuto síť ovlivňuje různě. Nelze tedy nastavit jakékoliv „prahové“ hodnoty, od kterých je „něco špatně“ obecně, tak jak je to v ČSN EN 50160.
Je třeba provádět trvalý monitoring a sledovat všechny parametry elektrické sítě, a to jak na vstupních bodech závodu, tak i ve vybraných uzlech, kde je připojena zásadní technologie.
Bez zavedení vhodného systému komplexního monitoringu kvality elektrické energie se závod vystavuje riziku „náhodných“ výpadků části výroby a dostává se do situace slepce bloudícího v lese, který oklepává každý strom s cíle nalézt cestu ven, v našem případě příčinu poruchy.
V mnoha podnicích dnes je zaveden tak zvaný monitoring spotřeby energií, se kterým je sledování kvality energie často zaměňováno. Bohužel přístroje a programy pro účel sledování spotřeby nejsou schopny sledování kvality elektřiny.
Pro potřeby průběžného sledování kvality elektřiny je třeba měřit metodu perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování.
Je to nutné pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je třeba provádět trvalý záznam všech potřebných veličin, tedy 4 napětí a 4 proudů jako podkladů pro následné analýzy, která pak zajistí odhalení příčiny problému.
Pro získání detailních vlastností sítě by bylo obecně nutné použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu tvaru napětí a proudů jednotlivých fází dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí.
Problémem však je, že při vzorkování dostatečném pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů, tedy alespoň 1024 vzorků na jednu periodu 50 Hz a pro 8 vstupů, získáme cca 800 MB dat za den záznamu. Kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší toto zdánlivě jednoduché řešení problém při rychlém vyhledávání v takovém množství dat.
Tento problém vyřešila firma Elspec v podobě speciálního bezeztrátového kompresního algoritmu PQZIP. Ten zajistí kompresní poměr 1000:1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru cca 8 GB. Algoritmus je adaptivní, takže v případě, že jsou vstupní veličiny „klidné“, je potřeba datového prostoru minimální. Objeví-li se v síti například krátký přechodový děj, množství dat se zvětší, nicméně stále je vzorkováno plným počtem vzorků.
Na rozdíl od „klasické“ konstrukce monitorů kvality sítě pak monitory – záznamníky Elspec řady BlackBox G4400 provádějí měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování, a takto získaná data jsou pak nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování.
Současně s tímto procesem je však prováděno zpracování i metodikou podle normy ČSN EN 61000-4-30 a vyhodnocení dle ČSN EN 50160. I tato data jsou ukládána společně daty v komprimovaném formátu PQZIP. Výsledkem této konstrukce je, že máme k dispozici informace o fyzické velikosti jednotlivých napětí a proudů průběžně po celou dobu záznamu, tedy nepřetržitě a současně i informace vyhodnocené dle normy. Navíc máme obě sady dat k dispozici „on-line“.
Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie jsou přístroje koncepčně řešeny pro „on-line“ měření a zobrazování údajů energetických, (U, I, P, Q, S, Cos(φ) tak i všechny energie), tak i kvalitativních (poklesy napětí, harmonické, flicker atd.).
Komunikace přístroje s okolím probíhá přes rozhraní Ethernet. Pro snadné připojení a nastavení je přístroj vybaven webovým serverem a je tak přístupný pro on-line měření z jakéhokoliv prohlížeče a z jakéhokoliv místa.
Uložena data z paměti přístroje jsou současně předávána k archivaci a k další možné „off-line“ analýze do Softwarového balíky Sapphire, což je SCADA systém pro archivaci, analýzu a reporting.
V současné době dodává Elspec řadu pevných monitorů pracujících na tomto konceptu. Jedná se o přístroje Elspec BlackBox G44XX, kde se jednotlivé modely řady liší velikostí paměti pro ukládání dat (G4410 – paměť na 7 dnů, G4420 na měsíc a G4430 na 1 rok záznamu). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrno z obr. 2.
Řešení komplexního monitoringu kvality elektrické energie pak může vypadat například tak, jak je naznačeno na obr. 3.
Po závodě, ve vhodných místech, jsou umístěny jednotlivé monitory G44XX připojení k LAN závodu. Po LAN jsou data automaticky předávána na server s instalovaným systémem Sapphire.
Monitory Elspec řady G44XX spolu s Softwareovým balíkem Sapphire (obr. 4a, 4b) přinášejí tedy univerzální a snadno modifikovatelné řešení pro vybudování monitorovacího systému kvality elektrické energie zajišťujícího dostatečné možnosti jak pro současné průmyslové podniky, tak i pro podniky budoucí.
Ale to není vše, díky koncepci a otevřenosti programu Sapphire, lze do systému připojit jakékoliv měřidlo jakéhokoliv jiného výrobce on line s jedinou podmínkou, že komunikuje alespoň přes protokol MODBus. Vše ostatní lze v Sapphire nastavit. Lze tedy do systému zapojit i stávající analyzátory nebo wattmetry jiných výrobců. Navíc lze zaintegrovat i přístroje pro měření spotřeby jiných médií elektrické energie, jako je spotřeba tepla, plynu, páry, tlakového vzduchu, vody atd. a systém nastavit jako centralizovaný systém přehledu o energiích.
K monitorům i k datům na serveru je možný přímý přístup z kteréhokoliv místa v závodě i mimo něj přes internetové připojení. Je pak možné nastavit různé pohledy a práva podle potřeb daných pracovníků např. energetiky, údržby či managementu pro okamžitou kontrolu stavu nebo automatický reporting.
V případě potřeby je možné umožnit i přístup do systému SCADA externím pracovníkům, například pro externí auditing kvality elektřiny.
Pomocí Sapphire je možné zobrazovat a vyhodnocovat data uložená v databázi členěná po jednotlivých měřicích místech a uzlech (obr. 3) ve zvoleném časovém intervalu a volit jakoukoliv kombinaci veličin, která nás zajímá, jak je naznačeno na obr. 5.
Všechna takto získaná data lze ukládat, zobrazovat, analyzovat a reportovat, včetně možnosti vytvářet účetní sestavy v jednotlivých uzlech, porovnávat jednotlivá místa atd.
Společnost Blue Panther s.r.o., která je zástupcem firmy Elspec nabízí audit situace v závodě pro vyhodnocení možnosti nasazení takovéhoto systému monitoring, vlastní návrh řešení, dodávky a nastavení systému a školení pracovníků zákazníka. Dále nabízí možnost vzdáleného dohledu na kvalitu elektrické energie a využití jeho výsledků pro provoz a údržbu závodu.
Pro další informace o možnostech monitorů Elspec BlackBox a software Sapphire či dodávek monitorovacích systému založených na tomto řešení kontaktujte výhradního zástupce firmy Elspec společnost Blue Panther s.r.o.
Blue Panther s.r.o.
Mezi Vodami 29, 143 00 Praha
Tel.: +420 241 762 724
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.blue-panther.cz
