Układy sterowania i napędu w procesach technologicznych

O powodzeniu wielkich przedsięwzięć stanowią często niewidoczne drobiazgi. Nie inaczej jest w przemyśle, gdzie o sprawny przebieg procesów technologicznych dbają elementy takie jak układy sterowania i napędu. O ich znaczeniu rozmawiamy z Markiem Sudolskim, dyrektorem Biura Automatyki Przemysłowej APATOR CONTROL sp. z o.o. z Torunia.

Zapominalstwo lub lekceważenie detali to prosta droga do strat. Ale czy drobne zabiegi na „układzie nerwowym” i elementach napędowych naprawdę mogą przynieść oszczędności?
Podam przykład. Oferta naszej firmy obejmuje modernizację układów zasilania i sterowania suwnic, wywrotnic, dźwigów i żurawi. Wymieniamy stare szafy sterownicze silników, okablowanie, czujniki, montujemy enkodery na silnikach, modernizujemy kabinę operatorską itd. Po takich zabiegach spada zużycie energii, a rośnie wydajność, ponieważ praca maszyny staje się płynna, bezpostojowa. Modernizacja wydłuża też okres pracy silników, elementów mechanicznych czy torowisk. Nowe lub zmodernizowane technologie napędowe zwiększają precyzję przejazdu, podnoszenia, przesuwania itp. Niezawodność maszyn oraz fakt, że szkolimy załogę, przyczyniają się do wzrostu bezpieczeństwa pracy. Nie wszystkie działania przekładają się wprost na oszczędności finansowe, ale ogólna rentowność zakładu wzrasta.

Modernizują państwo również całe ciągi technologiczne?
W wypadku ciągów technologicznych zmiany mogą obejmować np. precyzyjne ustawianie i kontrolę parametrów pracy, takich jak prędkość przesuwu materiału, długość cięcia, pomiar średnicy, grubość nawijania czy odwijania, czas przesuwu itp. Wprowadzenie nowoczesnych systemów sterowania umożliwia również kontrolę całej linii technologicznej z jednego centralnego punktu zarządzania. Proces jest wizualizowany, dzięki czemu w razie wystąpienia zakłóceń możliwa jest szybka ingerencja. W ten sposób realizowane jest bieżące zarządzanie procesem, ale ponieważ nasze systemy sterowania udostępniają opcję archiwizacji parametrów urządzeń na danej linii technologicznej, możliwe jest także sięganie do nich w przyszłości. Skraca to czas potrzebny na przestrojenie.

W jakich innych zastosowaniach sprawdzają się państwa systemy sterowania?
Są to np. pompownie i oczyszczalnie ścieków. W tym przypadku możemy osiągnąć wzrost wydajności dzięki płynniejszej regulacji pracy silników. Poza zwiększoną trwałością podzespołów, o czym już wspominałem, modernizacja przyczynia się do zrównoważenia ciśnienia i rozbioru na rurociągach. Technologia pracy oczyszczalni dostosowuje się także do wahań warunków zewnętrznych, np. zwiększonych opadów czy wzrostu zanieczyszczenia ścieków.

Prowadzą państwo w tej chwili jakieś działania modernizacyjne?
Obecnie realizowany jest bardzo duży projekt modernizacji linii technologicznej szyny długiej dla zakładów Arcelor Mittal. Rocznie wykonujemy mniej więcej 100 różnych modernizacji.

Apator Control to jednak nie tylko sterowanie i napędy. Kto musi lub powinien skorzystać z państwa oferty dotyczącej samoczynnego załączania rezerwy zasilania – SZR?
SZR powinien być stosowany wszędzie tam, gdzie zanik napięcia w sieci energetycznej może spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, a także tam, gdzie zanik tego napięcia może się przyczynić do znaczących strat materialnych. Wynika to wprost z właściwego rozporządzenia ministra infrastruktury. Dlatego obowiązkowo układy te powinny być stosowane w budynkach szpitalnych, budynkach użyteczności publicznej, budynkach, w których odbywają się imprezy masowe, czy budynkach wysokościowych. Zaleca się też stosowanie SZR-ów w zakładach przemysłowych, w których przerwa w cyklu produkcyjnym może spowodować duże straty finansowe. We wszystkich powyższych przypadkach należy zapewnić alternatywne źródło zasilania i włączać je w przypadku zaniku źródła podstawowego właśnie za pomocą układów SZR.

