Zarządzanie zużyciem energii oraz emisją gazów za pomocą najnowszych aplikacji programowych

Postępy w technologiach Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) oraz oprogramowaniu do analizy danych pomagają personelowi kierowniczemu zakładów przemysłowych w uzyskiwaniu cennych informacji na temat stanu technicznego oraz działania kluczowych zasobów w tych zakładach. Dzięki tym informacjom oraz odpowiedniemu oprogramowaniu kierownictwo może zarządzać zużyciem energii oraz emisją gazów przez swoje zakłady.

Tradycyjny monitoring zasobów w przemyśle przechodzi zasadniczą przemianę. Postępy w technologiach Przemysłowego Internetu Rzeczy oraz oprogramowania do analizy danych dostarczają kierownictwu fabryk wartościowych informacji na temat stanu technicznego i funkcjonowania ich najbardziej kluczowych zasobów. Jednak wdrożenie tych nowych technologii monitorowania może przynieść też inne korzyści firmom przemysłowym. Niektóre aplikacje programowe mogą pomóc w redukcji emisji gazów oraz zapobiec stratom energii w zakładzie przemysłowym poprzez śledzenie zużycia energii przez kluczowe zasoby oraz alarmowanie personelu o występowaniu problemów.

W systemach przemysłowych, w których ciepło jest uzyskiwane za pomocą spalania paliw, takich jak linie pary technologicznej oraz wymienniki ciepła, lepsze zarządzanie energią może oznaczać zmniejszenie liczby zdarzeń skutkujących stratami pary oraz ograniczenie strat energii spowodowanych zanieczyszczeniami. Działanie zaworów ciśnieniowych bezpieczeństwa (PRV) może być śledzone i zapisywane, tak więc operatorzy wiedzą, kiedy dane zdarzenie wystąpiło i jak długo trwało. W przeszłości tradycyjne metody monitoringu za pomocą czujników przewodowych sprawiały, że śledzenie stanu technicznego oraz funkcjonowania takich zasobów było kosztowne. Obecnie zaś oprzyrządowanie bezprzewodowe, połączone z łatwym do wdrożenia oprogramowaniem analitycznym, aplikacjami przyjaznymi dla użytkownika oraz specjalistycznymi panelami graficznymi typu dashboard umożliwiają personelowi kierowniczemu zakładów przemysłowych śledzenie tych zużywających duże ilości energii zasobów oraz jednoczesne uzyskanie redukcji kosztów, emisji gazów oraz nieplanowanych przestojów na produkcji.

Fot. 1. Jeden skonsolidowany raport graficzny typu dashboard, utworzony przez oprogramowanie Plantweb firmy Emerson. Pokazano tu przykładowy log zdarzeń dla ciśnieniowego zaworu bezpieczeństwa oraz informacje dotyczące wynikających z tych zdarzeń strat na produkcji i wielkości emisji gazów. | Źródło: Emerson

Koszty oraz skutki traconej energii w przemyśle

W wielu gałęziach przemysłu systemy parowe są niezbędne do realizacji procesów ? zarówno wytwarzania energii w elektrowniach, jak i przetwarzania chemicznego w zakładach przemysłu spożywczego. A zatem oszczędzanie energii w każdy możliwy sposób jest integralną częścią maksymalizacji efektywności procesów oraz zysków dla firm. Niektóre zasoby, które zużywają duże ilości paliwa, są ?winowajcami? nieefektywnego wykorzystywania oraz marnotrawstwa energii. Gdy para wodna jest tracona na skutek uszkodzenia pułapki parowej (odwadniacza), oznacza to nie tylko stratę energii, ale i marnotrawienie paliwa. Ponadto może to mieć niekorzystny wpływ na jakość produktu. Monitoring zasobów w czasie rzeczywistym oferuje możliwość wglądu w stan techniczny i pracę tych zasobów, dzięki czemu można zmniejszyć koszty energii związanej z działaniem takich systemów, a to z kolei jest znaczącym elementem optymalizacji pracy zakładów.

Inne zasoby, takie jak wymienniki ciepła, w miarę upływu czasu stają się mniej efektywne energetycznie z powodu gromadzenia się osadów na powierzchni wymiany ciepła. Zjawisko to zwane jest zarastaniem (ang. fouling). Gdy ilość osadów jest zbyt duża, urządzenie musi być oczyszczone i poddane serwisowaniu, aby przywrócić mu pełną sprawność. Jednak w czasie wykonywania tych prac następuje przestój, który wymaga zarówno czasu, jak i większej ilości energii do prawidłowego przekazywania ciepła. Przy stosowaniu tradycyjnych metod monitoringu zasobów nie można określić ilości traconej energii przed następnymi ujętymi w harmonogramie pracami konserwacyjnymi. Tak samo nie można określić, jak te straty energii wpływają na moce produkcyjne, zanim operator nie zostanie zaalarmowany, że wystąpił problem.

