Kontrola kosztów zużycia mediów – inteligentne liczniki

O tym, jakie media zużywane są w danej fabryce lub bezpośrednio na linii produkcyjnej decydują przede wszystkim realizowane procesy technologiczne i profil produkcji. Media, które są praktycznie niezbędne w każdym zakładzie, to przede wszystkim energia elektryczna, woda technologiczna, woda użytkowa, ciepło i gaz. Występują też inne media, które mogą stanowić istotne koszty dla firmy. Wszystko zależy od charakterystyki zużycia mediów, jaką cechuje się produkcja. Inne media zużywać będzie branża meblarska, inne linia montażowa w przemyśle motoryzacyjnym, a jeszcze inne huta szkła, mleczarnia, fabryka obrabiarek lub zakłady chemiczne.

Nie można jednoznacznie określić jakie media, oprócz wyżej wymienionych są głównymi mediami zużywanymi w szeroko pojętej produkcji przemysłowej. Monitoringiem w zakładzie warto objąć, jeśli oczywiście takie medium jest stosowane w produkcji, parę wodną, sprężone powietrze, próżnię, gazy technologiczne, w tym gazy wykorzystywane w procesie spawania i cięcia oraz inne specyficzne media wykorzystywane w konkretnym procesie technologicznym. Nie chodzi tu jednak o monitoring zużycia surowców produkcyjnych, który jest odrębnym, w stosunku do monitoringu mediów zagadnieniem technologiczno-produkcyjnym i innym procesem z punktu widzenia systemu zarządzania produkcją. Pod pojęciem monitoringu mediów bardzo często kryje się również kontrola ilości odprowadzanych ścieków i ilości emitowanych gazów, w tym CO2.

Czym powinien być monitoring mediów

Najczęściej pod pojęciem monitoringu mediów rozumie się kontrolę ilości zużywanych czynników niezbędnych w produkcji, które nie są surowcami. W najprostszym wypadku jest to ręczna lub zdalna kontrola wskazań zamontowanych w zakładzie liczników mierzących zużycie energii elektrycznej, gazu, wody, ciepła itp. W nowoczesnych systemach monitoringu mediów proces odczytu wskazań realizowany jest automatycznie w ściśle określonych odstępach czasu, lub coraz częściej polega na odczycie ciągłym w czasie rzeczywistym. Coraz bardziej istotna jest również kontrola jakości otrzymywanych mediów, a także kontrola podziału zużytych mediów na zakład, linię produkcyjną i pojedynczy produkt.

Systemy monitoringu pozwalają nie tylko zoptymalizować zużycia mediów, ale również obniżyć koszty przez aktywne zarządzanie dostarczanymi mediami. Nie ma sensu dostarczać np. sprężonego powietrza na linię produkcyjną, która w danej chwili nie jest aktywna. Aktywny, automatyczny system monitoringu pozwala na natychmiastowe wykrywanie awarii i sytuacji niestandardowych. Znając miejsce i przyczynę awarii służby utrzymania ruchu mogą zareagować od razu. Do zalet systemów monitorowania mediów zaliczyć również należy możliwość dostosowywania na bieżąco odpowiedniej taryfy do potrzeb produkcyjnych. Łącząc system monitoringu mediów z firmowym systemem IT, zarząd firmy ma bezpośredni wgląd w informacje o obecnym i przewidywanym zużyciu mediów i o tym, jaką składową ogólnych kosztów produkcji są koszty mediów.