Jak szybko układy SZR reagują na zanik zasilania w sieci?
Nasz układ SZR APC, standardowo, zwłokę na zanik napięcia ma ustawioną na 3 s, a zwłokę na powrót napięcia – na 6 s. Najczęściej jednak i tak ostatecznie to klient decyduje, jakie to mają być wartości, ponieważ nasz układ pozwala na ustawienie dowolnych czasów. Można go tak zaprogramować, że jedynym czynnikiem implementującym czas reakcji SZR-a na zanik napięcia będzie czas potrzebny na włączenie czy wyłączenie urządzenia wykonawczego. Reakcja nastąpi wówczas niemal natychmiastowo, np. dla wyłączników czas ten waha się na poziomie 20–50 ms.

A co się dzieje, gdy wraca zasilanie podstawowe?
Zasadniczo powrót do zasilania podstawowego następuje automatycznie. Jak wspominałem, standardowo zwłoka wynosi 6 s. Często klientom wydaje się, że jest to zbyt długi czas, ale trzeba pamiętać, że po powrocie napięcia jest ono w początkowej fazie niestabilne. Wydłużony czas powrotu zasilania podstawowego pozwala uniknąć sytuacji, w której niestabilność tego źródła mogłaby powodować ponowne przełączenie pracy układu na tryb rezerwy. SZR możemy jednak także przełączyć w tzw. tryb ręczny – wtedy to operator decyduje, jakie źródło zasilania jest wykorzystywane w danym momencie.

Jak przebiega sterowanie takim układem?
Sterownik wykorzystywany w naszym układzie SZR posiada port RS485. Dodatkowo w wersji z panelem operatorskim możliwe jest wykorzystanie komunikacji Ethernet. Pozwala to na wpięcie układu SZR do scentralizowanych układów sterowania i zdalną zmianę jego parametrów.

W jaki sposób dobiera się układy sterowania i napędu do potrzeb klienta? Opierają się państwo na informacjach dostarczonych przez inwestora czy wysuwają własne wnioski i sugestie na podstawie oględzin?
W większości wypadków dokonujemy oględzin istniejących u klienta rozwiązań i proponujemy możliwe modernizacje i udoskonalenia. Dokonujemy doboru układu sterowania i wykonujemy pełen projekt. Staramy się pomóc klientowi, podsuwając mu możliwie najkorzystniejsze rozwiązania, ale to klient decyduje, które rozwiązanie wybierze. W niektórych sytuacjach stosujemy oczywiście rozwiązania klienta, np. wtedy gdy posiada on już gotową dokumentację.

Jak przebiega proces wdrożenia systemu u odbiorcy? Jak długo trwa uruchomienie systemu sterującego procesem technologicznym oraz jego kalibracja?
Nie ma prostego określenia czasu potrzebnego na uruchomienie oraz kalibrację procesu technologicznego. Uruchomienie prostej modernizacji bywa wykonywane w jeden dzień, a potem klient przejmuje obsługę maszyn. Ale mamy też duże projekty, gdzie uruchomienie odbywa się etapowo i trwa nawet kilka miesięcy.

Prowadzą państwo także szkolenia służb klienta. Jaki jest ich zakres?
W zależności od stopnia skomplikowania projektu realizowany jest różny zakres szkolenia służb utrzymania ruchu u klienta. Gdy klient przejmuje również oprogramowanie, wymagane jest przeszkolenie programisty. W pozostałych przypadkach przeprowadza się podstawowe przeszkolenie oraz przekazuje dokumentację ruchową dla obsługi oraz służb utrzymania ruchu.

W trakcie prac projektowych korzystają państwo z własnego biura projektowego?
Tak, aczkolwiek w zakresie prac, które nie należą do naszej specjalności, korzystamy również z zewnętrznych biur projektowych.

A podczas projektowania, programowania i wykonywania oprogramowania do sterowników, przemienników, paneli operatorskich i innych urządzeń?
Programowanie wymienionych układów to część modernizacji. Dysponujemy gronem programistów, którzy wykonują oprogramowanie dostosowane do indywidualnych potrzeb klientów lub dokonują zmian w oprogramowaniu na istniejących urządzeniach i ciągach technologicznych.

A jeśli chodzi o innowacje lub testy? Czy firma Apator Control posiada własne laboratorium badawcze?
Nie posiadamy własnego laboratorium badawczego, ale dział konstrukcyjny oraz hamownię dla potrzeb testów szaf sterowniczych z silnikami pod pełnym obciążeniem do mocy 250 kW. Jeśli chodzi o produkty innowacyjne, podczas targów Energetab 2013 zaprezentowaliśmy mikroprocesorowy układ samoczynnego załączania rezerw nowej generacji.

