Efektivní automatizace přináší úspory pro všechny Ing. Vladimír Maier Key Accountant Manager Industry/ Water, Schneider Electric CZ s.r.o, Thámova 13, 186 00 Praha 8 vladimir.maier@cz.schneider-electric.com; www.schneider-electric.cz ABSTRAKT: Schneider Electric patří mezi vedoucí společnosti zabývající se automatizovanými systémy řízení. Zaměřuje se na otevřenost systémů a efektivní využívání energií. Vodní hospodářství patří u Schneider Electric mezi tzv. vertikály, to znamená, že se vodním hospodářstvím zabývá komplexně. KEY WORDS: informační a řídící systémy, automatizace, polní instrumentace, komunikační standardy, prediktivní údržba, provozní a energetické úspory. ÚVOD Ještě doznívající hospodářská krize ukázala nutnost šetřit ve všech oborech. Vodohospodářští odborníci stále hledají nové způsoby, jak zlepšit čistírenské procesy, jak vyhovět novým parametrům na vypouštěné vody a provozovatelé jsou tlačeni k úsporám. Zamysleme se, jak by automatizace mohla pomoci. 1. ČTYŘI POHLEDY NA AUTOMATIZACI Podívejme se, jak se na automatizaci dívají čtyři subjekty, podílející se na realizaci díla. Projektant elektro: vychází ze zadání (obvykle strojní části), diskusí s investorem a/ nebo provozovatelem. Vychází z osvědčených řešení, nechce riskovat problém Realizátor: splnit požadavky projektu tak, aby co nejlevněji nakoupil a co nejlépe prodal, co nejsnadněji zrealizoval a pokud možno si ponechal kontrolu nad servisem a rozšířením Investor (uvažujeme, že investor není provozovatelem): splnit zadání kvality výstupních vod při minimálních investičních nákladech Provozovatel: splnit zadání kvality výstupních vod, minimalizovat provozní náklady (lidské zdroje, energie, chemie, ), chce spolehlivé zařízení (náklady na opravy, servis), eliminovat negativní lidský faktor (chyby při řízení, individuální zásahy do nastavení procesu, ) Z praxe víme, že největší nároky na automatizaci a možnost jejího využití má provozovatel. 2. JAKÝ UŽITEK OD AUTOMATIZACE OČEKÁVÁME? Otevřeně můžeme říct, že v první řadě je to úspora pracovních sil a tím snížení nákladů na lidské zdroje (cca 35 % z celkových nákladů) Dále jsou to např.: - Snížení nákladů na energie (dle studií cca 30 % nákladů na provoz ČOV tvoří účet za elektřinu) - Vyladění procesu, splnění požadavků - Sběr dat a jejich vyhodnocení, statistiky, historie - Informace o chodu prediktivní údržba - Ohlášení poruchy operativní údržba - atd. 175
3. TRADIČNÍ ŘEŠENÍ Když pomineme 2 základní architektury systému (jedna procesní stanice PLC a vzdálené vstupy a výstupy a nebo několik procesních stanic a připojení na svorky PLC) a nebo jejich mix, je pak nejpodstatnější připojení čidel a akčních členů. Tradičně se čidla připojují proudovou a napěťovou smyčkou, resp binárním signálem. Obvyklým důvodem je jednoduchost instalace a relativní snadnost identifikace poruchy: každý vyučený elektrotechnik by měl být schopen změřit proudové signály 0 (4) 20 ma, 0 10V nebo binární signály 0, 12 resp 24V. Zdůrazňuji relativní snadnost. V praxi se setkáváme se zarušenými signály, které jsou způsobeny nesprávně provedenou instalací kabelů a tak i jednoduché měření je často nespolehlivé. A navíc: na jednom vodiči resp. páru vodičů, na jednom analogovém vstupu získáváme pouze jednu informaci! Např.: hodnotu ph, teploty, otáček měniče. ALE: cena kabeláže dle tradičního řešení přesahuje cenu vlastního automatizačního hardware! Další nevýhodou (podle mne největší) je nemožnost přesného zadání v projektech financovaných z fondů EU: je možno jen neurčitě popsat žádané výrobky resp. standardy. A je pak velmi snadné pro realizátora zaměnit zamýšlené za levnější a je velmi těžké pro projektanta obhájit co ještě je a co není v zamýšleném standardu. Neboť zpracovat analogovou nebo binární hodnotu dnes umějí desítky výrobců. 4. EFEKTIVNÍ AUTOMATIZACE Zamysleme se nad dnešním stavem informačních technologií a spotřební techniky a porovnejme si ho s naší profesní praxí. Děti ze základní školy umějí vytvořit webové stránky, spotřební elektronika zastarává dříve morálně než fyzicky, po internetu nebo mobilem komunikujeme s celým světem. Telefon již dávno nemá jen funkce telefonování a sms. Mikroprocesorem je dnes vybavena pračka, lednička, i domácí pekárna. Bereme jako samozřejmé, že s autem jezdíme v předepsaných intervalech do autorizovaného servisu, kde vyčtou provozní data z palubního počítače. Díly se vyměňují dle předepsaných servisních intervalů preventivně tak, aby se předešlo poruše. Nikdo z nás se nechce nechat překvapit