Współczesne systemy monitorowania i optymalizacji zużycia mediów bazują na sprawdzonych rozwiązaniach informatycznych stosowanych w przemyśle oraz na zintegrowanej z systemem IT zakładowej sieci czujników i liczników monitorujących bezpośrednio paramenty i zużycie mediów. Zaletą takiego środowiska jest jego skalowalność oraz funkcjonalność. W systemie monitorowania mediów wykorzystywane są zarówno podstawowe funkcje, takie jak sygnalizacja, potwierdzanie wystąpienia zdarzenia, archiwizacja komunikatów oraz mierzonych wartości, w tym ich wizualizacja. Bardziej zaawansowane i rozbudowane narzędzia pozwalają na stworzenie inteligentnego systemu zarządzania mediami, m.in. optymalizacji planu taryfowego do przewidywanej produkcji. Konieczna jest też analiza, interpretacja i dystrybucja aktualnych danych procesowych, które mogą być przekazywane do systemu zarządzania produkcją, systemu ERP czy systemu analizującego duże ilości danych – Big Data. Całość systemu powinna być dostępna nie tylko z poziomu oprogramowania, ale również przez przeglądarkę WWW, co daje wgląd do zużycia mediów szerszemu gronu pracowników, a nie tylko służbom utrzymania ruchu.

Możliwość analizy w czasie rzeczywistym wskazań liczników mediów pozwala na bieżąco prowadzić następujące operacje:

• prognozowanie zużycia mediów,
• analizę ekonomiczną,
• kontrolę kosztów on-line,
• wykrywanie przekroczeń zamówionych ilości energii,
• generowanie na bieżąco raportów ułatwiających analizę zebranych danych,
• wyświetlanie wartości chwilowych,
• wizualizację wyników pomiarów na wykresach.

Największą zaletą wdrożenia systemu monitoringu w firmie jest możliwość łączenia danych o zużyciu mediów z danymi produkcyjnymi, co pozwala optymalnie wykorzystać zasoby produkcyjne przedsiębiorstwa. Co więcej, możliwość koordynacji zużycia i zapotrzebowania na media prowadzi nie tylko do optymalizacji produkcji, ale również do zminimalizowania ilości odpadów i poprawy efektywności wykorzystania źródeł energii oraz innych mediów. Zarząd ma też wgląd do informacji o kosztach energii i innych mediów w końcowym produkcie i wiarygodne dane do ewentualnych sporów roszczeniowych z dostawcami mediów. Dzięki systemowi monitoringu może sprawnie nadzorować wykorzystanie przyznanych limitów, np. związanych z emisją CO2 lub z ilością odprowadzanych ścieków.

Automatyzacja pomiarów

System monitoringu mediów nie będzie prawidłowo funkcjonował bez możliwości prowadzenia automatycznych pomiarów. W przypadku medium dostarczanego bezpośrednio od dostawcy (np. energii elektrycznej, gazu czy wody), wskazane jest stosowanie inteligentnych systemów pomiarowych (smart metering), bazujących na inteligentnych licznikach. Tego typu licznik powinien umożliwiać dwukierunkowąkomunikację między odbiorcą medium a jej dostawcą. Innymi słowy, rozwiązanie powinno zapewniać nie tylko dokładny pomiar zużycia mediów, ale również powinno być wyposażone w zintegrowany system transmisji danych oraz system składowania i przetwarzania informacji dostosowany do ilości danych przetwarzanych i zbieranych przez licznik.

Do niedawna pomiar zużycia mediów wymagał bezpośredniego odczytu wskazań licznika pomiarowego przez obsługę lub, w przypadku rozliczania się z dostawcą mediów, inkasenta. Największą wadą tej metody odczytu wskazań jest bardzo niska częstotliwość pozyskiwania pomiarów – na przykład kilka razy dziennie, lub w wypadku rozliczeń z dostawcą, raz na miesiąc a nawet rzadziej. Obecnie w przypadku prądu, ciepła i wody coraz częściej stosowane są liczniki elektroniczne wyposażone w transmitery radiowe. Osoba zbierająca odczyty nie musi mieć bezpośredniego dostępu do urządzeń pomiarowych, co w znaczny sposób ułatwia jej pracę i daje możliwość dokonywać pomiarów znacznie częściej, np. co godzinę. Jest to jednak rozwiązanie, które cały czas w proces odczytu angażuje człowieka.

