Se stoupající komplexností průmyslových systémů jsou dnes některé části průmyslových podniků velmi citlivé na parazitní jevy na napájecí elektrické síti a náchylné tak ke kolapsu. Proto stoupá potřeba sledování kvality elektrické energie a jejího vlivu na výrobní proces.
Většina pracovníků současných podniků se domnívá, že postačí vědět, že jejich elektrická síť uvnitř podniku vyhovuje podmínkám normy EN 50160, a netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie ve vztahu dodavatel-odběratel, tedy na straně odběrného místa, což je pro většinu podniků primární strana napájecího transformátoru.
Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující, neposkytuje však téměř žádnou zprávu o kvalitě na sekundární straně transformátoru, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku. To je první špatná zpráva.
Kvalita napětí na sekundární straně může být, a ve většině případů i je zásadně odlišná od kvality na primární straně. Je totiž ovlivňována odběry připojených zařízení. Většina dnešních spotřebičů nejen v průmyslových závodech je nelineárních a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů atd. i zdroje počítačových systémů, datových center, UPS atd. do elektrické sítě závodu zanášejí také velké množství rušení. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a vytvářejí kolísání napětí, napěťové poklesy a překmity i impulzní špičky.
Na druhou stranu připojená 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, tak se samozřejmě tyto testy vztahují na jednotlivá zařízení, nikoliv však na komplex takových to zařízení připojených na elektrickou síť závodu.
Tedy elektrická síť současného výrobního závodu, a tím více závodu v podobě Industry 4.0 se spíše než jako klasický elektrický rozvod nízkého napětí chová jako výkonový elektronický obvod se všemi důsledky.
Druhou špatnou zprávou je, že limity normy EN 50160, podle kterých většina dnešních energetiků v podnicích hodnotí kvalitu elektřiny v závodě, tedy na sekundární straně transformátoru je z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečná a většina rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení, nepostihne. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající síti, které, vzhledem k výše uvedenému, jsou poznamenány nelinearitami připojených zařízení.
Třetí špatnou zprávou pro vyhodnocování kvality s využitím EN 50160 je, že postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány příslušnými přístroji určuje norma EN 61000-4-30, která krom jiného určuje, že efektivní hodnota napětí je průměrována přes 10 period síťového kmitočtu. Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti - zelená stopa, a oranžový průběh ukazuje, co naměří přístroj vyhodnocující dle normy EN 61000-4-30. Krom toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí i jeho velikost neodpovídá skutečné velikosti této události. Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem a ne virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. To jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících dle ČSN EN 50160 pro představu o vlivu sítě na výrobní zařízení.
Kvalita elektrické energie však není, jak již bylo naznačeno, 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 různými způsoby jako je oteplování motorů, transformátorů a vedení, které vede ke zkracování jejich životnosti nebo okamžité poruše, k náhodným výpadkům automatů, PLC a podobně, k nestabilitě provozu pohonů a akčních členů a k jejich náhodným poruchám, poškozování elektroniky, náhodné výpadky počítačových systémů řízení výroby atd.
Důsledky nekvality elektrické energie pak jsou výpadky výroby, snižování životnosti zařízení, růst nákladů na údržbu, snížená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám.
Jak vidno, kvalitní elektrická energie je stejně zásadním faktorem pro výrobu jako ostatní suroviny a i 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, nanejvýše se pokouší ji ověřovat měřidly pracujícími dle ČSN EN 50160 v blahé naději, že má vše pod kontrolou. Pokud dojde k nějaké události na elektrické síti podniku, automaticky je 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, tedy vzájemným ovlivňováním se jednotlivých strojů a zařízení. 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 naznačeného plyne, že je z mnoha zásadních důvodů proč je pro efektivní a spolehlivý provoz výroby nezbytné mít průběžný přehled o kvalitě elektřiny v celém závodě.
Protože, jak již bylo řečeno, limity a způsob měření používaný v rámci normy ČSN EN 50160 jsou z pohledu vlivu elektřiny na výrobní systémy nedostatečné. Každá konstelace zařízení v různých závodech je jiným způsobem ovlivňována jevy na elektrické síti a sama tuto síť ovlivňuje různě, nelze většinou nastavit jakékoliv „prahové“ hodnoty, od kterých je „něco špatně“, tak jak je to v uvedené normě. Je třeba provádět trvalý monitoring a sledování všech parametrů 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 „náhodný“ 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. Ještě krátká poznámka - v mnoha podnicích dnes je zaveden tak zvaný monitoring energie, se kterým je sledování kvality energie často zaměňováno. Bohužel přístroje a programy pro účel sledování spotřeby naprosto nezvládají funkce sledování kvality elektřiny.
K účelu monitoringu kvality elektřiny je na trhu velké množství analyzátorů - monitorů kvality elektrické energie a podpůrného software. Měří a zaznamenávají v podstatě dvěma způsoby. První měří podle postupů definovaných normou EN 61000-4-30, ukládají výsledky pomalých dějů a současně během měření provádějí okamžitě vyhodnocení rychlých dějů podle limitů definovaných normou ČSN EN 50160. Do paměti pak ukládají pouze informace o situacích, které nevyhověly podmínkám normy. Rozhodovací podmínky odlišné od definovaných normou lze většinou změnit na uživatelem definované. Tato zařízení jsou však použitelná pouze v případě, že důvodem monitoringu je ověření kvality dle normy, pro ověřování kvality z hlediska vlivu kvality elektřiny na výrobní zařízení jsou nepoužitelná, protože jak již bylo uvedeno dříve, nejsme většinou díky komplexnosti systému schopni určit, která hodnota v daném místě danému zařízení již škodí.
