Zarządzanie energią. Praca na kilku poziomach

Do głównych tematów, jakie poruszamy w październikowym wydaniu naszego miesięcznika należy zarządzanie produkcją i energią. Jak ten proces jest realizowany w dobie Przemysłu 4.0 i jakie zmiany związane z transformacją cyfrową w nim zachodzą?

To nie jest nowy temat, jednak w dobie Przemysłu 4.0 i transformacji cyfrowej zyskuje szerszy wymiar. Większość z nas, słysząc o zarządzaniu energią, ma już w głowie utrwalone skojarzenia. Najczęściej przychodzą nam na myśl przyrządy pomiarowe, liczniki mediów energetycznych, infrastruktura techniczna ułatwiająca komunikację przyrządów pomiarowych z koncentratorami danych oraz narzędzia informatyczne pozwalające na wizualizację danych i analizę tego, co działo się z energią w wybranych obszarach w określonym horyzoncie czasowym.

Mamy „mapę” zużycia energii, ale czy jest to pełny obraz? Niekoniecznie. Przeprowadzenie głębszej analizy może okazać się trudne. To, czego najczęściej brakuje, to kontekst produkcyjny – potrzebujemy informacji o tym, co działo się w czasie zbierania danych o energii na produkcji, czyli odpowiedzi na pytanie, na co została spożytkowana ta energia. Pojedyncze odczyty dotyczące zużycia mediów mogą mieć ograniczone znaczenie i wartość, jeśli nie będą funkcjonować w szerszym kontekście i nie pozwolą na powiązanie ze sobą także informacji z obszaru produkcji. To jeden z powodów, dla których część przedsiębiorstw traktuje zarządzanie energią jako element prac nad poprawą efektywności energetycznej. Jestem zwolennikiem takiego kierunku myślenia i działania. Znajduje on swoje odbicie także w założeniach Sytemu zarządzania energią ISO 50001.

Praca nad efektywnością energetyczną wymaga z jednej strony ciągłego przyglądania się produktowi i temu jak on powstaje, a z drugiej – stałego kontrolowania zużycia energii, która towarzyszy procesowi powstawania produktu. Skorelowane dane dają materiał wyjściowy do analiz oraz szukania metod poprawy i działań optymalizacyjnych. W takim ujęciu efektywność energetyczna przestaje być bliżej nieokreślonym pojęciem, a staje się konkretną wielkością, która ma przełożenie na rentowność, sposób wykorzystania zasobów, kulturę organizacyjną, klimat itp. Zarządzanie energią jest fragmentem większej całości. Dostępność przekrojowych informacji, łatwość ich wymiany i kojarzenia jest przejawem rosnącej cyfryzacji oraz idei Przemysłu 4.0.

Jakie wymagania stawia się dziś systemom zarządzania energią?

Jak już wspomniałem, systemy zarządzania energią ewoluują i stają się rozwiązaniami interdyscyplinarnymi. Przestają być wyłącznie narzędziami „do odczytu liczników” i bilansowania. Coraz częściej pojawia się bardziej świadome podejście i refleksja. Skoro decydujemy się inwestować w budowę infrastruktury technicznej i narzędzia związane z opomiarowaniem mediów, to może da się taką infrastrukturę łatwo rozbudować o dodatkowe pomiary okołoprodukcyjne? W rezultacie, oprócz danych o zużyciu mediów, pojawiają się w nich coraz częściej elementy opisujące proces powstawania produktu czy np. sposób korzystania z maszyny. Innym przykładem może być nadzór nad krytycznymi parametrami procesowymi – jak ciśnienie, z jakim wtryskiwane jest na maszynie tworzywo – czy śledzenie takich parametrów w miejscu powstawania produktu, np. na wtryskarce. To jest dodatkowa kontrola jakości i eliminacja np. wadliwej partii już w miejscu i momencie jej powstawania. Bubel to straty materiałowe, a jeśli trafi do klienta, to także strata wizerunkowa i koszty związane z obsługą reklamacji. Wyeliminowanie takich sytuacji to szansa na poprawę efektywności.

Na co należy zwrócić szczególną uwagę, wybierając rozwiązania do zarządzania energią?

Budowa systemu zarządzania energią – chociaż ja wolę określenie „system wspomagający pracę nad efektywnością energetyczną” – to zawsze kilka wyzwań.