Możliwości bezprzewodowego monitoringu zasobów

Starsze systemy monitoringu zasobów wymagały kosztownego oprzewodowania oraz infrastruktury, aby podłączyć każde z urządzeń. Ponadto zainstalowanie takiego systemu często wymagało całkowitego zatrzymania pracy linii produkcyjnej, ponieważ przyrządy pomiarowe musiały być w niej zamontowane. Te wymagania powodowały, że koszty początkowe zainstalowania przewodowego systemu monitorującego często przewyższały potencjalne oszczędności. Szczególnie dotyczyło to zasobów trudno dostępnych lub znajdujących się w odległych lokalizacjach.

Nowoczesne rozwiązania bezprzewodowe nie wymagają takich dużych inwestycji początkowych w infrastrukturę czy wyłączeń linii produkcyjnych w celu zainstalowania czujników. Bezprzewodowe czujniki i mierniki są montowane w sposób nieinwazyjny na zewnątrz urządzeń, co nie ma wpływu na dostarczane dane. Na przykład bezprzewodowe czujniki akustyczne wykorzystują termoelement i czujnik ultradźwiękowy do wykonywania pomiarów temperatury i dźwięku. Wyniki tych pomiarów mogą być przeanalizowane w celu wyznaczenia stanu pułapek parowych oraz ciśnieniowych zaworów bezpieczeństwa.

Łatwa wizualizacja danych w epoce Przemysłowego Internetu Rzeczy

Dane nieprzetworzone (surowe, ang. raw data) z perspektywy analitycznej są jedynie tak użyteczne, jak nasza możliwość ich zrozumienia oraz interpretacji. Oprogramowanie do analizy danych, takie jak pokazane na fot. 1, może być zainstalowane na komputerze podłączonym do bram sieciowych WirelessHART w celu interpretacji danych procesowych (WirelessHART jest protokołem bezprzewodowym, opracowanym przez organizację FieldComm). To pozwala użytkownikom na błyskawiczny i ciągły dostęp do informacji dotyczących zasobów, które w tradycyjnym systemie musiały być zbierane przez operatora ręcznie. Przyjazne dla użytkownika aplikacje, oparte na tych platformach oprogramowania, zbierają i kompilują dane w czasie rzeczywistym oraz wizualizują je w postaci łatwych do odczytu wykresów graficznych o możliwości powiększania, dzięki czemu można przybliżyć i obejrzeć każdy zasób z osobna. Ponieważ adaptowanie tego typu monitoringu bezprzewodowego rozrasta się, to tak samo będzie z aplikacjami tworzonymi przez deweloperów oprogramowania. Każdy nowy przypadek praktyczny może zachęcić do opracowania nowej aplikacji modułowej, która może być dodana do panelu dashboard, pokazując status procesów ? kluczowych i pozostałych.

Kilka różnych aplikacji pokazuje na przykładzie łatwą dla użytkownika wizualizację danych dotyczących strat energii oraz emisji w połączonym w sieci środowisku fabrycznym.

Monitoring ciśnieniowych zaworów bezpieczeństwa

Do najbardziej kluczowych zasobów w instalacji znajdującej się pod ciśnieniem należą ciśnieniowe zawory bezpieczeństwa. Zabezpieczają one realizowany proces oraz sprzęt technologiczny, uwalniając nadmiar sprężonego gazu z systemu, gdy ciśnienie osiągnie pewien nastawiony poziom. Mimo że zawory te są użyteczne w zapobieganiu zakłóceniom procesów i awariom sprzętu, są też przykładem zasobów często monitorowanych manualnie lub nieefektywnie ze względu na wysokie koszty zainstalowania czujników przewodowych w odległych lokalizacjach.

Nieszczelne i otwierające się zawory bezpieczeństwa powodują marnotrawstwo energii i mogą ograniczyć produkcję, nie pozwalając, aby proces przebiegał przy optymalnym ciśnieniu. Wiele zakładów posiada pewną liczbę zaworów nadmiarowych, które są podłączone do jednego systemu pochodni gazowej i uwalniają nadmiar gazu do atmosfery. Jeśli jedna pochodnia gazowa ma wiele zaworów nadmiarowych, to trudno jest uzyskać informację, ile z tych zaworów jest w stanie otwarcia. Jak więc można mierzyć te straty energii oraz wielkości emisji?