Pro potřeby monitoringu, který má sloužit k průběžnému sledování kvality elektřiny pro potřebu vlivu na výrobní zařízení, je třeba jednak průběžně měřit metodikou EN 61000-4-30, ale i metodikou perioda po periodě pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je třeba provádět trvalý záznam všech potřebných veličin, teda 4 napětí a 4 proudů pro potřebu následné analýzy, která zajistí odhalení příčiny poruchy. Takovýto způsob umožní ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích dodatečně určit kterýkoliv potřebný parametr a tedy i možnou příčinu potíží a tím dojít k nápravě.
Zde by bylo možno použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu signálů jednotlivých fází – napětí a proudů 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 800MB dat za den záznamu. Což kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší i problém rychlého vyhledávání.
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 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 pak provádějí monitory Elspec řady BlackBox G44000 měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování, a takto získaná data jsou nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování. Současně s tímto procesem je prováděno zpracování metodikou EN 61000-4-30 a vyhodnocení dle ČSN EN 50160. I tato data jsou ukládána společně daty 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 mámě obě sadu dat k dispozici „on-line“.
Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie jsou přístroje koncepčně řešeny tedy jak pro „on-line“ měření a zobrazení naměřených údajů jak energetických - U, I, P, Q, S, Cos(φ), všechny energie, tak i kvalitativních, jako jsou poklesy napětí, harmonické, flicker atd. Výpočty pro zobrazení v reálném čase provádí samostatný procesor.
Komunikace přístroje s okolím probíhá přes rozhraní Ethernet. Pro snadné připojení a nastavení je přístroj vybaven webovým serverem a je tak přístupný, v případě připojení na LAN síť pro on-line měření, z jakéhokoliv prohlížeče z jakéhokoliv místa.
Druhý samostatný procesor provádí kompresi naměřených dat a jejich ukládání do vnitřní paměti přístroje. Uložená data z paměti přístroje jsou pak předávána k archivaci a k další možné „off-line“ analýze do Softwarového balíku PQSCADA.
Současné době dodává Elspec řadu pevných monitorů Elspec BlackBox G44XX využívajících tuto technologii, kde se jednotlivé modely řady liší velikostí paměti pro ukládání dat (G4410 – paměť na 5 - 7 dnů, G4420 na měsíc a G4430 na 1 rok záznamu). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrno z obr. 2
Co se týče kompatibility s existujícími normami, tak přístroje respektují požadavky takto:
Kvalita energie
- IEC 61000-4-30 Class A
- IEC 61000-4-15 Flicker metr
- IEC 61000-4-7 Harmonické a interharmonické
Měření energe
- ANSI C12.20 0.2%
- IEC 62053-22/23 class 0.2
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 PQSCADA.
Monitory Elspec řady G4400 spolu se Softwarovým balíkem PQSCADA (obr. 4) 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 Industry 4.0.
Lze dohlížet a monitorovat vybrané distribuční uzly závodu, kterými mohou být například hlavní přívod(y) do závodu na straně VN, hlavní transformátor a podružné transformátory, rozvaděče pro vybrané části provozu apod. Všechny analyzátory mohou být trvale připojeny do místní počítačové sítě LAN kabelem nebo bezdrátově pomocí modulu pro bezdrátový přenos Wi-Fi.
K monitorům i k datům na serveru je pak přímý přístup z kteréhokoliv místa v závodě pro příslušné pracovníky energetiky, údržby či managementu buď on-line pro okamžitou kontrolu stavu v měřeném bodě, nebo s využitím modulu PQSCADA Investigator prováděním off-line analýz. Systém je schopen provádět i automatický reporting posíláním nebo ukládáním reportů ve formátu pdf nebo xml, případně posláním SMS zprávy jako reakce na urgentní událost.
V budoucích řešeních Industry 4.0 je pak snadno možné data integrovat do řídicího systému závodu a využívat je pro podporu výroby.
V případě potřeby je možné umožnit i přístup do systému SCADA externím pracovníkům, například pro externí auditing kvality elektřiny.
Databázový systém PQSCADA, pracující nad SQL serverem MicrosoftSQL zajišťuje automatický přenos dat z jednotlivých monitorů na server a jejich dlouhodobou archivaci strukturovaným způsobem.
Pomocí modulu PQSCADA Investigator 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.
Díky konstrukci programového balíku je možné do systému Elspec zahrnout i přístroje jiných výrobců. Má to jen jedinou podmínku – podporují komunikaci protokolem MODBUS. Ostatní je otázkou nastavení sytému. Lze tak zahrnout stávající monitory spotřeby elektrické energie, ale i přístroje pro měření spotřeby plynu, vody, tlakového vzduch, tepla atd.
Všechna takto získaná data lze ukládat, zobrazovat, analyzovat a reportovat, včetně možnosti vytvářet účetní rozvahy spotřeby v jednotlivých uzlech.
Systém PQSCADA se tak může stát i monitorem všech medií. Pro další informace o možnostech monitorů Elspec BlackBox a systémy PQ Scada kontaktujte výhradního zástupce firmy Elspec společnost Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz).
Pro více informací se můžete obrátit:
Engineering a audity kvality a spotřeby elektrické energie
Petr Nedorost
Telefon: +420 241 434 356 přímá provolba během hlášení 25
Mobilní telefon: 739 475 699
Fax: +420 241 773 251
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