Pierwszym, często spotykanym, wyzwaniem jest uporządkowanie infrastruktury związanej z mediami energetycznymi. W każdym zakładzie mamy wodę, energię elektryczną, sprężone powietrze, ciepło/chłód, ale infrastrukturę pomiarową w kluczowych punktach wytwarzania, zakupu czy odbioru już nie tak często. Dodatkową trudnością jest to, że każde ze wspomnianych mediów rządzi się swoimi prawami. Mam na myśli sprzęt i możliwość wymiany danych – interfejs fizyczny i protokół. Co więcej, ta infrastruktura często jest rozproszona. Rodzą się więc pytania: który z obszarów będzie dla nas ważny? w jakich punktach zainstalować przyrządy pomiarowe? jak najefektywniej zbierać i wymieniać dane? jakie rozwiązania mogą to uprościć?

Drugim wyzwaniem jest pozyskanie danych związanych z procesem produkcji. To m.in. informacje o planie produkcyjnym oraz wyborze wielkości, które będziemy śledzić na maszynach lub liniach produkcyjnych. W tym przypadku także należy odpowiedzieć sobie na kilka pytań – które z danych zaliczymy do krytycznych, jeśli chodzi o jakość? jak będziemy reagować na informację o błędach produkcyjnych, planowych czy nieplanowanych zatrzymaniach bądź spowolnieniu produkcji? jak możemy uprościć zbieranie i wymianę danych pomiarowych?

Trzecie wyzwanie to wybór istotnych dla całego procesu i generowanych przez maszyny danych, które będą miały w określonym punkcie produkcyjnym potencjalną wartość użytkową. Jak będziemy chcieli przetwarzać dane? Które z nich będą ważne z punktu widzenia głębszej rejestracji i dalszych analiz oraz porównań wartości historycznych z bieżącymi? W tym miejscu dochodzimy do narzędzi, które pozwolą zmienić odczyty w informacje, powiązać je ze sobą i przekuć w wiedzę.

Jakie obszary w przedsiębiorstwach i fabrykach mają największy potencjał w zakresie wdrażania efektywności energetycznej i jego efektów?

Nie chciałbym generalizować, ponieważ udzielenie precyzyjnej odpowiedzi wymaga przyjrzenia się produkcji i technologii w konkretnym zakładzie. Niemniej jednak dotychczasowe doświadczenia pokazują, że takich obszarów jest przynajmniej kilka. Pierwszy z nich dotyczy wytwarzania, dystrybucji i wykorzystywania ciepła oraz chłodu. Kolejny wiąże się z pracą agregatów sprężonego powietrza, jego dystrybucją i wykorzystaniem – jest to najdroższe medium w przedsiębiorstwie. Potencjał tkwi także w obszarach związanych z poborem i użyciem wody, rodzajem i sposobem zarządzania oświetleniem, doborem taryf i mocy zamówionej, wykorzystaniem napędów oraz unikaniem kosztów przekroczeń, jak również w sposobach korzystania z parku technologicznego i maszyn.

Obszar o największym potencjale najtrafniej mogą wskazać osoby zaangażowane w utrzymanie i rozwój potencjału technicznego danego zakładu. Coraz częściej zidentyfikowaniem takich miejsc zajmują się wyspecjalizowane firmy audytu energetycznego. Większe przedsiębiorstwa mają nawet obowiązek cyklicznego – co cztery lata – przeprowadzania audytów.

Jakie efekty w ujęciu długofalowym może przynieść przedsiębiorstwu praca nad efektywnością energetyczną?

