Se stoupající komplexností průmyslových systémů jsou již dnes některé části průmyslových podniků velmi citlivé na parazitní jevy na napájecí elektrické síti, a díky tomu jsou náchylné ke kolapsu. Proto je při plánování a zavádění výrobních procesů Industry 4.0 bezpodmínečné sledování a řízení kvality elektrické energie a jejího vlivu na výrobní technologie.
Norma EN 50160 je pro distribuci, ne pro Industry 4.0
Většina energetických manažerů současných podniků se považuje za dostačující, 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, tedy to, co „dostává" z nadřazené sítě.
Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující, neposkytuje však téměř žádnou zprávu o kvalitě na sekundární straně transformátoru, tedy toho, co se děje v podniku samotném, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku. To je první špatná zpráva.
Kde se bere rušení?
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. Na jedné straně většina dnešních spotřebičů, nejen v průmyslových závodech, je nelineárních a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů, vč. zdrojů počítačových systémů, datových center, UPS atd. Do elektrické sítě závodu vnášejí tyto zařízení velké množství rušení a 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 el. 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 takovýchto zařízení připojených současně na jednou elektrickou síť závodu. Tedy elektrická síť dnešního 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, není schopna postřehnout. Měření a vyhodnocování podle této „pomalé" normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající síti, které, vzhledem k výše uvedenému, jsou poznamenány připojenými zařízeními.
Obr. 1
Měření dle nevhodné normy přináší chybné výsledky
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.
Proč kvalita el. energie? Protože náklady!
Na obrázku 2 je přehled nákladů na jednu událost poklesu napětí podle průmyslového odvětví. Statistika je pro „klasická" odvětví využívající běžné technologie. Jak je patrno, s rostoucí složitostí technologie v daném oboru rostou i ztráty vyvolané jednou událostí na napětí. Dá se snadno odvodit, že díky nárůstu komplexnosti technologií v Industry 4.0 ztráty způsobené událostmi na elektrické síti dramaticky porostou, pokud kvalita elektrické energie nebude dostatečná.
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, zbytečné investice do posilování výkonu, snížená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám.
Obr.2
Industry 4.0 sleduje kvalitu všech surovin
Jak vidno, kvalitní elektrická energie je stejně zásadním faktorem pro výrobu jako ostatní suroviny, a je třeba na ni tak pohlížet. Dům také nezačnete stavět na písku, potřebujete mít základy.
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 dle ČSN EN 50160 v blahé naději, že mají 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 10-15 % událostí na elektrické síti závodu, které způsobí problém ve výrobě, pochází z nadřazené sítě, tedy od distributora. Ostatních 85-90 % si způsobuje závod sám vlastním provozem své technologie, tedy vzájemným ovlivňováním se jednotlivých strojů a zařízení. Toto však není problém dodavatel, ale podniku samotného.
Z výše naznačeného plyne mnoho zásadních důvodů, proč pro efektivní a spolehlivý provoz výroby je nezbytné mít průběžný přehled o kvalitě elektřiny v celém závodě. Mnohem zásadnější to pak je při nasazení konceptu Industry 4.0, kdy jakákoliv turbulence na energetické síti závodu může způsobit kolaps celé výroby.
Každý podnik je unikátní
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.
Je „kvalita" a „spotřeba" to samé?
V mnoha podnicích je dnes zaveden takzvaný „monitoring energie", se kterým je sledování „kvality" energie často zaměňováno. Pod pojmem monitoring energie je v drtivé většině schováno pouze sledování „spotřeby" a bohužel přístroje a programy pro toto měření nejsou technicky vybaveny funkcemi pro sledování „kvality" elektřiny.
Měřte skutečný stav, ne virtuální
K účelu monitoringu kvality elektřiny je na trhu velké množství analyzátorů/monitorů kvality elektrické energie a podpůrného softwaru. 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 nevyhověli 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 odhalení vlivu z nadřazené sítě, tedy reálně pouze 10-15 % problémů na síti.
Pro potřeby monitoringu vlivu kvality elektřiny na výrobní zařízení, který má sloužit k průběžnému sledování je třeba jednak průběžně měřit metodikou EN 61000-4-30, ale i metodikou „perioda po periodě" pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Souběžně se provádí trvalý záznam všech potřebných veličin, tedy 4 napětí a 4 proudů pro potřebu následné analýzy, která zajistí odhalení příčiny poruchy. Tento způsob umožní odhalit jak chyby z nadřazené sítě, tak i zbylých 85-90 % z vlastní sítě, tedy 100 % poruch. Ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích lze pak zpětně určit kterýkoliv potřebný parametr, z nich možnou příčinu potíží, a tak zajistit odpovídající nápravu.
