Energia elektryczna

Wstęp

Nie chodzi o to ile maszyna zużyła energii elektrycznej.
Chodzi o to na co tę energię zużyła i czy aby jej nie zmarnowała

Wiele maszyn cechuje się dużą energochłonnością a koszty tej energii nieustanie rosną. Dlatego kluczowe i w kontekście optymalizacji produkcji i w kontekście jej wyceny jest wiedza jak maszyna „gospodaruje” energią.

Jest to temat tak ważny że dorobił się oddzielnego rozdziału

Sposób pomiaru

Idea pomiaru energii jest prosta: skoro system potrafi liczyć i przeliczać impulsy, np. impulsy z pakowarki na ilość pakietów to dla czego by nie przeliczyć impulsów z licznika energii elektrycznej który często wyposażony jest w wyjście impulsowe i nie przeliczyć na kWh ?

Pomiaru dokonuje odpowiednio skonfigurowany asystent. Sygnał z licznika podajemy na wejście ustalone w asystencie, określamy przelicznik który mówi jaka część kilowatogodziny jest reprezentowana przez jeden impuls oraz dla jakiej maszyny (nadzorcy) asystent ma liczyć energię.

Podział w/g statusu

Wartością w systemie nie jest sam pomiar energii. Wartością jest pomiar energii w funkcji aktualnego statusu.
Poza licznikiem „głównym” mamy liczniki które zliczają energię gdy:

• Ustawiony jest status PRACA
• Ustawiony jest status PRACA i biegnie czas pracy lub mikro postojów (maszyna rzeczywiście pracuje)
• Ustawiony jest status postój planowany lub konserwacja
• Ustawiony jest status awaria
• Ustawiony jest status postój nieplanowany
• Ustawiony jest status przezbrajanie lub ustawianie

Powyżej zestawienia i wykresy statusu dla aktualnego zlecenia, w tym wykres rozkładu energii.
Widzimy że od początku zlecenia maszyna skonsumowała 327 kWh w tym:

• Podczas statusu praca 345 kWh
• Podczas statusu praca rzeczywiście pracując 294 kWh
• Podczas statusu awaria 17kWh
• Podczas przezbrajania i ustawiania 7 kWh
• Podczas postoju i konserwacji 2.6 kWh

Energia na osi czasu

Można łatwo skorelować zużycie energii z pracą maszyny.
Przyjrzyjmy się fragmentowi wykresu miesięcznej linii czasu gdzie jeden krok reprezentuje 1 godzinę:
Widzimy dwa zlecenia [1] i [5], dwa odcinki czasu gdy maszyna była w stanie postoju planowanego [2] i [4] oraz krótki odcinek czasu gdy maszyna była w statusie awaria [3].
Możemy odczytać zużycie energii w każdej godzinie i skorelować to zużycie z pracą maszyny lub jeśli maszyna nie pracowała z odpowiednim statusem w danej chwili.
I tak np. widzimy że podczas awarii [3] maszyna pobierała energię podczas naprawy a w czasie postoju planowanego [2] maszyna była wyłączona i nie pobierała energii.
Zwróćmy jednak szczególną uwagę na postój planowany miedzy zleceniami [4].

Przykład z życia wzięty

Na tym wykresie odtworzono sytuację o której opowiadał nam kiedyś jeden z klientów.
Po zakończeniu zlecenia maszyna miała realizować kolejne – w planie była tylko zmiana koloru.
Jednak to zlecenie „wypadło z planu”. Zmieniono status na postój planowany i …. zapomniano wyłączyć grzanie. Przez 2 dni (wykres [4]) maszyna skonsumowała niepotrzebnie ponad 1200 kWh.

To oczywiście przykład dość ekstremalny. Najczęściej tracimy na „drobiazgach”: tu 2kWh, tam 4kWh…
Ile zbiera się miesięcznie? A kto by tam liczył takie drobiazgi…

kWh/kg

Wskaźnik kWh/kg jest ważnym wskaźnikiem dla przetwórstwa tworzyw sztucznych.
Wykorzystujemy fakt ze jednym z parametrów zlecenia produkcyjnego może być gramatura czyli np. waga wypraski a licznik materiału powiększany jest po każdym cyklu o masę elementów x ilość na cykl.

Mając do dyspozycji zużycie materiału i energii z łatwością wyliczymy parametr wyrażony w kWh/kg który określa faktyczną sprawność energetyczną procesu wtrysku.
Dostępny jest też wskaźnik kWh/PT określający ilość energii zużytej na wykonanie 1000 sztuk produktu co może być przydatne przy kalkulacjach.