na silnici poruchou auta! A přesto jsme spokojeni, když nám systém na ČOV nebo úpravně včas sdělí, že se např. zastavilo čerpadlo! Příčin jeho zastavení může být několik: shořel motor, zadřelo se ložisko, mechanická blokace čerpadla, porucha měniče, softstartéru, porucha stykače, vypadlá tepelná ochrana nebo porucha jednoduchého přechodového relé Pro vedoucí centrální údržby velké provozní vodohospodářské společnosti je včasné oznámení poruchy to nejhorší, co ho může potkat. Sehnat rychle lidi, identifikovat poruchu a sehnat náhradní díly. Ideálním stavem by bylo včas vědět, že se nějaký stroj nebo přístroj chystá porouchat. A vědět důvody proč. Např. nadměrné chvění motoru, přehřívání ložisek nebo vinutí motoru, nutnost vyměnit filtr chlazení frekvenčního měniče apod. Také v oblasti měření by bylo určitě dobré vědět, do jaké míry je měření v toleranci, jak vypadá kalibrace, jaký je stav elektrod, jak se změnily elektromagnetické parametry indukčního průtokoměru apod. a tím pádem vědět, jak přesně vlastně měřím a jak nutná je korekce, nová kalibrace apod. A také technika používaná na čistírnách odpadních vod (a v celém vodohospodářském oboru) velmi pokročila. Vezměme to od čidel. Výrobci je nabízejí vybavené procesory 176
a komunikačními protokoly. Kromě toho, že umí měřit danou veličinu poskytují tyto přístroje rozsáhlé diagnostické funkce, self test, kalibrační funkce, volby aktualizace parametrů, údaj o odhadované zbývající době životnosti. Dále může být v paměti přístroje uloženo schéma zapojení, nastavení parametrů, geografické umístění, údaje o údržbě přístroje apod. Tradiční námitky pro jejich použití jsou: a) náročnost obsluhy - provozovatel si většinou nemůže dovolit obsluhu na takové úrovni, která umí pracovat s těmito funkcemi a protokoly b) vyšší cena takto vybavených přístrojů První námitka se týká provozních prostředků, kterými se každý snaží šetřit. Menší a malý provozovatel těžko může dovolit platit specialistu se znalostí MaR, AUT a IT. Jak to vyřešit? Co svěřit dohled nad specializovanými funkcemi a prediktivní údržbou nějakému specialistovi na základě výběrového řízení? Jako se dnes již nikdo nešťourá ve služebním autě a jezdí s ním do autorizovaného servisu, tak rovněž tak by se automatizační servis staral o sofistikované funkce systému ČOV nebo úpravny. Druhá námitka se týká investičních prostředků. Uvažme životnost díla. Uvažme, jakou finanční část z díla nové ČOV nebo úpravny dělá automatizace a MaR. Ze zkušenosti víme, že celá část elektro včetně MaR se pohybuje kolem 10 %! Takže pokud je vznesen argument, že přístroje vybavené procesory s možností komunikace a sdělování výše popsaných funkcí jsou o 10 až 20 % dražší než standardní holý přístroj, je to naprosto směšné zvýšení ceny vzhledem k celku. A navíc: sníží se náklady na standardní kabeláže a analogové vstupy. U standardního řešení je obvyklý požadavek na 20 % rezervy vstupů a výstupů řídícího systému. To zvyšuje cenu nejen za hardware řídícího systému, ale zvyšuje prostorovou náročnost na rozvaděče a tím na celou stavbu. Dále: pro nově připojovaný přístroj musím natáhnout nové kabely. Kdežto u níže popsaného řešení efektivní automatizace používající sběrnicová řešení se jednoduše připojím na nejbližší sběrnici a softwarově vyřeším začlenění přístroje do systému. Signál 4 20mA 177
5. JAKÉ JSOU MOŽNOSTI? Základní možností pro efektivní automatizaci je použití sběrnicových řešení HART (HART Field Communication Protocol, resp. Highway Addressable RemoteTransducer Field Communication Protocol) je komunikační protokol, který je provozován na standardní proudové smyčce 4 až 20 ma. Prostřednictvím protokolu se přenášejí data v digitální podobě. Analogový i digitální způsob komunikace probíhá současně po stejném kabelu. 4-20 ma signál a HART Data: PV, SV, TV, QV, rozsah, kalibrace, Komunikace pomocí komunikačních sběrnic je nejmodernější způsob připojení čidel k řídícímu systému. Z důvodu velkého množství používaných sběrnic a komunikačních protokolů je však tento způsob také poměrně nepřehledný - různé druhy průmyslu používají nejen různé řídicí technologie, ale i různé typy protokolů, různé vývojové prostředky atd. Protože se přes veškeré snahy nedaří tuto pestrost omezit (komplikuje život nejenom uživatelům, ale také výrobcům), začala v poslední době řada výrobců automatizační techniky investovat do nového SW standardu FDT/DTM. (Field Device Tool / Device Type Manager) Tento standard využívá možností inteligentních přístrojů (vestavěný mikroprocesor, obousměrná komunikace s okolím, vnitřní diagnostika, vlastní parametrizace atd.) a snaží se o standardizaci připojení inteligentních čidel v oblasti SW. Nevyužitý potenciál pro inženýrské nástroje a nástroje údržby a složité uživatelské prostředí vedlo ke společné iniciativě. Ke konci 90. let si význační výrobci řídicích systémů a akčních členů uvědomili potřebu vyplnit mezeru mezi současnými metodami konfigurování přístrojů a vývojovým prostředím řídicích systémů. Cílem skupiny dnes 178
