Stanowisko dydaktyczno-badawcze: system zarządzania energią elektryczną wykorzystujący sterownik PLC

Transkrypt

1 BODZEK Krzysztof 1 BODORA Aleksander 2 Stanowisko dydaktyczno-badawcze: system zarządzania energią elektryczną wykorzystujący sterownik PLC WSTĘP Zgodnie z normą ISO [4] system zarządzania energią stanowią narzędzia do zarządzania organizacją przez pryzmat optymalnego wykorzystania zasobów energetycznych. Kurczące się zasoby naturalne, prowadzące w konsekwencji do zwiększenia ceny energii elektrycznej, już w niedługim czasie spowodują, że racjonalne wykorzystanie zasobów stanie się nie tyle obowiązkiem nakładanym przez międzynarodowe uregulowania, ale ekonomicznie uzasadnioną koniecznością zakładów przemysłowych. Wdrożenie systemu zarządzania energią, którego modelprzedstawiono na rysunku 1, pozwala na zmniejszenie kosztów związanych z wykorzystaniem zasobów energetycznych, a ponadto na zwiększenie wydajności czy redukcji zanieczyszczeń. Rys. 1. Model systemu zarządzania energią [4] Istnieje kilka dedykowanych systemów zarządzania energią np. DGA[5] czy SENTRON[6]. Każdy z nich umożliwia monitorowanie oraz archiwizację wyników. Wadą gotowych rozwiązań jest konieczność monitorowania obiektów rzeczywistych, najlepiej dużej mocy. Jest to często trudne do zrealizowania w trakcie zajęć laboratoryjnych. W artykule zaproponowano stanowisko dydaktyczno-badawcze,które służy do nauki mechanizmów i rozwiązań stosowanych w systemach zarządzania energią. Stanowisko umożliwia zamodelowanie praktycznie dowolnego obiektu przemysłowego wykorzystując środowisko LabVIEW. Połączenie modelu ze sterownikiem PLC poprzez kartę pomiarów i akwizycji danych NI USB 6008 OEM pozwala dodatkowo na sterownie obiektem przemysłowym oraz pomiar i akwizycję zużycia energii elektrycznej. Celem artykułu jest zaprezentowanie sposobu wykonania stanowiska a w mniejszym stopniu opisanie możliwości systemu zarządzania jakością energii. 1 Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektroniki Napędu Elektrycznego i Robotyki, ul. B. Krzywoustego 2, Gliwice, Tel: (032) ; (032) , krzysztof.bodzek@polsl.pl 2 Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, KatedraEnergoelektroniki Napędu Elektrycznego i Robotyki, ul. B. Krzywoustego 2, Gliwice, Tel: (032) ; (032) , aleksander.bodora@polsl.pl 2108