Naturalnym rozwinięciem tej metody odczytu liczników mediów są systemy AMR (Automatic Meter Reading), które pozwalają na w pełni automatyczne zbieranie danych dotyczących zużycia mediów, nawet w wypadku rozproszonych odbiorców i różnych rodzajów odbieranych mediów. W tym wypadku dane gromadzone są we wspólnej bazie, skąd trafiają do systemu monitoringu mediów. Innymi słowy, dane z liczników przenoszone są ze ściśle określoną częstotliwością do tzw. koncentratorów lub minikoncentratorów danych (np. odpowiednio ModemTec MT44D i MT14), które tworzą stopień pośredni między miejscem poboru a systemem centralnym, gdzie trafiają przez sieć Ethernet lub, w wypadku urządzeń oddalonych przez sieć Wi-Fi lub sieć telefonii komórkowej.

Koncentrator lub minikoncentrator danych to urządzenie komunikacyjne służące do gromadzenia danych z liczników (np. energii elektrycznej, wody, gazu czy ciepła) i przesyłające je w ściśle określonych odstępach czasu do systemu monitoringu mediów. Co ważne, umożliwia ono komunikację z licznikami za pomocą różnych interfejsów, np. M-Bus. Innymi słowy, koncentrator danych gromadzi wszystkie dane z punktów końcowych, zapisuje je do wewnętrznej pamięci i przesyła do systemu nadrzędnego. Koncentrator zazwyczaj pozwala na parametryzację podrzędnych urządzeń. Różnica między koncentratorem a minikoncentratorem sprowadza się do tego, że ten pierwszy wyposażony jest w ekran pozwalający personelowi na miejscu na bezpośredni wgląd do zgromadzonych danych, a także na ich analizę wprost w koncentratorze. W przypadku minikoncentratorów wgląd i analiza danych możliwa jest dopiero po ich przesłaniu do systemu monitoringu mediów.

Koncentratory i minikoncentratory komunikują się z licznikami za pomocą przewodowego połączenia szeregowego w standardzie RS-485, RS-232 bądź USB, standardowej transmisji danych M-Bus (Meter Bus) lub bezprzewodowej transmisji Wireless M-Bus (wykorzystując fale radiowe o częstotliwości 868 MHz). Są to standardowe metody komunikacji ze stosowanymi w przemyśle licznikami mediów. Oprócz tego obsługiwane są liczniki w standardzie PRIME/DLMS, które stosowane są m.in. przez dostawców energii elektrycznej.

Zaletami takiego systemu są niskie koszty instalacji i eksploatacji. Wynikają one przede wszystkim z jednolitego pod względem komunikacyjnym rozwiązania sprzętowego i programowego stosowanego w punktach pozyskiwania danych oraz ze wspólnego, centralnego systemu monitoringu mediów. Rozwinięciem systemów AMR są systemy AMM (Automated Meter Management). Jest to rozwiązanie polegające na rozszerzeniu systemu zbierania danych o komunikację dwukierunkową z urządzeniami pomiarowymi.

Inteligentny system sterujący pomiarami

Bardzo często do określania nowoczesnych, automatycznych systemów pomiarowych korzysta się z terminu inteligentny system pomiarowy, który określany jest skrótem AMI (Advanced Metering Infrastructure). System taki, poza dwukierunkową komunikacją z urządzeniami pomiarowymi realizuje również szereg innych zadań, takich jak: odczyt danych na żądanie, kontrola jakości dostaw, sterowanie obciążeniem, zdalne wyłączanie i załączanie odbiorcy, zdalne programowanie liczników, wsparcie w wykrywaniu kradzieży mediów, co ma znaczenie dla dostawców, itd. Centralną częścią systemu AMI jest system zarządzania pomiarami, który określany jest terminem MDM (Meter Data Management) lub MDMS (Meter Data Management System).