Bezprzewodowe czujniki akustyczne umożliwiają ciągły monitoring w czasie rzeczywistym tych kluczowych ciśnieniowych zaworów bezpieczeństwa w całym zakładzie przemysłowym. Dane z tych czujników są wysyłane do aplikacji programowej, która następnie alarmuje operatorów o nieszczelnościach i nieprawidłowym funkcjonowaniu zaworów. Wbudowane w to oprogramowanie algorytmy zrównoważonego rozwoju śledzą zużycie energii oraz wielkość emisji gazów, co pozwala kierownictwu zakładu porównywać te dane ze wskaźnikami wzorcowymi oraz wielkościami docelowymi.

Fot. 2. Panel typu dashboard, pokazujący online stan techniczny pułapki parowej. Oprogramowanie weryfikuje, czy pułapka ta jest w stanie awarii, poprzez obserwację trendów i emisji oraz strat energii, jednocześnie śledząc wpływ stanu technicznego pułapki na realizację kluczowych celów zakładu. | Źródło: Emerson

Czujniki bezprzewodowe w pułapkach parowych

Pułapki parowe, czyli odwadniacze, są produkowane w wielu formach. Ich podstawowym przeznaczeniem jest wychwytywanie kondensatu z linii pary technologicznej. Linie parowe są wykorzystywane w różnych procesach technologicznych, jednak głównie do ogrzewania lub produkcji energii elektrycznej. Gdy odwadniacz nie zadziała, to para jest uwalniana do atmosfery, co powoduje marnotrawienie energii i pogorszenie jakości produktów.

Dodanie nieinwazyjnych czujników bezprzewodowych do każdej pułapki parowej daje operatorom wgląd w całą instalację parową. Mogą być oni wtedy ostrzegani o każdym przypadku, gdy jakiś odwadniacz się nie otwiera lub nie zamyka. Aplikacje programowe mogą także pokazywać operatorom całkowite koszty straconej energii, wynikającej z nieszczelności w pułapkach parowych oraz obliczać wielkości emisji gazów. Wartości te mogą być zapisywane i podawane w raportach.

Ręczne kontrole pułapek parowych wymagają częstych obchodów operatora i są dość czasochłonne. Awarie i nieszczelności mogą pozostać niewykryte przez całe tygodnie lub miesiące, zależnie od częstotliwości tych obchodów. Koszty straconej energii sumują się i mogą w końcu wynieść nawet miliony dolarów rocznie, zależnie od ilości odwadniaczy w danym zakładzie. Nieposiadanie informacji o przekroczeniu dopuszczalnych wielkości emisji może także oznaczać konieczność zapłacenia kar. Ponadto kontrole ręczne są nieprecyzyjne, zaś usługi wyspecjalizowanych firm zewnętrznych mogą być drogie.

Natomiast dzięki wszechobecnym czujnikom bezprzewodowym oraz oprogramowaniu analitycznemu pułapki parowe nie będą już niewiadomą dla personelu kierowniczego fabryk. Aplikacja może kompilować dane, zmienne oraz nastawy i sporządzać raport graficzny typu dashboard. Ta zwiększona świadomość sytuacyjna oznacza, że operatorzy mogą znajdować i naprawiać uszkodzone odwadniacze, zanim spowodują one poważne konsekwencje.

Ciągły monitoring wymienników ciepła

Wymienniki ciepła przekazują ciepło z płynu grzewczego do płynu technologicznego. Przy ciągłym monitorowaniu każdego wymiennika ciepła w zakładzie dane z czujników są wykorzystywane w najlepszy możliwy sposób. Prosty panel dasboard, generowany przez oprogramowanie, zawiera wszystkie informacje, które są potrzebne do zapewnienia, że pracownicy działu utrzymania ruchu nie będą marnowali czasu na serwisowanie tych wymienników ciepła, które jeszcze tego nie wymagają. Technicy ci natomiast zajmą się tylko tymi wymiennikami, w których nagromadziło się już dużo osadu, zanim spowoduje to nieplanowane straty na produkcji. W ten sposób na przykład średniej wielkości rafineria ropy naftowej może zaoszczędzić miliony dolarów. Oprogramowanie analityczne dla wymienników ciepła oblicza także koszty straconej energii, dzięki czemu wyraźnie widać, ile energii jest traconej w tych wymiennikach.


Logan Woolery pracuje w dziale Transformacji Cyfrowych firmy Emerson. Jest menedżerem produktu oprogramowania analitycznego Plantweb Insight.