2 1 MODELOWANIE OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH Środowisko LabView jest środowiskiem programistycznym, w którym za pomocą elementów graficznych tworzy się programy nazywane VI (z ang. Virtual Instruments). Programy te mogą pełnić funkcję modeli obiektów przemysłowych. Firma National Instruments, twórca oprogramowania LabVIEW, jest również producentem kart pomiarów i akwizycji danych. Kartami tymi można w łatwy sposób sterować z poziomu LabVIEW. W stanowisku dydaktyczno-badawczym połączenie modelu obiektu rzeczywistego w LabVIEW, ze sterownikiem PLC realizowane jest poprzez interfejs składający się z karty pomiarów i akwizycji danych NI USB 6008 OEM (rys. 2) oraz układu transoptorów pełniących funkcję buforów konwertujących poziomy napięć sygnałów cyfrowych (5 V karta; 24 V sterownik). Wejścia/wyjścia analogowe połączone są bezpośrednio. Rys. 2. Karta pomiarów i akwizycji danych NI USB 6008-OEM z płytką buforów. Karta NI USB 6008 OEM jest wyposażona w: 8 wejść analogowych (12-bit, 10 ks/s), 2 wyjścia analogowe (12-bit, 150 S/s), 12 konfigurowalnych wejść/wyjść cyfrowych, Jest to wystarczające nawet przy modelowaniu skomplikowanych obiektów przemysłowych. W przypadku, gdy liczba wejść lub wyjść jest niewystarczająca, można zastosować dowolną kartę, dopasowaną do wymagań. Model obiektu przemysłowego w LabVIEW powinien być opisany w taki sposób, żeby odpowiadał on obiektowi rzeczywistemu. Taką możliwość udostępnia komponent control design &simulation. Jest to komponent, który pozwala w łatwy sposób modelować obiekt rzeczywisty wykorzystując pętlę symulacyjną (rys. 3). W pętli zaimplementowane są mechanizmy obliczeniowe pozwalające na rozwiązanie równań opisujących modelowany obiekt. Komponent pozwala na opisanie obiektu rzeczywistego przy użyciu równań stanu, transmitancji itd. Dzięki temu można zarówno modelować obiekty wykorzystując parametry statyczne jaki dynamiczne. Z punktu widzenia poprawnego odwzorowania pracy obiektu rzeczywistego, szczególnie istotne jest to, żeby symulator pracowała z postulatem czasu rzeczywistego, czyli aktualizował wyjścia i odczytywał stany wejść z określoną częstotliwością, przynajmniej kilkadziesiąt razy większą od stałych czasowych obiektu symulowanego. Istotne jest również zachowanie niezmienności częstotliwości pomiarów, ponieważ jest ona wykorzystywana do doboru kroku obliczeń. Zostanie to opisane w dalszej części artykułu. Zachowanie stałej częstotliwości odczytu oraz praca z dużymi częstotliwościami jest stosunkowo łatwa do uzyskania w systemach czasu rzeczywistego. Niestety Windows, który jest najbardziej popularnym środowiskiem uruchomieniowym LabVIEW, takim systemem nie jest. Dodatkowo obsługa wielu wątków jednocześnie powoduje, że mimo bardzo dużych częstotliwości taktowania procesora, nie jest możliwe przeprowadzenie obliczeń i aktualizacja wejść i wyjść co ściśle określony czas. Rozwiązaniem jest zastosowanie karty pomiarowej wyposażonej w wewnętrzny układ wyzwalający pomiary oraz odpowiednie ustawienie parametrów pętli symulacyjnej. 2109

3 Rys. 3. Konfiguracja pętli symulacyjnej (Control &SimulationLoop). W celu ustawienia pętli symulacyjnej do poprawnej współpracy z kartą pomiarów i akwizycji danych należy wykonać następujące czynności: w pętli symulacyjnej należy wybrać jedną z metod o stałym kroku całkowania (rys. 3) (np. Runge- Kutta pierwszego lub drugiego rzędu), krok całkowania należy dobrać do stałej czasowej układu symulowanego, ograniczeniem jest tu jednak możliwość obsługi przerwań systemu Windows. Z przeprowadzonych badań wynika, że nie powinien on być mniejszy niż 10 ms. Na rysunku 3 krok całkowania równa się 100 ms, w zakładce Timing Parameters należy wybrać synchronizację z 1 khz zegarem (rys. 3). Jeżeli start symulacji za każdym razem ma mieć takie same warunki,należy wybrać resetowanie przy starcie (1 khz <reset atstructure start>), do wysłania sygnału analogowego, który może być np. obliczoną mocą, można wykorzystać funkcję DAQ Assistant. Należy ją ustawić w trybie wysyłania jednej próbki na żądanie (Generationmode -> 1 Sample (On Demand)). Ponieważ zakres napięciowy wyjścia karty NI USB 6008 OEM wynosi od 0 V do 5 V, konieczne jest przeskalowanie sygnału mocy. Identycznie wysyła się sygnał cyfrowy, do odczytu sygnałów analogowych z karty, np. sygnałów sterujących ze sterownika PLC, również można wykorzystać funkcję DAQ Assistant. Ponieważ karta wyposażona jest w wewnętrzny zegar, niezależny od komputera, można go wykorzystać do kontroli wykonywania pętli symulacyjnej. W tym celu należy uruchomić odczyt w trybie pracy ciągłej (AcquisitionMode ->ContinuousSamples), przy czym liczbę próbek do odczytu ustawia się na jedną (Samples to Read -> 1) a częstotliwość odczytu tak, żeby odpowiadała krokowi obliczeń. Dla 100 ms będzie to 10 Hz (Rate (Hz) -> 10). Ustawienie odczytu w trybie ciągłym powoduje, że częstotliwość odczytu jest stała, zależna od wewnętrznego zegara karty pomiarowej. Dane gromadzone są w buforze karty i przesłane do komputera, gdy jest to tylko możliwe, a następnie wykorzystane w modelu. Ponieważ krok obliczeń i odczytu danych jest taki sam, obliczenia w modelu wykonywane są z postulatem czasu rzeczywistego na systemie, który nie jest systemem czasu rzeczywistego. 2110