Inteligentny system pomiarowy zawiera cztery warstwy funkcjonalne: sprzętową (pomiarową), komunikacji z licznikami, rejestracji pomiarów i zarządzania pomiarami. W warstwie sprzętowej występują liczniki pomiarowe wyposażone w moduły komunikacyjne z zaimplementowanym odpowiednim protokołem. W warstwie komunikacyjnej realizowana jest dwukierunkowa komunikacja między urządzeniami pomiarowymi a koncentratorami danych. System odczytowy działający w warstwie rejestracji pomiarów z jednej strony współpracuje z koncentratorami danych, a z drugiej zapewnia komunikację z systemem zarządzania pomiarami MDM. System MDM odpowiedzialny jest wówczas za komunikację i wymianę danych z informatycznym systemem monitoringu mediów. Istotną zaletą takiej architektury jest udostępnienie personelu odpowiedzialnemu za zarządzanie mediami bezpośredniego wglądu do zbieranych danych lub za pośrednictwem sieci z poziomu przeglądarki WWW. Można powiedzieć, że podstawowym elementem tak zdefiniowanego systemu MDM jest koncentrator danych wzbogacony o serwer WWW pozwalający nawiązać z nim połączenie z dowolnego komputera znajdującego się na terenie zakładu.

Inteligentne liczniki

Nie można skonstruować nowoczesnego systemu monitoringu mediów bez inteligentnych liczników, które należą do grupy sprzętu klasyfikowanego jako inteligentne urządzenia pomiarowe. W liczniku takim, układ sterujący jest elementem programowanym. Najczęściej jest to jeden z modeli procesorów stosowanych w mikrokontrolerach i sterownikach PLC. W podłączonej do niego pamięci można również przechowywać i wstępnie przetwarzać dane pomiarowe, a także organizować transmisję. Interfejs pozwala również na zdalny dostęp do urządzenia pomiarowego i służy do odczytu wyników pomiarów, ale umożliwia też aktualizację oprogramowania urządzenia, zmiany charakterystyki pomiarów, wybór algorytmu działania, zmiany nastaw itp.

Najbardziej popularnym przykładem inteligentnych liczników są liczniki energii elektrycznej stosowane przez dostawców prądu. Realizują one znacznie bardziej dokładne pomiary pobieranej przez odbiorcę energii oraz umożliwiają bieżące śledzenie jej zużycia i monitorowanie związanych z tym kosztów. Licznik taki wyposażony jest w mikrokontroler, przetworniki A/C i C/A, czujniki do pomiaru prądu i napięcia, zasilanie rezerwowe (akumulator lub bateria) oraz moduł do komunikacji bezprzewodowej (najczęściej w psśmie 868 MHz). Oczywiście, to mikroprocesor sprawia, że całe urządzenie nazwać można inteligentnym. Dzięki niemu na wyświetlaczu można zaprezentować informacje o całkowitym zużyciu energii, kosztach, bieżącym zapotrzebowaniu na energię, przekazać alarmy o uszkodzeniach sieci, wyświetlić charakterystykę obciążenia przez poszczególne urządzenia itp.

Warto wspomnieć o tym, że większość inteligentnych liczników energii elektrycznej umożliwia natychmiastowe zgłoszenie alarmu operatorowi w przypadku wykrycia próby naruszenia integralności urządzenia lub stwierdzenia, że dokonano kradzieży energii. Mierniki energii elektrycznej udostępniają szereg mechanizmów pozwalających wykryć próby oszustwa, np.: zdjęcie pokrywy listwy, próby zdjęcia licznika lub jego przechylenia, próby nieautoryzowanego dostępu, czy zastosowania magnesów neodymowych do zafałszowania wskazań. Interesującą metodą zapobiegania nadużyciom jest, w wypadku instalacji jednofazowej, wyposażenie miernika w dwa czujniki prądu. Jeden z nich jest odpowiedzialny za pomiar prądu w przewodzie fazowym, a drugi w neutralnym. Sprawdzana jest wówczas różnica między prądem wpływającym do obciążenia, a wypływającym.