Raporty

Wykres rozkładu zużycia energii dostępny jest w raporcie zbiorczym dla maszyny i raporcie dla zlecenia produkcyjnego.
Wartość energii jest dostępna też w wielu innych raportach: miesięcznym, dziennym, grupowym, w kreatorze eksportów.

Jednym z raportów dla grupy maszyn jest podsumowanie kWh
Uwaga, w grupie widoczne sa tylko te maszyny które mają przypisanych asystentów energii.

Raport dzieli zużycie energii maszyny na poszczególne zmiany robocze i sumuje te zmiany.W pierwszym wierszu mamy sumę zmian dla wszystkich maszyn w grupie.
W ostatniej kolumnie widoczny jest wykres zużycia z krokiem 1 godziny dla miesiąca z wybranego zakresu czasu.



Jeśli wyłączymy wykres statusu to zobaczymy wartości liczbowe z dodatkowym wierszem pokazującym wielkość ekwiwalentu CO2 wyliczony wg normy ( ustawienia globalne )

Po co taki raport? Wiele firm ma taryfy uzależnione od dnia/nocy. Mając maszyny o dużym poborze możemy rozważyć przeniesienie ich pracy na zmianę nocną.
Przykładem może być nasz klient który uzyskał znaczące oszczędności energii przesuwając o kilka godzin uruchomienie komór suszarniczych.

OEE a zużycie energi

Czy wartość wskaźnika OEE można przełożyć na zużycie energii? Bezpośrednio nie ale można założyć że w wielu sytuacjach spadek OEE może powodować straty energii. Szczególnie spadek wykorzystania może oznaczać zwiększone zużycie energii bo spadek wykorzystania oznacza że w tym samym czasie można było wykonać więcej, a więc szybciej skończyć zlecenie.
A krótsza praca to mniej prądu.
Podobnie jest ze stratą dostępności. Mogło by się wydawać że jak maszyna ma awarię to nie pracuje i nie pobiera energii. Ale to nie zawsze prawda. Można sobie wyobrazić maszynę z pompą hydrauliczną z silnikiem powiedzmy 7 kW i awarię podczas której operator czekał 30 minut na pomoc ale pompy nie wyłączył. Zakładając że pompa pobiera 1/3 mocy na ruchu jałowym to te pół godziny bezproduktywnego postoju kosztuje nas 2 kWh !
Również jakość ma wpływ na zużycie energii – zły produkt to zmarnowany prąd na jego wyprodukowanie.

Choć nie ma prostego przełożenia to możemy założyć że dążenie do poprawy wskaźników wydajnościowych takich jak OEE da nam dodatkową premię w postaci oszczędności energii.

Asystent zasilania

Możemy wykorzystać wejście koncentratora i podłączyć sygnał który mówi że maszyna ma zasilanie oraz stworzyć asystenta zasilania który będzie skojarzony z nadzorcą tej maszyny.
Asystent zasilania daje nam trzy korzyści:

• Pojawi się ikona zasilania gdy maszyna jest wyłączona
• W rejestrze zdarzeń on/off widoczne są informacje kiedy włączano / wyłączano maszynę
• Dostępny jest licznik godzin bez zasilania – możemy dla dowolnego okresu sprawdzić ile godzin w tym czasie maszyna była wyłączona

Jeśli zasilanie jest wyłączone a maszyna ma inny status niż postój planowany to ikona zasilania pulsuje.

Infrastruktura

Poza obserwacją pracy maszyn system pozwala na obserwację różnego rodzaju urządzeń takich jak sprężarki, chillery, klimatyzatory itp. Urządzeń które często tworzą tło naszej produkcji pozostają niezauważonymi konsumentami sporej ilości energii.
Specjalny, uproszczony tryb agregatu z prostym sterowaniem statusu za pomocą wejść i uproszczona wizualizacją pozwala na obserwację prostych urządzeń. Tak jak w trybie maszyny tak i w trybie aparatu można do nadzorcy przypisać asystenta liczącego energię elektryczną.

Poniżej kilka przykładów:

Chiller

Przykładem monitorowania urządzeń infrastruktury może być nadzór nad agregatami chłodzącymi. W wielu branżach woda chłodząca jest sporym kosztem a wiec warto wiedzieć ile energii i kiedy zużywa agregat.

W przykładowym agregacie zastosowano sterowanie statusem dwoma wejściami: postój planowany, praca i awaria. Główny sygnał monitoruje pracę sprężarki a asystent liczy zużytą energię.
Podobnie jak w przypadku maszyn mamy dostępny wykres miesięczny obrazujący status, ilość motogodzin, ilość załączeń agregatu oraz ilość zużytej energii w każdej godzinie.