4 2 MODEL SILNIKA Silnik asynchroniczny jest odbiornikiem energii elektrycznej, powszechnie stosowanym w zakładach produkcyjnych. Został on wybrany, jako przykład odbiornika modelowanego w środowisku LabVIEW. Jest to stosunkowo prosty model, wykorzystujący jedynie statyczne parametry silnika, ale doskonale nadaje się on jako typowy odbiornik w systemach zarządzania energią. Widok okna programu pokazano na rysunku 4. W modelu można wybrać klasę sprawności silnika oraz znamionowy moment. W zależności od wybranych ustawień wyznaczana jest charakterystyka sprawności silnika w funkcji momentu obciążenia. Charakterystyka ta jest inna dla każdego typu silnika i zależy w szczególności od klasy sprawności oraz momentu znamionowego. Przykładowa charakterystyka dla silnika o klasie sprawności IE1 oraz momencie znamionowym wyznaczona na podstawie [1] i [3] została przedstawiona na rysunku 4. Obciążenie silnika może być zadawane ręcznie lub okresowo o dowolnym kształcie i okresie. Na rysunku 4 przedstawiono obciążenie o charakterze okresowym. Silnik obciążony jest odpowiednio przez jedną trzecią okresu momentem znamionowym następnie połową momentu znamionowego oraz pracuje bez obciążenia. Dla każdego obciążenia obliczane jest zużycie energii elektrycznej, uwzględniające charakterystykę sprawności. W programie zdecydowano się na wybór silnika ze względu na moment znamionowy, a nie moc. Ponieważ stanowisko wykorzystywane jest przede wszystkim w dydaktyce takie podejście pozwala na bezpośrednie porównania zużycia energii przez silniki o różnych klasach sprawności pracujące z takim samym momentem obciążenia. Rys. 4. Model silnika elektrycznego 3 STANOWISKO POMIARU ENERGII ELEKTRYCZNEJ Widok stanowiska pomiaru energii elektrycznej przedstawiono na rysunku 5. Komputer realizuje program symulatora obiektu przemysłowego. W tym przypadku jest to model komputerowy silnika (punkt 2).W modelu obliczane jest aktualne zużycie energii elektrycznej i wysyłane poprzez kartę NI USB 6008 OEM na wejścia sterownika PLC. Sterownik PLC pełni rolę miernika energii elektrycznej 2111

5 a całe stanowisko można potraktować jako jeden z elementów systemu zarządzania jakością energii elektrycznej (rysunek 1 monitorowanie i pomiary). Rys. 5. Stanowisko pomiaru energii elektrycznej Sterownik PLC odczytuje informację o aktualnym zużyciu energii elektrycznej przez model obiektu a następnie dopisuje do niej znacznik czasu, czyli informację, kiedy dany pomiar został wykonany. Dane następnie zostają przekazane do sterownika nadrzędnego, w tym przypadku również sterownika PLC Siemens S7-1200, poprzez przemysłowy protokół komunikacyjny PROFINET. Ponieważ w modelowanym systemie zrządzania energią elektryczną może występować wiele obiektów przemysłowych (rys. 6), będących np. częścią procesu produkcyjnego, konieczne jest stosowanie znacznika czasu w celu synchronizacji pomiarów w sterowniku nadrzędnym. 4 SYSTEM ZARZĄDZANIA ENERGIĄ W systemie zarządzania jakością energii elektrycznej bada się obiekty przemysłowe pod kątem jak najlepszego jej wykorzystania [2]. Pomiary zużycia energii elektrycznej wykonuje się za pomocą dedykowanych mierników, które przesyłają informację do urządzenia akwizycji danych. Na podstawie wyników pomiarów, możliwe jest zaproponowanie działań zmniejszających zużycie energii. Działania te mogą dotyczyć wprowadzenia polityki oszczędzania dla aktualnie pracujących obiektów, np. wyłączanie silników, szczególnie dużej mocy, zamiast pozostawianie ich w stanie pracy jałowej, lub być podstawą do przeprowadzenia modernizacji. Modernizacja taka może obejmować wymianę maszyn i urządzeń na bardziej sprawne lub zainstalowanie automatyki, która pozwoli na lepsze wykorzystanie istniejących rozwiązań. Modernizacja wymaga zazwyczaj dużych nakładów finansowych, które należy uzasadnić, zaś zgromadzone dane o zużyciu energii elektrycznej przez poszczególne obiekty przemysłowe, mogą być podstawą do jej przeprowadzenia. Jak najlepsze wykorzystanie danych, czyli ograniczenie zużycia energii, wymaga jednak dużej wiedzy na temat zarządzanych systemów. Wykorzystując stanowisko dydaktyczno-badawcze można sprawdzić zaproponowane rozwiązania bez konieczności przeprowadzania kosztownych modernizacji. Pozwala ono dodatkowo na zapoznanie się z systemami jak i sposobami zwiększenia efektywności wykorzystania energii elektrycznej. Schemat blokowy stanowiska zamieszczono na rysunku 6. Składa się on z kilku obiektów przemysłowych, sterownika PLC pełniącego funkcję miernika energii elektrycznej oraz sterownika nadrzędnego, który gromadzi dane przekazywane przez sterowniki pomiarowe. Obiektami przemysłowymi systemu zarządzania energią elektryczną może być kilka takich samych modeli np. symulatory silników różnej klasy sprawności, modele innych obiektów przemysłowych, 2112