Rosnący popyt na energię przy ograniczonych mocach wytwórczych, koszty związane z emisją CO2, konieczność utrzymania i odnawiania systemu elektroenergetycznego to jedne z wielu powodów systematycznego wzrostu cen i obciążeń. W tej sytuacji praca nad doskonaleniem wykorzystania zasobów staje się jednym z elementów budowania kultury organizacyjnej przedsiębiorstw oraz przewagi konkurencyjnej na rynku. Efektem ukierunkowanych działań jest transparentność w obszarze zużycia energii i produkcji. Interakcje w tych obszarach mogą przynieść wiele korzyści. Pierwszą z nich może być ograniczenie kosztów zakupu energii wynikające z doboru taryf, wyeliminowania kar za przekroczenia, obniżenia kosztów stałych związanych z energią, czytelnego podziału kosztów na działy w firmie itp. Do innych potencjalnych zysków należy sprawniejsze i bardziej precyzyjne kalkulowanie kosztów związanych z wytworzeniem konkretnego produktu – pracą nad marżą i oceną rentowności. Kolejne pozytywne efekty to usprawnienie reakcji na pojawiające się wymagania i aspekty prawne oraz zwiększenie bezpieczeństwa funkcjonalnego dzięki bieżącej informacji o kondycji maszyn i instalacji, szybszej identyfikacji awarii, predykcji remontów, sprawnej reorganizacji parku przy zmianie produkcji i sprawnej rekonfiguracji zasilania. Istotną zaletą będzie też poprawa efektywności wykorzystania maszyn, instalacji i kultury technicznej związanej z ich eksploatacją oraz zdobycie wiedzy o wolnych zasobach w kontekście planów rozbudowy produkcji i zwiększania zapotrzebowania na media.

Coraz więcej miejsca poświęca się obecnie rozwiązaniom Smart Grid. Jak inteligentne sieci energetyczne mogą przełożyć się na wzrost wydajności i efektywności energetycznej zakładu produkcyjnego?

To jest dobre pytanie. Idea inteligentnej sieci energetycznej zakłada zintegrowanie działań wszystkich uczestników rynku: źródeł wytwarzania energii, sieci dystrybucyjnej i odbiorców. Sprawna, ciągła wymiana danych między nimi stanie się fundamentem działania takiego systemu. Rozproszenie wytwarzania i sprawniejsze bilansowanie zapewni większą niż do tej pory niezawodność. Szczyty i minima zapotrzebowania na energię ulegną spłaszczeniu, a całość będzie działać bardziej stabilnie.

W nowoczesnych sieciach energetycznych fundamentem staje się sprawna komunikacja i wymiana danych. Oznacza to, że każdy z uczestników będzie musiał mieć zdolność wysyłania i odbierania danych o produkcji energii lub o aktualnym zapotrzebowaniu na energię. Wymaga to większej świadomości tego, co dzieje się lokalnie po stronie odbiorców, jak i producentów, ale również szerszego niż dotąd opomiarowania i gotowości zarządzania podażą i popytem na energię. W tym modelu zdolność fabryki do chwilowej redukcji zapotrzebowania na energię lub elastycznego przeniesienia zapotrzebowania na inną porę staje się pożądanym towarem, a z czasem być może koniecznością. Już teraz zainteresowane i przygotowane do tego przedsiębiorstwa mogą wykorzystywać swoje zdolności „zwinnego” redukowania zapotrzebowania na moc jako podmioty korzystające z usługi DSR (Demand Side Response). Realna gotowość do czasowego, dobrowolnego ograniczenia poboru mocy lub jego przesunięcia w czasie na żądanie operatora systemu przesyłowego (PSE SA) jest premiowana finansowo.

WAGO oferuje wiele rozwiązań z zakresu zarządzania energią. Na co kładziecie największy nacisk przy ich tworzeniu i które z nich cieszą się największym zainteresowaniem?

Punktem wyjścia są zawsze wyzwania, z jakimi mierzą się nasi klienci czy firmy partnerskie. Duże znaczenie w tworzeniu rozwiązań do zarządzania energią ma WAGO I/O System. Jest to modularny system sterownikowy oparty na jednostkach PLC, interfejsach sieciowych i ponad 450 rodzajach kart rozszerzeń. Dzięki ekstremalnej modularności możemy w jednym funkcjonalnym miejscu, blisko maszyny czy linii, uzyskać komplet interesujących nas danych. Mogą się na niego składać dane o zużytej energii elektrycznej czy cieple, parametry procesowe (temperatura, ciśnienie, przepływy, sygnały startu i stopu, zliczania wyprodukowanych jednostek produktu). Gdyby okazało się, że istnieje konieczność rozbudowy, po prostu dopinamy kolejną kartę komunikacyjną lub moduł wejść/wyjść. Już na tym etapie możemy realizować funkcje logiczne – automatyczne odłączanie, sekwencjonowanie, powiadamianie.

Jakiego rodzaju produkty i systemy do zarządzania energią notują dziś największe zainteresowanie?