Digitální záznam s chytrou kompresí
Pro ukládání dat lze použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu signálů jednotlivých fází – napětí a proudů – s 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, vznikne cca 800 MB dat za 24 hodin záznamu. Kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo to přináší i problém rychlého vyhledávání a zpracování dat.
Tento problém vyřešila firma Elspec v podobě speciálního bezztrátového 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.
Specifika zpracování dat
Na rozdíl od „klasické" konstrukce monitorů pak provádějí monitory Elspec řady BlackBox G4400 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 jsou k dispozici informace o reálné fyzické velikosti jednotlivých napětí a proudů průběžně po celou dobu záznamu, tedy nepřetržitě a současně i informace vyhodnocené dle normy, čímž lze 100% zaznamenat chování elektrické sítě v podniku. Navíc jsou obě sady dat ihned k dispozici pro jejich průběžnou analýzu.
Online data a přístup odkudkoli
Pro praktické použití jsou přístroje koncepčně řešeny pro „on-line" měření a zobrazení naměřených údajů jak energetických (U, I, P, Q, S, Cos(Φ)), výkonnostních, tak i kvalitativních, jako jsou poklesy napětí, harmonické, flicker atd. Výpočty pro jejich zobrazení v reálném čase pak provádí samostatný procesor. 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 v softwarovém balíku PQSCADA.
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 a jakéhokoliv místa, tedy plně v souladu s Industry 4.0.
Týden, měsíc nebo rok
V současné době dodává Elspec řadu pevných monitorů Elspec BlackBox G44XX využívajících tuto technologii, kde se jednotlivé modely řady liší velikostí paměti pro ukládání dat (paměť na 5-7 dnů, na měsíc a na 1 rok). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrno z obr. 3.
Řešení komplexního monitoringu kvality elektrické energie pak může vypadat například tak, jak je naznačeno na obr. 4. Po závodě, ve vhodných místech, jsou umístěny jednotlivé monitory G44XX připojené k LAN závodu. Po LAN jsou data automaticky předávána na server s instalovaným systémem PQSCADA.
Obr. 3
Řešení pro Industry 4.0
Toto univerzální a snadno modifikovatelné řešení (obr. 5) tedy umožňuje vybudování monitorovacího systému kvality elektrické energie zajišťující dostatečné možnosti jak pro současné průmyslové podniky, tak i pro podniky s koncepcí Industry 4.0.
Lze dohlížet a monitorovat vybrané distribuční uzly závodu, kterými mohou být například hlavní přívod(y) do závodu na straně vysokého napětí (VN), hlavní a podružné transformátory, rozvaděče pro vybrané provozy apod. Všechny analyzátory mohou být trvale připojeny do místní počítačové sítě LAN kabelem nebo bezdrátově pomocí Wi-Fi modulu.
Obr. 5
K monitorům i k datům na serveru je pak přímý přístup z kteréhokoliv místa v závodě pro příslušné pracovníky energetiky, údržby či managementu, a to buď online pro okamžitou kontrolu stavu v měřeném bodě, nebo s využitím modulu PQSCADA Investigator pro vytváření off-line analýz. Systém je schopen provádět i automatický reporting posíláním nebo ukládáním reportů ve formátu PDF nebo XML, případně posláním SMS zprávy v reakci na urgentní událost.
V řešeních Industry 4.0 je pak možné data snadno integrovat do řídicího systému závodu a využívat je pro podporu výroby. V případě potřeby je možné umožnit i přístup do systému SDACA externím pracovníkům, například pro audit 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 nástroje PQSCADA Investigator je možné zobrazovat a vyhodnocovat data uložená v databázi členěná po jednotlivých měřicích místech a uzlech (obr. 4), ve zvoleném časovém intervalu a volit jakoukoliv kombinaci veličin, která nás zajímá, jak je naznačeno na obr. 6.
Obr. 4
Do systému monitoringu lze zahrnout i přístroje jiných výrobců pouze s jednou podmínkou – podpora komunikace protokolem MODBUS. Vše ostatní je otázkou nastavení sytému a zkombinovat je možné monitory kvality a spotřeby elektrické energie spolu s přístroji pro měření spotřeby plynu, vody, tlakového vzduchu, tepla atd. Získaná data pak lze ukládat, zobrazovat, analyzovat, reportovat z jednoho nástroje PQSCADA a zajistit tak komplexní přehled pro potřeby koncepce Industry 4.0.
Jaroslav Smetana
Obr. 6