6 np. oświetlenia lub nawet fizyczne urządzenia np. falownik z silnikiem wyposażony w moduł komunikacji ze sterownikiem PLC. Rys. 6. Schemat blokowy stanowiska dydaktyczno-badawczego. Wykorzystanie sterowników PLC w stanowisku pozwala na użycie ich nie tylko do pomiarów energii elektrycznej, ale również jako elementów automatyki przemysłowej, która jest jednym ze sposobów ograniczenia zużycia energii elektrycznej. W modelu obiektu przemysłowego (LabVIEW) wprowadza się możliwość sterownia obiektem. Uwzględnia się np. czujniki wykrywające ruch w modelu oświetlenia lub czujnik ciśnienia w układzie wentylacji. W programie dla sterownika PLC wprowadza się możliwość generacji sygnałów sterujących obiektem przemysłowym. Może być to symulacja czujników ruchu. Rolą sterownika nadrzędnego jest zbieranie i archiwizacja danych o zużyciu energii elektrycznej poszczególnych obiektów przemysłowych. Dane te oprócz możliwości porównania zużycia energii różnych obiektów przemysłowych mogą być wykorzystane również do nadrzędnego sterowania obiektami, uwzględniającego porę dnia czy porę roku. 5 PORÓWNANIE ZUŻYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRZEZ SILNIKI Przykładem wykorzystania stanowiska dydaktyczno-badawczego może być porównanie zużycia energii elektrycznej przez silniki o różnej klasie sprawności. System zarządzania energią składał się z trzech rozproszonych stanowisk pomiaru energii elektrycznej (rys. 5) połączonych siecią PROFINET ze sterownikiem nadrzędnym. Każde ze stanowisk pomiarowych było modelem silnika o innej klasie sprawności ale jednakowym momencie znamionowym 71 Nm (moc znamionowa około 11 kw). Silniki były jednakowo obciążone. Przebieg momentu obciążenia pokazano na rysunku 4. Model silnika został przygotowany w taki sposób, że sekunda symulacji odpowiadała minucie pracy silnika rzeczywistego. Takie podejście przyspieszyło badania sześćdziesiąt razy. Wyniki zużycia mocy zamieszczono w tabeli 1.Silnik o większej sprawności zgodnie z oczekiwaniami zużywał mniej energii. Zgromadzone dane, oraz koszt energii elektrycznej, cena silników i stopień wykorzystania, pozwalają w dalszej kolejności wybrać rozwiązanie najbardziej opłacalne. Jest to cel wprowadzenia systemu zarządzania energią. Tab. 1. Porównanie zużycia energii elektrycznej silników różnej klasy sprawności Klasa Sprawność % Moc chwilowa kw Zużycie energii dla Zużycie energii sprawności M/M n = 1 M/M n = 0,5 M/M n = 1 M/M n = 0,5 1 cyklu kwh dla 8 godzin kwh IE1 87,6 86,1 12,36 6,26 6,20 49,63 IE2 90,0 89,1 12,10 6,10 6,06 48,48 IE3 91,4 90,4 11,95 6,03 5,99 47,

