Vyberte svou polohu

Věci, na kterých záleží, díky nám fungují.

Realizujte řízení čerpadel pro vodárny splňující požadavky budoucnosti pomocí řídicího relé easyE4

Dodávky vody řízené pomocí relé easyE4

Automatizační úlohy ve vodárnách nepochybně patří mezi ty komplexnější. Proto byly vodárny v minulosti automatizovány malými nebo středně velkými PLC systémy. Společnost Eaton požádala autora učebnic a odborníka na automatizaci, Ulricha Kanngießera, aby prozkoumal tuto aplikaci. 

Výzva: Jednoduché ovládání čerpadla 

Proces automatizace čerpadel ve vodárnách klade značné nároky na měřicí a ovládací technologie. Výrobci systémů dnes obvykle implementují komplexní automatizační koncepty založené na PLC. To vyžaduje rozsáhlé odborné znalosti a dokonalé porozumění složitým programovacím jazykům specifickým pro PLC. Hlavním cílem je nákladově efektivní vybudování vhodného zařízení, jeho bezproblémový a bezporuchový provoz, dlouhodobý servis a možnost zařízení postupně rozšiřovat a udržovat. V současnosti však výrobci i provozovatelé systémů stále více delegují údržbu implementovaných zařízení na místní elektromontážní firmy. To zkracuje dobu odezvy a uvolňuje kapacity pro výrobce systémů. Potenciálními překážkami však v tomto bodě jsou vysoce komplexní automatizační koncepty založené na PLC: Odborné znalosti potřebné k jejich ovládání a údržbě omezují výběr vhodných místních elektromontážních firem.

eaton-application-easyE4-touch-panel-XV102
Variabilní koncept automatizace s řídicím relé easyE4, vizualizace pomocí dotykového displeje XV102

Flexibilní a decentralizovaný koncept automatizace 

Alternativou k automatizaci ovládání čerpadla pomocí PLC je použití řídicích relé, jako je easyE4 od společnosti Eaton. Takový koncept automatizace splňuje základní požadavky na ovládání čerpadla: Nepřetržitá a dlouhodobá dostupnost zařízení a jeho instalací. Flexibilní a decentralizovaný koncept může být navíc implementován nebo spravován místní elektromontážní firmou. 

Modelová aplikace se třemi čerpadly dodávajícími vodu 

Pro ilustraci proveditelnosti takového konceptu ovládání byla vyvinuta automatizovaná modelová aplikace pomocí easyE4. 

  • Model se skládá z vodovodního systému se třemi čerpadly, která plní několik nadzemních nádrží z jednoho zdroje. 
  • Protože jsou nadzemní nádrže instalovány v různých výškách, ventily u jednotlivých zásobníků zabraňují vyprazdňování zásobníků umístěných výše do zásobníků pod nimi. Kromě toho je nutné zajistit, aby alespoň jeden ventil u nadzemní nádrže byl před spuštěním čerpadla zcela otevřený. 
  • Kromě toho by čerpadlo mělo být spuštěno v optimální chvíli  – když při otevření jednoho nebo více ventilů dojde k vyrovnání hydrostatického tlaku v trubkách. 
  • Modelová aplikace předpokládá, že komplexní senzorický systém měří jmenovitý průtok, jeho rychlost a úroveň hladin v zásobnících. 
eaton-visualization-overview
Přehledná vizualizace čerpadel vodárny

Zařízení by mělo být dále optimalizováno z hlediska řízení spotřeby energie. Za tímto účelem by se čerpadla měla primárně zapínat pouze v době nízkých energetických tarifů. Současně by v režimu čerpání neměl být překročen limit pro spotřebu elektrické energie. A konečně musí být nadzemní nádrže vždy dostatečně naplněny. 

Kvůli nutnosti splnění těchto protichůdných požadavků byly pro modelovou aplikaci vyvinuty speciální uživatelské funkční bloky. Protože tyto bloky obsahují znalosti odborníků založené na reálných scénářích, jsou chráněny heslem, které brání přístupu třetích stran k uloženým parametrům. Možnost vyvíjet uživatelské funkční bloky pomocí výkonného programovacího jazyka ve strukturovaném textu (ST) znamená, že implementace složitých funkcí je v případě easyE4 jednoduchá.

