We współczesnych systemach automatyki przemysłowej coraz częściej wykorzystywane są technologie Internetu Rzeczy wraz z układami zaawansowanego pomiaru zużycia energii elektrycznej. Narzędzia te umożliwiają klasyfikowanie zachowań maszyn, wykorzystywanie narzędzi konserwacji prognozowanej i docelowo zmniejszenie kosztów funkcjonowania zakładów oraz zwiększenie efektywności operacyjnej sprzętu.
Coraz częściej w automatyce przemysłowej stosowane są zaawansowane pomiary zużycia i jakości energii elektrycznej. Powodem jest konieczność rozwiązywania kluczowych problemów związanych z produkcją poprzez zalezienie sposobów i możliwych obszarów oszczędzania energii, zmniejszanie obciążeń szczytowych, analizowanie i klasyfikowanie zachowań maszyn, a także lokalizowanie źródeł nadmiernego zużycia energii oraz ich eliminowanie.
Ponadto wspomniane pomiary są powszechnie wykorzystywane do identyfikacji i śledzenia kluczowych statystyk zużycia energii dzięki powiązaniu ich z oprogramowaniem do konserwacji prognozowanej i analizowaniu danych zebranych przy wykorzystaniu nowoczesnych narzędzi Internetu Rzeczy (IoT), co ma na celu redukcję kosztów działania i zwiększanie efektywności operacyjnej sprzętu.
W ciągu ostatnich dwóch lat w branży przemysłowej odnotowano znaczną ekspansję kompaktowych urządzeń do monitoringu energii elektrycznej. Wiele z nich nie jest samodzielnymi urządzeniami, dedykowanymi do jednego zadania. Zamiast tego są one zintegrowane ze standardową platformą rozproszonych modułów wejść/wyjść (I/O) ? mogą być integrowane jako wbudowane w moduły We/Wy lub współpracować ze standardowymi modułami We/Wy, instalowanymi na jednej szynie DIN i połączonymi uniwersalnymi złączami magistralowymi.
Daje to wiele natychmiastowych korzyści, w tym zmniejszenie ogólnych gabarytów sprzętu, zwiększenie funkcjonalności segmentów We/Wy, mniejsze długości przewodów i kabli, szybsze uruchamianie. W kontekście automatyki sterowania opartej na komputerach typu PC te rozwiązania do monitoringu energii mogą być programowane przy użyciu tego samego, dobrze znanego środowiska programistycznego, wykorzystywanego m.in. do programowania sterowników PLC, sterowników ruchu, zabezpieczeń, robotów, co jest ułatwieniem dla inżynierów i prowadzi do redukcji kosztów instalacji, użytkowania.
Standard EtherCAT w aplikacjach do monitoringu energii produktów We/Wy, opartych na przemysłowym protokole ethernetowym, oferuje szczególne korzyści dla aplikacji pomiarów energii i konserwacji prognozowanej. W zależności od aplikacji ważne jest, aby określić, jakie są wymagane informacje związane z energią elektryczną, takie jak napięcie, jakość energii i wyższe harmoniczne. Kolejny obszar rozważań dotyczy technologii IoT. Wielu inżynierów poszukuje i potrzebuje obecnie większej ilości informacji w celu wdrożenia konserwacji prognozowanej.
W takich aplikacjach pomocne mogą być moduły pomiarowe, realizujące podstawowe funkcje związane z pomiarami parametrów energii elektrycznej. Każda maszyna może mieć jeden tani moduł do pomiaru napięcia zasilającego, pobieranego prądu oraz mocy i wysyłać te dane przez sieć EtherCAT do bazy danych ? lokalnej lub w chmurze. Jeśli personel fabryki widzi zmiany tych wielkości mierzonych, to wie dokładnie, która maszyna wymaga konserwacji ? na podstawie wyników pomiarów i funkcji diagnostycznych w EtherCAT, co umożliwia bardzo precyzyjną lokalizację zdarzeń czasowych w maszynach i sprzęcie.