Czy modernizacja elementów układów zasilania i sterowania wymaga całościowej przeróbki instalacji, czy też elementy nowsze wykazują się kompatybilnością ze starszymi?
Stosujemy również tzw. retrofity, czyli zamienniki starszych urządzeń, np. wyłącznik APA 30/50 w wersji wysuwnej. Zastępuje wyłączniki wysuwne APU 30/50, stosowane od lat 60. do 90. ubiegłego wieku. Ich czas świetności bezpowrotnie minął, jednak nadal spotyka się je w wielu zakładach przemysłu ciężkiego i nie tylko. Z przyczyn ekonomicznych wiele firm decyduje się na modernizację rozdzielnic, zamiast na ich wymianę. Często jest to działanie uzasadnione, gdyż same rozdzielnice odpowiednio eksploatowane znajdują się w nienagannym stanie, co pozwala na ich dalszą eksploatację. Dlatego najlepszym wyjściem w takich przypadkach jest wymiana starych, zawodzących wyłączników na nowe. Stosowanie naszego wyłącznika pozwala zaoszczędzić mnóstwo czasu i pieniędzy (np. nie powoduje długich przestojów produkcji), ponieważ nowy wyłącznik wprowadzany jest do rozdzielnicy dokładnie w miejsce starego APU, bez konieczności wymiany kasety wysuwnej, przyłączy wtyków pomocniczych czy elewacji rozdzielnicy. Trwa to dosłownie parę minut i rozdzielnica jest na powrót gotowa do pracy.

Czy poza wersją wysuwną oferują państwo wyłączniki stacjonarne?
Naszym klientom proponujemy tylko wysuwne wyłączniki APA. Wiem, że konkurenci proponują je również dla wersji stacjonarnych, ale nastręcza to wielu problemów częstokroć nie do rozwiązania. Swego czasu powstało wiele wersji wyłączników stacjonarnych APU, a dodatkowo prefabrykujące rozdzielnice firmy montowały je w swoich produktach w odmienny sposób, dlatego teraz bardzo trudno stworzyć uniwersalną wersję pasującą do wszystkich stosowanych rozwiązań. W wyłącznikach wysuwnych APU to, w jaki sposób była montowana kaseta, nie ma znaczenia dla retrofitu APA, gdyż ten korzysta z łoża kasety wysuwnej APU, nie ingerując w sposób podłączenia ani mocowania kasety. Korzyści są oczywiste. Rzecz jasna, nie znaczy to, że nasi klienci – jeśli w ich urządzeniu zastosowane zostały stacjonarne wyłączniki APU – pozostają z tym problemem sami. Proponujemy wówczas wymianę wyłączników na dowolne dostępne na rynku. Nasi wykwalifikowani pracownicy demontują stary stacjonarny wyłącznik APU wraz z jego mocowaniem i szynami pomiędzy wyłącznikiem a torami głównymi rozdzielnicy. W to miejsce zostaje zamontowany i podłączony do starego układu szyn głównych nowy wyłącznik. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że nowy wyłącznik funkcjonuje zarówno w wersji stacjonarnej, jak i wtykowej czy wysuwnej.

Wróćmy jeszcze do kwestii zasilania. W państwa ofercie znalazłem baterię kondensatorów. Dla kogo przeznaczony jest ten produkt?
Baterie kondensatorów przeznaczone są dla wszystkich odbiorców energii, którzy są rozliczani przez swojego dostawcę za pobór energii biernej indukcyjnej, a na ich rachunkach pojawiają się opłaty z tego tytułu.

To opłacalne?
Oczywiście. Po zastosowaniu baterii kondensatorów rachunek klienta od dostawcy energii nie powinien zawierać obciążeń z tytułu poboru mocy biernej indukcyjnej, ewentualnie zostaną one znacząco zredukowane. Korzyści są zresztą obopólne. Stosowanie baterii odciąża sieć od przesyłu mocy biernej, a to zaleta z punktu widzenia dostawcy energii.