Liczniki wody

Ciekawym przykładem inteligentnych liczników są liczniki wody, gazu lub innych przepływających w rurociągach czy przewodach rurowych mediów. Chodzi tu przede wszystkim o gazy technologiczne, gazy osłonowe stosowane przy spawaniu, płynne chemikalia, sprężone powietrze, ścieki lub gazy wylotowe. Większość liczników do tego typu zastosowań to urządzenia mechaniczne. Spotkać się tutaj można przede wszystkim z licznikami wirnikowymi, skrzydełkowymi lub turbinowymi oraz w wypadku większych przepływów, ze śrubowymi bądź objętościowymi (tłokowo-obrotowymi).

We wszystkich tych rozwiązaniach ruch medium w przewodach rurowych napędza wirnik, śrubę lub tłok obrotowy. Obroty części pomiarowej przenoszone są przez mechaniczną przekładnię (kółka zębate) do mechanicznego licznika, który wyskalowany jest w jednostkach przepływu. Urządzenia tego typu dzieli się na mokrobieżne, w których mechanizm liczydła zanurzony jest w mierzonym, ciekłym medium lub w cieczy separującej (najczęściej glicerynie), oraz na suchobieżne. W tym ostatnim wypadku licznik mechaniczny oddzielony jest od mierzonego medium, a napęd od wirnika z turbinką przenoszony jest do mechanizmu licznika, najczęściej za pomocą sprzęgła magnetycznego. Liczniki mediów wytwarzane są w dwóch wersjach – jednostrumieniowej lub wielostrumieniowe. W pierwszym wypadku medium dopływa do licznika jednym, zwartym strumieniem, w drugim przypadku kilkoma strumieniami rozmieszczonymi symetrycznie wokół wirnika. Warto zwrócić uwagę na fakt, że liczniki wielostrumieniowe są dokładniejsze.

Inteligentne systemy pomiarowe a także systemy zdalnych odczytów wymagają na wyjściu urządzenia sygnału elektrycznego. Nowoczesne mechaniczne przepływomierze, w tym wodomierze przystosowane są do montażu przystawek elektronicznych lub coraz częściej element ten stanowi integralny moduł konstrukcyjny przepływomierza. Ruch obrotowy elementów licznika, który jest proporcjonalny do mierzonego przepływu, zamieniany jest na ciąg impulsów elektrycznych, które zliczane są przez układ mikroprocesorowy. Do zamiany ruchu magnetycznego na impulsy elektryczne wykorzystywane są układy magnetyczne, indukcyjnych albo optoelektroniczne. Ze względu na możliwość oszustwa za pomocą magnesu lub zakłócenia pracy licznika w zanieczyszczonym pod względem elektromagnetycznym środowisku, producenci wycofują się z prostych rozwiązań magnetycznych. W nowszych konstrukcjach liczników rozpoznawany jest również kierunek przepływu medium, co umożliwia kompensowanie przepływu wstecznego i w rezultacie zapewnia zgodność pomiaru elektronicznego z licznikiem mechanicznym.

Moduły elektroniczne stosowane w licznikach przepływu, wyposażone są zazwyczaj w wyjścia jednego z czterech typów:

• impulsowe,
• RS-232/RS-485/USB,
• M-Bus,
• radiowe.

Najczęściej stosuje się tu wyjścia impulsowe, które łatwo można dostosować do każdego systemu pomiarowego automatyki przemysłowej. Wymaga to jednak zastosowania zewnętrznego układu przetwarzania, który zapamięta i przekonwertuje wyniki pomiarów do postaci akceptowanej przez system zbierania danych pomiarowych. Właśnie dlatego w inteligentnych systemach pomiarowych stosuje się jednak rozwiązania z interfejsem szeregowym RS-232, RS-485 lub USB, które pozwalają na bezpośrednią komunikację z koncentratorem gromadzącym dane.