Dla aplikacji, w których zachodzi potrzeba wykonywania pomiarów energii, wynikająca z dążenia do obniżenia całkowitych kosztów produkcji, bardziej pomocne będą moduły pomiarowe mające więcej wbudowanych funkcji. Są to moduły trójfazowe do pomiaru energii z rozszerzoną funkcjonalnością, które oferują szeroki zakres dodatkowych możliwości analizy i zarządzania dostarczaną energią. Konkretnie mogą one być użyte do pomiaru harmonicznych, współczynnika zawartości harmonicznych (THD), częstotliwości i współczynnika mocy.
Wszystkie mierzone prądy i napięcia są podawane jako wartości skuteczne (RMS), na ich podstawie może być obliczona moc pobierana i zużycie energii dla każdej fazy. Dla użytkownika dostępne są zarówno wartości skuteczne napięcia U oraz prądu I, jak i mocy czynnej P, mocy pozornej S, mocy biernej Q, częstotliwości f, współczynnika mocy cos ? oraz współczynnika zawartości harmonicznych. Moduły pomiarowe o rozszerzonej funkcjonalności mogą także oferować bardzo duży zakres pomiarowy ? do 690 V, 5A AC.
Możliwe jest jednoczesne monitorowanie wielu kanałów z krótkotrwałą rozdzielczością do 100 ?s, przy wykorzystaniu zasady nadpróbkowania EtherCAT. Być może najwyższą dokładność pomiarów w dziedzinie modułów do pomiaru energii oferują dostępne wersje kompaktowe, których błąd pomiaru wynosi maksymalnie 0,2% przy częstotliwości 20 kSps (tysięcy próbek na sekundę, kilosamples per second) lub 0,5% przy 10 kSps. Standardowy system sterowania oparty na komputerach typu PC ma wystarczającą moc obliczeniową do obliczania tzw. prawdziwej wartości skutecznej (true RMS) lub analizowania parametrów funkcjonowania maszyn i urządzeń oraz realizacji złożonych algorytmów użytkownika, opartych na mierzonych wartościach napięć i prądów.
Dzięki zasadzie nadpróbkowania moduł We/Wy może wykonywać pomiary w przedziałach czasowych krótszych niż czas cyklu systemu sterowania. Ponadto, dzięki wykorzystaniu funkcji rozproszonych zegarów, która jest nierozerwalnie związana z protokołem EtherCAT, możliwy jest synchroniczny pomiar energii dla wielu źródeł przez inne urządzenia EtherCAT w sieci.
Możliwości wykorzystania monitoringu energii dla inżynierów automatyków
Rozwój oprogramowania przeznaczonego do włączenia monitoringu energii elektrycznej do systemów automatyki opartych na komputerach PC podwyższył też parametry funkcjonalne w platformach zintegrowanych z systemem. Biblioteki PLC, służące do oszacowania nieprzetworzonych danych dotyczących prądu i napięcia, mogą być dostarczane bezpośrednio przez moduły We/Wy przeznaczone do pomiaru energii. Dostępne są bloki funkcyjne do obliczania wartości skutecznych prądu, napięcia i mocy.
Wartości te mogą być także dostępne na wyjściach bloków funkcyjnych jako wartości chwilowe lub średnie, maksymalne i minimalne. Można wyznaczyć częstotliwość i widmo częstotliwości, takie jak harmoniczne w sieciach i ich obciążenie w formie współczynnika zawartości harmonicznych (THD). Wszystkie bloki funkcyjne są dostępne dla systemów jednofazowych i trójfazowych.
Jeszcze niedawno takie funkcje był dostępne w drogich i dużych urządzeń typu ?czarna skrzynka?, które wymagały swojego własnego oprogramowania do programowania i rezydowały wewnątrz niemal całkiem zamkniętego ekosystemu. Oznaczało to, że firmy mogły sobie pozwolić na zainstalowanie technologii wysokiego poziomu do pomiarów energii i efektywnej analizy danych tylko na niewielu maszynach. Obecnie możliwe jest otrzymywanie bardzo wartościowych danych dotyczących zużycia i jakości energii ze wszystkich obszarów środowiska produkcyjnego, za pomocą systemu sterowania wyposażonego we właściwe moduły We/Wy. Inżynierowie automatycy mają więcej możliwości realizacji monitoringu energii przez zainstalowanie kompaktowych modułów We/Wy ze zintegrowaną technologią pomiarową.
Sree Potluri jest specjalistą ds. aplikacji układów We/Wy w firmie Beckhoff Automation.