Kondensatory generują jednak ciepło, a to strata energii.
Straty związane z zastosowaniem baterii kondensatorów, wynikające z emisji ciepła, można uznać za marginalne. Kształtują się one na poziomie 0,5 W / 1 kVAr i dotyczą członów baterii pracujących w danym momencie. Stosowanie kompensacji mocy biernej przynosi wymierne korzyści przy stosunkowo niewielkim nakładzie; najczęściej zwrot takiej inwestycji następuje po okresie nie dłuższym niż rok od zainstalowania urządzenia.

Jaką moc są w stanie obsłużyć państwa baterie?
Nasze baterie budowane są do mocy 500 kVAr. Jest to jednak produkt oferowany od niedawna. Cały czas rozpoznajemy ten rynek i nie wykluczamy rozwoju produktu w kierunku zwiększenia obsługiwanej mocy.

Są jakieś szczególne wymagania, które warunkują zastosowanie takich baterii?
W zasadzie podstawowym warunkiem jest fakt poboru przez odbiorcę energii indukcyjnej mocy biernej. Warto też jednak sprawdzić, po jakim czasie inwestycja się zwróci.

Jakich zasad należy przestrzegać dla podtrzymania poprawnej i bezpiecznej pracy baterii kondensatorów?
Warto poddawać ją dość częstym okresowym przeglądom. Głównie należy zwrócić uwagę na styczniki, które są elementami wykonawczymi w baterii. Awarie tego elementu bywają dwojakiego rodzaju. Po pierwsze, może wystąpić brak reakcji stycznika na sygnały z regulatora, co powoduje, że dany stopień kondensatora się nie załącza, a z sieci ponownie (jak w wypadku braku baterii) pobierana jest moc bierna. W drugim przypadku styki stycznika ulegają „sklejeniu”, co prowadzi do sytuacji, w której bateria podaje moc bierną do kompensacji, mimo że sieć tego nie wymaga. Pojawienie się na rachunku odbiorcy energii ponownie podwyższonych należności za moc bierną lub za jej przekompensowanie powinno bezwzględnie prowadzić do podjęcia działań serwisowych.

Jaka jest trwałość baterii?
Jest ona przede wszystkim uzależniona od trwałości styczników i trudno tu mówić o określonym czasie, gdyż jest on zależny od charakteru obwodu, w jakim bateria pracuje, i częstotliwości oraz liczby cykli pracy, jaką musi wykonać stycznik załączający poszczególne stopnie baterii kondensatorów. Liczba cykli łączeń styczników stosowanych w naszych układach baterii kondensatorów kształtuje się na poziomie 200 tys.

Na końcu pytanie o modny ostatnio temat OZE. Mają państwo w ofercie elementy elektrowni słonecznych Emerson Control Techniques. Skoro w Polsce istnieje jedna taka elektrownia, jest to zapewne raczej ciekawostka niż rzeczywiste źródło dochodów.
Obecnie fotowoltaika, ze względu na obowiązujące przepisy, faktycznie nie stanowi dla nas źródła dochodu. Budowa elektrowni dużych mocy, dla których możemy być dostawcami podzespołów, jest mało opłacalna. Jesteśmy gotowi do zajęcia się tym tematem, ale jak na razie rozwiązania dotyczące fotowoltaiki dostarczane są bezpośrednio z oddziału Emersona w Niemczech. Oddział ten uruchomił olbrzymią liczbę elektrowni fotowoltaicznych i nie jest ekonomicznie uzasadnione przejmowanie tego typu aplikacji, kiedy zapotrzebowanie na nie w Polsce jest znikome.

Pozostańmy w temacie ciekawostek. Moją uwagę przyciągnęła obecność w państwa ofercie metalowych kontenerowych stacji transformatorowych projektowanych jako jednostki mobilne na płozach lub szynach jezdnych. Jakie jest ich przeznaczenie w porównaniu ze stacjami betonowymi?
Zasadniczo stacje betonowe są stacjami stacjonarnymi, na trwałe związanymi z gruntem. Posiadają piwnicę kablową wkopaną w grunt, co uniemożliwia ich przemieszczanie. Nasze stacje STKT nie mają podpiwniczenia; standardowo stawia się je na cokołach fundamentowych, wtedy odgrywają rolę stacji stacjonarnych, ale kiedy wyposażymy tę stację w płozy, umożliwiamy jej mobilność. Płozy pozwalają – w określonych warunkach, np. na placach budów, w kopalniach odkrywkowych – na stosunkowo łatwe przemieszczanie stacji bez użycia dźwigu, poprzez proste przeciąganie ich ciężkim sprzętem mobilnym.