7 Znając dane silników oraz zadany przebieg obciążenia, zużycie energii elektrycznej można obliczyć analitycznie. Obliczenia są proste ze względu na okresowy przebieg momentu obciążenia i tylko dwie jego wartości. Stanowisko jest jednak przystosowane do badania nie tylko silników, ale praktycznie dowolnego obiektu przemysłowego. Pozwala uwzględnić jego dynamikę, o ile jest ona istotna z punktu widzenia zużycia energii elektrycznej. Można symulować działanie automatyki a nawet uwzględniać rozproszone źródła energii elektrycznej. W takim przypadku analityczne obliczenie zużycia energii elektrycznej komplikuje się. Główną zaletą stanowiska jest jednak to, że pozwala ono na zapoznanie się ze sposobem działania systemu zarządzania energią. WNIOSKI Systemy zarządzania energią elektryczną coraz częściej wprowadza się w zakładach przemysłowych. Istnieje więc zapotrzebowanie na pracowników znających zagadnienia zarządzania energią, którzy potrafią wykorzystać zgromadzone dane o zużyciu energii elektrycznej poszczególnych obiektów przemysłowych. Stanowisko pozwala na naukę efektywnego wykorzystania energii elektrycznej w warunkach laboratoryjnych. Stanowisko powstało z myślą o nauczaniu systemów zarządzania energią. Zintegrowano w nim wiele technologii możliwych do wykorzystania w dydaktyce. Może być wykorzystane do nauczania: programowania w środowisku LabVIEW, modelowania obiektów przemysłowych, programowania sterowników PLC, sterowania obiektami przemysłowymi, rozproszonych systemów sterownia. Uniwersalność stanowiska jest jego wielką zaletą, każdy z systemów, model, pomiary sterownikiem PLC, komunikacja w sieci PROFINET czy sterowanie może być przedmiotem procesu dydaktycznego. Wykorzystanie modelu obiektu przemysłowego pozwala również na naukę w sposób bezpieczny. Steruje się modelem a nie obiektem rzeczywistym. Jest to istotne szczególnie, gdy dopiero rozpoczyna się naukę programowania. Zaproponowane rozwiązania, komunikacja z wykorzystaniem sieci PROFINET, pomiary mocy czy analiza danych pod kątem minimalizacji zużycia energii spotyka się w dedykowanych systemach zarządzania energią. Zdobyte doświadczenie w warunkach laboratoryjnych pozwali na łatwe wykorzystanie wiedzy podczas pracy w przemyśle. Streszczenie W artykule opisano stanowisko dydaktyczno-badawcze wykorzystywane do nauczania systemu zarządzania energią. Stanowisko pozwala w warunkach laboratoryjnych symulować działanie praktycznie dowolnych procesów przemysłowych. Składa się z modelu obiektu przemysłowego, napisanego w środowisku LabVIEW, karty pomiarów i akwizycji danych NI DAQ 6008 OEM, lokalnego sterownika PLC Siemens S mierzącego energię elektryczną oraz nadrzędnego systemu akwizycji danych (sterownik PLC). Lokalny sterownik PLC wraz z modelem obiektu przemysłowego stanowią rozproszony układ pomiaru energii elektrycznej. System może zawierać kilka takich układów pomiarowych. Dane o zużyciu energii elektrycznej przesyłane są przemysłową siecią komunikacyjną PROFINET do sterownika nadrzędnego, gdzie są archiwizowane. Wprowadzenie systemu zarządzania energią ma na celu jej efektywne wykorzystanie. Przedstawione stanowisko umożliwia poznanie mechanizmów systemu zarządzania energią elektryczną w warunkach laboratoryjnych. The laboratory stand for didactic and research of power management system based on PLC Abstract In this paper the laboratory stand for didactic and research dedicated to power management system study are described. The laboratory stand allows to simulate the operation of industrial process. It consists of 2114

8 programmed in LabVIEW industrial object model, measurements and data acquisition cards NIDAQ6008OEM, local SiemensPLCS using to measure electrical energy and master data acquisition system(plc). Local PLC with a model of industrial object is a distributed measurement system for electrical energy. The power management system may contain several distributed measurement systems. Electricity consumption data are sent via industrial communications network PROFINET to the master controller, where they are archived. The goal of the use of energy management system is increased efficiency. The proposed laboratory stand allows to understand the mechanisms of power management system under laboratory conditions. BIBLIOGRAFIA 1. Figura R., Szychta L.,Estymacja sprawności silnika indukcyjnego klatkowego pracującego w zespole pompowym, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 92/ Joao M. G. Figueiredo., PLC based Structure for Management and Control of Distributed Energy Production Units, - InTech, Katalogsilników Siemens, SIMOTICS Low-Voltage Motors. Siemens AG, Polska norma, PN-EN ISO 50001: System zarządzania energią. 5. Strona internetowa grupy kapitałowej DGA S.A., dostęp r. 6. Strona internetowa systemu Sentron,SENTRON Power Manager system. dostęp r. 2115