Patrząc z naszej perspektywy, dużą popularnością cieszą się analizatory sieci w postaci kart I/O umożliwiające pomiar półpośredni i pośredni. Moduły zapewniają precyzyjny opis tego, co dzieje się w obwodach, do których są podłączane. Na jednym sterowniku możemy zainstalować nawet do kilkunastu modułów. Niewielkie gabaryty pozwalają na ich wpasowanie w już istniejące obwody, szafy rozdzielcze lub sterownicze. Innym rozwiązaniem są trójfazowe kompaktowe mierniki mocy – to funkcjonalność kart I/O modułów pomiaru mocy, przeniesiona do samodzielnie funkcjonujących urządzeń. Istnieje możliwość skonfigurowania urządzenia jako samodzielnego loggera danych dotyczących parametrów sieci. Zapis tworzony jest bezpośrednio na karcie SD, co ułatwia tworzenie profilu obciążeń dla konkretnych maszyn lub linii zasilających.

Dużym zainteresowaniem cieszą się również moduły komunikacyjne umożliwiające bezpośredni odczyt danych np. z ciepłomierzy, karty RS-232/485, moduły CAN swobodnie dokładane do węzła sterownikowego, które stają się elementem ułatwiającym akwizycję danych z przyrządów pomiarowych i zespołów prądotwórczych, a także cały wachlarz akcesoriów umożliwiających łatwiejsze, szybsze i bardziej bezpieczne włączanie się do sieci zasilającej.

Mówiąc o systemach, bez wątpienia warto wspomnieć o sterownikach aplikacyjnych WAGO. Są one połączeniem klasycznych sterowników PFC200 i gotowych, opracowanych przez WAGO aplikacji, konfigurowalnych przez strony www. Pozwala to uprościć realizację typowych, powtarzalnych zadań – zamiast programowania wystarczy prosta konfiguracja. Gotowe aplikacje to m.in. WAGO Lighting Management System (WLMS), WAGO Energy Data Management (EDM) i MTConnect. WAGO Lighting Management System (WLMS) służy do optymalizacji i poprawy efektywności energetycznej oświetlenia. WAGO Energy Data Management (EDM) jest uniwersalnym, wielokanałowym rejestratorem i serwerem danych w jednym, który wydajnie upraszcza akwizycję i organizację danych pomiarowych, a także wykonywanie przeliczeń, sterowanie, archiwizację i samodzielne tworzenie responsywnych dashbordów udostępnianych wprost ze sterownika. MTConnect to konfigurowalny za pomocą strony www sterownik aplikacyjny, który może w czasie rzeczywistym publikować dane z modułów wejściowych. To rozwiązanie wspomaga cyfrowe centra obróbcze, ułatwia ocenę funkcjonowania oraz poprawia efektywność poszczególnych gniazd obróbczych.

Poza komponentami do zarządzania energią, np. sterowniki, firma WAGO ELWAG oferuje też oprogramowanie parametryzacyjne. Jakie możliwości daje ono odbiorcy?

Oddajemy użytkownikom – firmom integratorskim – kilka narzędzi tego typu wspomagających ich pracę. Pierwsze z nich to Interface Configuration Software – rozwiązanie ułatwiające dobór przekładników prądowych, przeprowadzenie bilansu mocy po stronie wtórnej przekładników – w obwodzie pomiarowym – i konfigurację trójfazowych kompaktowych mierników mocy. Drugim narzędziem jest WAGO-I/O-CHECK do diagnostyki węzłów sterownikowych – wspomaga wykrywanie i konfigurację modułów specjalnych, np. pomiaru mocy, M-Bus, CAN oraz ułatwia uruchamianie instalacji. Następna propozycja to DALI Configurator, który można wykorzystać do skanowania magistrali DALI, konfiguracji masterów DALI, adresacji urządzeń, np. balastów DALI, czujników, a ponadto konfiguracji grup, scen i diagnostyki. Oferujemy też oprogramowanie inżynierskie e!COCKPIT umożliwiające konfigurację sterowników i paneli, programowanie, tworzenie wizualizacji webowej na sterowniki i panele oraz realizację komunikacji za pomocą konfiguratorów i gotowych bibliotek.

Jak się ma wdrażanie rozwiązań budujących efektywność energetyczną do rosnącej popularności chmury – czy można tu znaleźć synergię?