organizované pod společenstvím FDT Joint Interest Group (FDT JIG) bylo definovat standard pro konfigurační nástroj inteligentních přístrojů nezávislých na typu výrobce a typu protokolu (HART, FOUNDATION Fieldbus, Profibus a Ethernet). Podobný model dnes existuje např. při jednorázovém instalování ovladače na tiskárnu do operačního systému. Tisk a formát, informace o tiskárně, grafické zobrazení a jiné můžeme nastavovat z Excelu, Wordu, internetového prohlížeče atd. bez nutnosti instalovat ovladač do každého zvlášť. K těmto výrobcům patří i společnost Schneider Electric, jejíž vývojové prostředí řídících systémů a systému SCADA používaný na tzv. dispečinky umožňuje efektivně využít vlastností inteligentních čidel používaných v provozech, frekvenčních měničů, ostatních spouštěčů motorů, měření množství a kvality elektrické energie, atd. Hlavními cíli společné aktivity bylo získat: centrální stanici pro plánování, diagnostiku a servis s přímým přístupem ke všem inteligentním prvkům integrované konsistentní konfigurování a dokumentace inteligentních prvků řídicího systému a sběrnic vkládání dat v inženýrském prostředí pouze jednou centrální databázi a zálohování snadné a rychlé začlenění nového přístroje do řídicího systému nastavení komunikace přístroje a přenos dat přes různé komunikační úrovně. A nyní trochu více technicky: Stručně lze tedy konstatovat, že FDT specifikuje interface pro přenos dat mezi přístroji, softwarovými komponety a inženýrským nástrojem. Nabízí se integrace tam, kde je nejvíce vyžadována, tedy v inženýringu, diagnostice, servisu a správě aktiv (asset managment). Podobně jako ovladač u tiskárny i DTM obsahuje veškeré základní detailní informace popisující daný přístroj nebo inteligentní člen (může to být i vstupně výstupní jednotka s podporou HART protokolu atd.). DTM je zaintegrováno do systémového nástroje pomocí sady interfejsů definovaných ve specifikaci. Přes tyto interfejsy si DTM a hostitelská aplikace mohou zpracovávat a přenášet potřebná data a probíhat interakce. Architektura je vysoce flexibilní a rozšiřitelná, umožňuje implementovat pouze základní nástroje na počátku a postupem času rozšiřovat funkčnost. Tyto funkce přibývají v jednotlivých verzích FDT. Speciální funkce používané ve sběrnicových systémech jsou zapracované v XML dokumentu, který je přenášen přes jmenované interfejsy. Výhodou pro uživatele je otevřenost takovéhoto řešení, které není svázáno s konkrétní značkou výrobce nebo realizátorem. Výše uvedené vypadá složitě a odborně. Nicméně jde o otevřený systém, umožňují integraci přístrojů různých systémů. Schneider Electric je propagátorem těchto otevřených, finančně nenáročných řešení. 179
Na obrázku si povšimněte rozdílu mezi připojením polní instrumentace: - vlevo tradiční kabeláží do procesního počítače - vpravo připojení přes sběrnici A dále: oproti tradičnímu řešení přibyl počítač Servis MaR, který nemusí být v místě (na velínu dispečinku), ale může být připojen přes Ethernet / Internet kdekoli. U moderních SCADA systémů je možná integrace servisu do hlavní scady. 180
ZÁVĚR Uvědomujeme si, že téma Efektivní automatizace je velmi rozsáhlé a nelze použít jeden recept, je nutno vždy vycházet z místních podmínek. Nicméně cítíme nutnost informovat ne- elektro a ne-automatizační odbornou vodohospodářskou veřejnost o možnostech zefektivnění nejen čistírenských procesů. Nebojme se automatizace a zkusme využít maximum z toho, co nám dnešní technika poskytuje. Pro efektivnější využívání energií, predikci poruch, zvýšení spolehlivosti a snížení nákladů. Společnost Schneider Electric je tu pro vás, Literatura Firemní materiály společností Schneider Electric, Endress+Hauser, Emerson Process management Doc. Dr. Ing. Ivo Formánek: Inteligentní polní instrumentace a FDT/DTM standard. Příspěvek na konferenci: XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005 Skriptum VŠCHT: Počítačové řízení technologických procesů. Měřící a řídící technika magisterské studium FTOP. Přednášky ZS 2009/10 181
182