Tego typu przepływomierze wyposażane są w moduły komunikacyjne z magistralą asynchroniczną M-Bus pozwalającą na pakietową wymianę danych, lub jej wersję bezprzewodową. Inteligentne moduły komunikacyjne stosowane w przepływomierzach, dzięki zastosowaniu mikroprocesora, umożliwiają również przetwarzanie i archiwizowanie wyników pomiarów. Moduł zarządzający transmisją ma dostęp do bieżących danych pomiarowych, jak i archiwizowanych informacji, które dodatkowo zaopatrzone są w sygnaturę czasową oraz szereg danych serwisowych, takich jak: numer seryjny urządzenia pomiarowego, informację o legalizacji, alarmach itp.

Większość stosowanych w przemyśle przepływomierzy to klasyczne mechaniczne urządzenia z dodaną funkcją zdalnego odczytu. Uzupełnia ona tradycyjny mechanizm pomiarowy o zewnętrzną przystawkę elektroniczną, która rejestruje obroty jednego z elementów liczydła oraz wykonuje niezbędne operacje przetwarzania danych pomiarowych, pozwalające na ich przesłanie przez moduł komunikacyjny. Utrudnia to implementację przepływomierza w systemie monitoringu mediów

Na rynku dostępne są również w pełni elektroniczne, pozbawione elementów mechanicznych przepływomierze wykorzystujące ultradźwiękową metodę pomiaru prędkości cieczy. Są to urządzenia pomiarowe o zwiększonej niezawodności, zintegrowane fabrycznie z modułem mikrokontrolera i z modułem komunikacyjnym, przewodowym lub bezprzewodowym. Co ciekawe, większość dostępnych na rynku modeli, np. polskiej konstrukcji wodomierz ultradźwiękowy Ultrimis W, zapewnia na jednym komplecie baterii kilkunastoletni okres pracy, dzięki czemu doskonale nadają się do pracy w miejscach, w których utrudniony jest odczyt. W wypadku wspomnianego modelu Ultrimis W, czas nieprzerwanej pracy na jednym komplecie baterii szacowany jest na 16 lat pracy, a w wersji bezprzewodowej na 12 lat.

ATEX

Warto również wspomnieć o inteligentnych systemach pomiarowych, które mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem. Tego typu inteligentnych urządzeń nie ma obecnie zbyt wiele na rynku. Wymienić tu można m.in. liczniki przepływu HIT-4U, dostępne również w wykonaniu Ex, przepływomierz gazu Cyble Sensor ATEX oraz miernik przepływu ST75 firmy Fluid Components. Mierników mocy w wykonaniu ATEX praktycznie nie spotyka się na rynku, poza specyficznymi systemami dla górnictwa, co wynika z faktu, że urządzenia te można bez problemu umieścić poza strefą zagrożoną wybuchem.

Podsumowanie

Inteligentny monitoring mediów i inteligentne liczniki są coraz szerzej i chętniej stosowane w przemyśle. Dodatkowo zachęcają do ich stosowania unijne przepisy, które wymagają zastąpienia do 2020 r. wszystkich mierników zużycia energii elektrycznej ich inteligentnymi wersjami, a także wymuszają na firmach zmniejszenie zużycia surowców energetyczny (m.in. gazu) i wszystkich, kluczowych dla ochrony środowiska mediów (woda). Od zautomatyzowanych systemów pomiarowych nie ma więc ucieczki, a im szybciej w firmie wprowadzone zostaną automatyczne systemy monitoringu mediów i inteligentne, pozwalające na zdalny odczyt liczniki, tym szybciej firma może poczynić oszczędności związane z optymalnym wykorzystaniem wszystkich mediów niezbędnych w produkcji.

*Tabele produktów dostępne są w wersji drukowanej czasopisma Automatyka oraz w wersji PDF

source: Automatyka 7-8/2017