W uproszczeniu można powiedzieć, że komercyjna chmura jest złożoną, a więc kosztowną infrastrukturą IT. Dostawcy chmury utrzymują infrastrukturę na najwyższym poziomie technologicznym, dbając o jej bezpieczeństwo, a także o bezpieczeństwo danych oraz oferując skalowalny model wykorzystania tych zasobów. Korzystając z chmury, korzystamy więc z wynajmowanych zasobów serwerów, usług informatycznych i aplikacji. Zaletą rozwiązań chmurowych jest niewątpliwie łatwość gromadzenia i przetwarzania informacji z wielu rozproszonych pod względem geograficznym lokalizacji oraz łatwiejsza wymiana informacji między instalacjami. Użytkownik ma autoryzowany dostęp do danych i powiadomień z dowolnego miejsca na świecie.

Aby korzystać z aplikacji w chmurze, trzeba ją najpierw stworzyć, a to nie dzieje się automatycznie i wymaga nakładu pracy i środków finansowych. Nadal – jak w klasycznym układzie – potrzebne są dane pozyskiwane z infrastruktury i urządzeń. Dane te muszą być jednak bezpiecznie udostępniane na zewnątrz. Do tego najczęściej wykorzystywany jest protokół MQTT. Każdy sterownik PFC i każdy panel TP 600 WAGO jest już „IoT ready” w standardzie, czyli obsługuje MQTT. Użytkownik może w dowolnym momencie sam zdecydować, czy chce korzystać z tej funkcjonalności, by wymieniać dane z wybraną przez siebie dowolną chmurą. Jeżeli będzie chciał uprościć operację, może skorzystać z gotowego narzędzia Wago Cloud, które jest oprogramowaną przestrzenią w chmurze Microsoft Azure. Przy minimalnym nakładzie pracy, za pomocą konfiguratora, użytkownik może „podłączyć” do chmury sterownik, a następnie pozyskać, zarejestrować oraz zobrazować swoje dane i stworzyć mechanizmy powiadamiania o alarmach.

Rozwiązania chmurowe mogą funkcjonować jako jedyne narzędzie do agregacji, obróbki i analizy danych lub stanowić uzupełnienie bądź rozwinięcie istniejących już systemów. Wszystko zależy od strategii i polityki firmy.

Jak ocenia Pan polski rynek i polskie zakłady produkcyjne pod względem stopnia rozwoju wdrożeń związanych z zarządzaniem energią?

Myślenie o zarządzaniu energią i poprawie efektywności energetycznej jest obecne w większości firm, a zainteresowanie tą tematyką rośnie, o czym świadczy liczba projektów. Wśród naszych klientów i partnerów są firmy, w których systematyczne działania związane z poprawą efektywności są wpisane w strategię zrównoważonego rozwoju. Tam używanie i rozwijanie narzędzi wspomagających zarządzanie energią jest na porządku dziennym. Praktykowane jest ciągłe doskonalenie, bardzo często ujęte w ramy systemu ISO 50001. Z reguły dotyczy to większych przedsiębiorstw. Naszymi odbiorcami są także podmioty, które wcześniej z różnych względów omijały temat gospodarki energetycznej, a obecnie decydują się uporządkować ten obszar. Szukają wiedzy, sposobu i narzędzi, które pozwoliłyby im w pierwszej kolejności zrozumieć, co dzieje się z kupowaną energią, skąd biorą się przekroczenia mocy, czy jej zapas jest wystarczający, by przyłączyć kolejną maszynę itp. Zwykle zaczynają od wskazania jakiegoś obszaru krytycznego dla funkcjonowania firmy. Tam instalują narzędzia do zbierania danych, a po zakończeniu działań demontują je i przenoszą do innego obszaru. W ten sposób, krok po kroku, składają, jak z puzzli, przybliżony obraz całości. Swoimi skalowalnymi rozwiązaniami staramy się wspierać założenia i jednych, i drugich.

Mariusz Pacan

Absolwent Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej. Ma blisko 20-letnie doświadczenie w branży. W firmie WAGO ELWAG pełni funkcję menedżera ds. projektów, służąc wsparciem w realizacji planów inwestycyjnych partnerów biznesowych w zakresie systemów automatyki przemysłowej. W ramach międzynarodowego zespołu WAGO ELWAG pracującego dla branży morskiej aktywnie uczestniczy w pracach grupy nad rozwojem rozwiązań dla tego sektora przemysłu. Jest orędownikiem podejścia praktycznego, niosącego wartość dla użytkowników.

źródło: Automatyka 10/2020