V modelové aplikaci se však plně využívají možnosti moderních komponent automatizace: Řadu parametrů z frekvenčního měniče Eaton DG1 a řídicího relé easyE4 lze přenášet, vyhodnocovat a "zaznamenávat" prostřednictvím sítě Modbus TCP. Problémy při spouštění, nárůst elektrického příkonu při souběhu čerpadel nebo asymetrické hodnoty napětí, proudu, kosinu φ atd. jsou detekovány velmi brzy. Což vede k budoucím požadavkům na údržbu nebo servis. Díky tomu je možná prediktivní údržba.

Rychlé programování uživatelských funkčních bloků 

Pro účely tohoto projektu bylo paralelně použito programování v jazycích liniového schématu (LD), funkčních bloků (FBD) a strukturovaného textu (ST). Možnost vytvářet vlastní podprogramy v těchto jazycích podporuje celkový "modulární" koncept. Strukturovaný text (ST) poskytuje těmto samostatně napsaným uživatelským funkčním blokům možnosti podobné těm, které mají "předefinované funkční bloky" v easySoft 7. To mimo jiné umožňuje uživateli vytvořit řídicí systém vodárny přímo v easyE4 pomocí vlastních, chráněných funkčních bloků určených pro řízení čerpadel, sledování provozu a speciálních modulů pro vyrovnání naměřených hodnot. V modelové aplikaci lze celý koncept implementovat pomocí příslušných modulů, včetně řízení čerpadla a ventilu pomocí odpovídajících monitorovacích funkcí. 

eaton-easyE4-UF01
Uživatelský funkční blok - ventil
eaton-easyE4-UF02.jpg
Uživatelská funkce pro řízení blokového čerpadla TYP1
eaton-easyE4-UF02.jpg
Uživatelské funkční bloky: Ovládání jednoho čerpadla

Detekce stavu ventilu 

Ventily, které umožňují přívod vody a zabraňují nežádoucímu zpětnému odtoku, jsou dalším důležitým prvkem v nadzemních nádržích. Tyto ventily musí fungovat spolehlivě a jejich stav „otevřeno“ nebo „zavřeno“ musí být správně zaznamenán a přenesen do řídicího systému čerpadla. To se provádí zaznamenáním doby běhu, která je založena na době potřebné k otevření nebo uzavření ventilu, a monitorováním správné sekvence signálů. Kromě toho je detekována změna stavu, i když není elektrický měnič v provozu. To znamená, že funkční blok "ventil" také detekuje, když je ventil ovládán manuálně. Signalizace je připojena tak, že je detekováno možné přerušení vodiče, přehození vodičů nebo zkrat v připojení senzoru. Měření spotřeby proudu a doby běhu pohonu ventilu rovněž upozorňuje na mechanické problémy v zařízení nebo poruchy, které vznikají při kalibraci systému senzorů.  

Řízení čerpadla pomocí více parametrů 

Pro zajištění vysoké úrovně dostupnosti jsou vodárny obvykle vybaveny několika čerpadly, která společně překračují požadovanou rychlost dodávky. To umožňuje, aby jedno nebo více čerpadel bylo vždy rezervní pro případ, že by jiné čerpadlo vyžadovalo servis nebo výměnu. V minulosti sloužilo řízení čerpadel pouze k zaznamenávání doby běhu každého jednotlivého čerpadla a k uvedení do provozu čerpadla s nejnižší dobou běhu, kdykoli bylo nutné naplnit nádrž. Čerpadlo bylo vyměněno/odesláno na údržbu, jakmile bylo dosaženo konkrétní přednastavené doby běhu čerpadla. 

eaton-water-supply-with-easyE4-fig-3

Propojené sítě umožňují decentralizaci. K síti easyNet se může připojit až 8 klientů

 

Komplexní síť s mnoha možnostmi 

Nový koncept ovládání vyvinutý pro modelovou aplikaci je založen na řídicím relé easyE4 společnosti Eaton. Díky výkonu komunikačních sítí Modbus TCP a easyNet a rozsáhlým možnostem rozšíření vstupů/výstupů lze řídicí relé easyE4 použít také v projektech, které by jinak vyžadovaly PLC. Výhodou je, že i přes široké možnosti aplikace může být uvedení do provozu provedeno bez asistence softwarových specialistů. Díky škálovatelným konceptům vizualizace je také možné přizpůsobit provozní úroveň zařízení aktuálním požadavkům. Možnosti se pohybují od nákladově efektivního dotykového panelu až po vysoce výkonný vícedotykový displej s ovládací jednotkou. 