Oświetlenie hali

Aby kontrolować energię nie zawsze musimy ją mierzyć. Czasami wystarczy obserwować kiedy odbiorniki prądu są załączone.
Przykładem może być oświetlenie hali produkcyjnej czy magazynu. Na hali produkcyjnej czasami nigdy nie gasimy świateł, albo bardzo rzadko. Co innego magazyny – duża powierzchnia, duża ilość opraw a nie zawsze jest potrzeba aby światło paliło się tam 24 godziny na dobę.
Po podłączeniu oświetlenia do systemu możemy sprawdzić czy na przykład nocą, gdy nie ma produkcji, ochrona gasi światło o 22:30 jak się spodziewamy, o 1:10 jak im się przypomni czy może nie gasi wcale.

Licznik główny

Możemy stworzyć agregat który będzie monitorował baterię kondensatorów mocy biernej skonfigurowany w taki sposób że licznik cykli będzie zliczał załączenia kompensacji a status sygnalizował awarię.
Do takiego agregatu dodamy asystenta energii który będzie współpracował z głównym licznikiem zakładu.
Możemy też dodać asystenta zdarzeń który będzie rejestrował alarmy „strażnika mocy” sygnalizujące przekroczenie limitu mocy.
Da nam to obraz zużycia energii przez cały zakład produkcyjny.

Podpowiedź

Nawet jak licznik główny ma wyjście impulsowe to jest on w kompetencjach zakładu energetycznego i zgoda na dostęp do takiego wyjścia może być drogą przez mękę.
Każdy licznik, nawet jak nie ma fizycznego wyjścia to ma …. diodę świecącą która mruga.
Jeden z naszych klientów zamontował fotokomórkę która w sposób bezinwazyjny liczy te „mrugnięcia”

Konfiguracja asystenta liczącego energię

Na rynku dostępne są mierniki zużycia energii elektrycznej wyposażone w wyjścia impulsowe na których generowane są impulsy w ilości proporcjonalnej do ilości zużytych kilowatogodzin. Golem pozwala na zliczenie tych impulsów i przeliczenie na zużycie prądu a następnie na powiązanie zużycia z daną maszyną. Zajmuje się tym asystent energii.

Konfigurację asystenta prześledzimy na przykładzie licznika LE-03 produkowanego przez firmę F&F Strona producenta: http://www.fif.com.pl



Licznik LE-03d nie wymaga stosowania zewnętrznych przekładników dla prądu do 100A a więc można podłączyć go bezpośrednio do maszyn z zainstalowaną mocą ok. 40kW. Licznik ma optoizolowane wyjście impulsowe 800 impulsów na kWh. Na zacisk plus podajemy 24V z zasilacza obiektowego a sygnał z zacisku minus podajemy na wejście koncentratora.

Problemem licznika LE-03 jest bardzo krótki impuls który przez filtry koncentratora może zostać potraktowany jako zakłócenie. Dlatego musimy skorzystać z wejść logicznych z podziałem przez 4 i dużo mniej restrykcyjnymi filtrami.
Sygnał z licznika podłączymy na wejście 6 ale w konfiguracji asystenta ustawiamy wejście 117. Za pomocą kalkulatora liczymy przelicznik określający ilość kWh/impuls. Przy 800 impulsach na kWh i uwzględnieniu podziału wejścia logicznego będzie to 0.005 kWh na impuls.

Dostępne są liczniki, np. licznik LE-03MQ które pozwalają na programowanie ilości impulsów i ich czasu trwania. Możemy w liczniku LE-03MQ ustawić 100 imp. na kWh i czas impulsu na 200ms co pozwoli nam podłączyć licznik z pominięciem wejść logicznych których w koncentratorze mamy tylko 16.

W przypadku liczników z przekładnikami prądowymi musimy dokładnie sprawdzić jakiej przekładni dotyczy katalogowa ilość impulsów ponieważ czasami informacja ta jest niejednoznaczna.

Pobór energii jako sygnał pracy

Asystent energii może wygenerować sygnał pracy dla nadzorcy dla którego liczy energię. Mówiąc inaczej urządzenie pracuje wtedy kiedy pobiera prąd. Poza załączeniem tej funkcji nadzorca musi mieć ustawione wejście logiczne (65-111) którym sterować będzie asystent oraz ustawić czas przedłużenia impulsu tak aby uzyskać prawidłową pracę przy niskim obciążeniu.