Rozšiřitelný počet vstupů/výstupů 

Řízení systému čerpadel, nezbytnou konfiguraci parametrů a nastavení analogových vstupů/výstupů lze provést pomocí grafických programovacích jazyků liniového schématu (LD) nebo funkčních bloků (FBD). EasyE4 jen vzácně dosahuje svých limitů i při řízení větších zařízení  – lze připojit až 11 místních rozšíření, z nichž každé může mít digitální nebo analogové vstupy/výstupy. Současně až osm řídicích systémů easyE4, které byly tímto způsobem rozšířeny, si může transparentně vyměňovat data přes easyNet. Zejména tato vlastnost umožnila modelové aplikaci místní připojení senzorů a akčních členů, takže jich je všude dostatečný počet. 

Informace o nadcházející údržbě získané protokolováním dat 

Zaznamenávání naměřených hodnot a provozních dat ovládaného zařízení může včas upozornit na nutnost provedení servisu nebo údržby. Jedním z kritických prvků systémů zpracovávajících sladkou nebo odpadní vodu jsou čerpadla a ventily. Kromě provozních hodin mohou na nutnost provedení údržby upozornit aktuální naměřené údaje z čerpadel, doba potřebná k otevření a zavření ventilů a jejich změny. Zásahy obsluhy a změny nastavení parametrů lze také zaznamenat do záznamníku dat. Data lze zaznamenat v jakémkoliv easyE4. Za tímto účelem je k dispozici funkční blok (DL01), který je třeba pouze parametrizovat. "Zaznamenaná" data mohou být načtena pomocí softwaru "easySoft 7" a analyzována v Excelu nebo přenesena do řídicího systému. 

eaton-easyE4-visualization-IE-browser
easyE4 – vizualizace v internetovém prohlížeči
eaton-easyE4-Visualization-easySoft7
easyE4 – vizualizace v easySoft 7

Možnost decentralizované vizualizace 

Vizualizace vodárenského systému je realizována nejen uvnitř řídicího systému, ale také na místě instalace, přímo u čerpadel, frekvenčních měničů, monitorovacích zařízení, akčních členů a senzorů. Možnosti jsou rozmanité a škálovatelné, od jednoduchého LED displeje, přes integrovaný displej easyE4, až po nákladově efektivní dotykový panel řady easyE4. Také vícedotykové displeje lze snadno integrovat do větších systémů. Stisknutím tlačítka lze zobrazit data příslušného frekvenčního měniče čerpadla společně s jmenovitým průtokem zaznamenaným na měřicích přístrojích, a stavem nebo úrovní naplnění připojených nadzemních nádrží. To lze provést v digitální podobě v závislosti na zařízení, barevně s pomocí grafických prvků, jako jsou sloupcové grafy, ukazatele nebo čárové grafy.

Starterset easyE4 with XV100

Výsledek: 

Přínosy pro všechny účastníky projektu 

Koncept vyvinutý pro modelovou aplikaci založenou na easyE4 nabízí výhody pro všechny strany zapojené do plánování a provozu vodovodního systému: Modularita poskytuje strojírenským firmám solidní základ pro výběrová řízení, společnosti zabývající se instalací mohou díky decentralizovanému konceptu snížit náklady na kabeláž a časy realizace se zkrátí díky souběžné modulární instalaci a uvedení do provozu. Díky jednoduchému nastavení a snadnému programování a parametrizaci řídicích relé easyE4 mohou místní elektromontážní společnosti bez problémů provádět údržbu a následné rozšíření. Tak je konečně zajištěna dlouhodobá flexibilita a dostupnost zařízení pro investora a provozovatele. 

Situace: 

Modelová aplikace byla vyvinuta pro společnost Eaton Ulrichem Kanngießerem. Ulrich Kanngießer je nezávislý autor technických publikací a pořadatel seminářů. Ve své práci se zaměřuje na automatizaci již více než 30 let. Má bohaté zkušenosti s poskytováním konzultací, programováním a uváděním do provozu. Publikoval řadu odborných článků (včetně těch na téma dodávky a údržba vody) a u různých výrobců uspořádal workshopy pro různé řídicí systémy.