Aktuální vydání

celé číslo

10

2016

Strategie migrace řídicích a informačních systémů, distribuované řídicí systémy

Snímače průtoku a regulační ventily

celé číslo
Nastane s příchodem Industry 4.0 změna klasického vertikálního pojetí PLC + HMI/SCADA + MIS/MES?

Základem HMI je soubor běžných provozních dat (spojité nebo stavové hodnoty fyzikálních veličin a jiné údaje o řízeném procesu), získaný z prostředí programovatelného automatu a poskytující obraz stavu technologického procesu. Nad touto množinou, obvykle databázového charakteru, jsou podle charakteru sledované výroby implementovány především vizualizační funkce, které jsou určeny ke sledování a ovládání technologie. Rozsáhlejší systémy HMI disponují prostředky pro recepturní řízení, historickými archivy s omezeným rozsahem a různými kalkulačními a jednoduššími reportovacími funkcemi, jejichž cílem je poskytovat podklady pro manažerská rozhodnutí řídicího personálu výroby.

Plováčkové průtokoměry – průtokoměry s proměnlivým průřezem

Plováčkový průtokoměr se poměrně často používá k měření objemového průtoku plynů nebo kapalin jak při laboratorním, tak při provozním měření. Jde o jednoduché a spolehlivé měřidlo, které může poskytovat výstupní údaj i bez dodávání pomocné energie. Tento článek, který doprovází přehled trhu plováčkových průtokoměrů, popisuje funkční princip měřidla, jeho základní vlastnosti, přednosti a nedostatky i možnosti využití. Zmíněna je historie měřidla a diskutováno je i pojmenování tohoto průtokoměru. Princip funkcePlováčkové průtokoměry patří do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem [3], u nichž se s měnícím se průtokem mění průtočná plocha při přibližně stálém tlakovém spádu na zúženém průřezu. Na obr. 1 jsou znázorněny základní typy měřidel s proměnlivým průřezem. Na obr. 1a je plováčkový průtokoměr, který je tvořen kónickou trubicí, v níž je umístěn plováček, který tekutina nadnáší při proudění směrem vzhůru. U dalších typů je použita válcová trubice a v ní je umístěn buď vedený kuželovitý trn (plovák) zapadající do clony (obr. 1b), nebo píst pohybující se v perforovaném válci (obr. 1c), anebo otočná klapka (obr. 1d). U všech těchto měřidel se mění průtočný průřez při změně průtoku; u měřidla s pístem se mění průtočná plocha otvorů ve stěně perforovaného válce. Plováček či jiný prvek je udržován v základní poloze gravitací a měřidlo musí být umístěno ve svislé poloze. Obr. 1. Základní typy průtokoměrů s proměnlivým průřezem (upraveno podle [4]): a) průtokoměr plováčkový, b) se clonou a plovákem, c) s perforovaným válcem, d) s klapkou Plováčkový průtokoměr patří mezi nejrozšířenější průtokoměry ze skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Hlavní funkční částí měřidla je svisle umístěná měřicí trubice mírně kuželovitého tvaru, nahoru se rozšiřující (úhel kužele je ve skutečnosti menší než 2°). Měřená tekutina proudí trubicí směrem vzhůru a v jejím proudu se vznáší rotační tělísko (obr. 2). Tělísko se obvykle označuje jako plováček, přestože označení neodpovídá fyzikální podstatě měřicí metody, protože tělísko pro svou hmotnost neplave. Podle velikosti průtoku zaujme rotační tělísko vyšší nebo nižší polohu, čímž se změní průřez, kterým tekutina protéká. Tlakový spád a rychlost proudu v místě zúžení zůstávají konstantní. Měřítkem průtoku je vertikální poloha tělíska h. Stupnice bývá vyznačena přímo na trubici zhotovené z průhledného materiálu. Na horním okraji tělíska jsou šikmé zářezy, takže účinkem proudícího prostředí se uvede tělísko do rotačního pohybu, čímž se stabilizuje jeho poloha v trubici. Tělíska mívají i jiný tvar a někdy bývají vedena na lanku nebo na tyči. Při určitém konstantním průtoku zaujme tělísko určitou polohu a v té setrvá, dokud se průtok nezmění. Za tohoto stavu jsou v rovnováze všechny síly působící na tělísko. Směrem dolů působí tíha tělíska Fg a směrem nahoru vztlak Fv a síla proudícího média Fm, skládající se z tlakové síly Fp a ze třecí síly Ft. Síla Fp je dána součinem plochy tělíska s a rozdílu tlaků Δp před tělískem a za ním. Na velikost tlakové a třecí síly má vliv způsob obtékání tělíska, který lze měnit změnou tvaru tělíska. Při velkých hodnotách Reynoldsovačísla Re převládají síly setrvačné; uplatňuje se hlavně hustota a neuplatňuje se viskozita média. Při malých hodnotách Re převládají síly třecí a uplatňuje se zde zejména viskozita média. Obr. 2. Princip plováčkového průtokoměru Rovnováha sil v těžišti tělíska T je obecně dána vztahem Fg = Fv + Fp + Ft      (1) Za předpokladu turbulentního obtékání je možné třecí sílu Ft zanedbat a po dosazeníFg = Vt ρt gFv = Vt ρt gFp = A2 Δplze po úpravě vyjádřit tlakový spád na tělísku Δp vztahem rovnice 2 kdeVt je objem tělíska,ρt hustota tělíska,ρm hustota média,g gravitační zrychlení,A2 plocha největšího příčného řezu tělíska. Protože všechny veličiny na pravé straně rovnice (2) jsou konstantní, je konstantní i Δp a tělísko stoupá, popř. klesá tak dlouho, dokud není změnou průtočného průřezu dosaženo rovnovážného stavu. Průtočným průřezem je mezikruží o ploše ΔA = (A1 – A2), kde  A1 = π (D2/4); A2 = π (d2/4). Plocha mezikruží je funkcí polohy h rotačního tělíska. Má-li být stupnice průtoku lineární, měla by mít trubice tvar rotačního paraboloidu. Při menších požadavcích na přesnost vyhovuje trubice kuželovitého tvaru. Bude-li mít měřicí trubice velmi malý vrcholový úhel, bude poloha plováku téměř lineárně závislá na objemovém průtoku. Průtokovou rovnici pro plováčkový průtokoměr je možné odvodit z analogické rovnice, která platí obecně pro průřezová měřidla, např. pro clonu: rovnice 3 kdeC je průtokový součinitel měřidla,β poměr průměru clony a světlosti potrubí,A průřez clony. Bude-li výraz 3a nahrazen průtokovým součinitelem plováčkového průtokoměru Ct, místo průtočného průřezu clony A bude uvažována plocha mezikruží ΔA a za Δp bude dosazeno ze vztahu (2), získá se: rovnice 4 kde průtokový součinitel Ct je funkcí tvaru tělíska a hodnoty Re a značně závisí na viskozitě tekutiny. Pro laminární proudění se hodnota součinitele značně mění s rychlostí, při turbulentním proudění je přibližně stálá. Pro každou hodnotu průtoku QV se tělísko ustálí v takové poloze, aby plocha mezikruží ΔA odpovídala vztahu (4). Hodnota součinitele Ct závisí na tvaru plováku. Pro rotující plováček a tekutinu s malou viskozitou při turbulentním toku je hodnota téměř konstantní. Pro trubice s malým vrcholovým úhlem je průtočný průřez ΔA lineární funkcí polohy h a všechny ostatní veličiny v rovnici (4) jsou při měření konstantní. Z toho plyne, že stupnice rotametru je přibližně lineární a je možné napsat kalibrační rovnici ve tvaru Qv = a ΔA + b     (5) kde a, b jsou empirické konstanty. Několik odkazů na videosoubory popisující princip funkce plováčkových průtokoměrů je v tab. 1. Tab. 1. Odkazy na videosoubory: princip činnosti plováčkových průtokoměrůNázev   Odkaz  Krohne: Variable area flowmeters  https://www.youtube.com/watch?v=DVLBDm9c8ak  Krohne: Principle of Variable Area Flowmeters https://www.youtube.com/watch?v=Pz-Mvdc6nf4  ABB: FlowMaster Flow Tutorials – Variable area flowmetershttps://www.youtube.com/watch?v=ulb8jCttq5A  Brooks Instrument: MT3809G Metal Tube Variable Area Flowmeter – Principle of Operationhttps://www.youtube.com/watch?v=ImdQ2kUOrJo   Závislost údaje na hustotěZ průtokové rovnice je zřejmé, že údaj přístroje závisí na hustotě měřené látky. Je-li třeba měřit plováčkovým průtokoměrem jinou látku, než na kterou byl kalibrován, je nutné provést přepočet. Pro stejné postavení tělíska pro různé tekutiny platí rovnice 6 U plynů, kde lze předpokládat, že hustota tělíska ρt je mnohem větší než hustota média ρm, je možné pro přepočet použít přibližný vztah rovnice 7 Závislost na hustotě kapaliny lze potlačit vhodnou volbou hustoty tělíska tak, aby platilo ρt = 2ρm; za tohoto předpokladu bude výraz v závorce v rovnici (4) roven 1. Obr. 3. Základní tvary plováčků: a) rotační, b) kulovitý, c), d) vedené Závislost údaje na viskozitěVliv viskozity lze zanedbat při turbulentním charakteru obtékání tělíska tekutinou s malou viskozitou. Při nižších hodnotách Re a větší viskozitě tekutiny je možné vliv viskozity potlačit vhodnou volbou tvaru plováku. Aby změna viskozity neovlivňovala údaj o průtoku, musí být třecí síla Ft co nejmenší. Toho se dosahuje zejména minimalizováním třecí plochy v místě největšího zúžení průtočného průřezu. Plovák má v tomto případě ostré hrany, jako např. na obr. 3d. Pro značně viskózní média není použití plováčkového průtokoměru vhodné. Konstrukční provedení PlováčkyPlováčky se vyrábějí z materiálů odolných proti korozi (korizovzdorná ocel, titan, safír, tantal, hliník aj.). Různé materiály se využívají také z důvodu možné úpravy měřicího rozsahu prostřednictvím změny hmotnosti plováku. Tvary plováčků a jejich materiál se liší podle druhu měřené tekutiny a velikosti průtoku. Vybrané základní tvary plováčků jsou znázorněny na obr. 3. Obecně lze plováčky rozdělit do dvou skupin:rotační: opatřené např. šikmými zářezy, které při průtoku tekutiny uvedou plováček do rotace a tím se stabilizuje jeho poloha,vedené: plovák je veden na tyči nebo na struně, popř. je veden pomocí tří žeber vytvořených na vnitřní straně měřicí trubice. Charakteristickým znakem plováčků je ostrý okraj, který usnadňuje čtení polohy. Poloha kulovitých plováčků se odečítá ve středu kuličky (způsob odečítání polohy je v obr. 3 vyznačen čárkovanou čárou). Kulovité plováčky jsou často používány v měřicích trubicích s malým průměrem. Složitější geometrie plováčku může snížit citlivost na viskozitu kapaliny. Obr. 4. Provozní plováčkové průtokoměry: a) rotametr RAGN se skleněnou trubicí, b) RAKD s kovovou trubicí (oba viz www.yokogawa.com), c) H250-M9 s kovovou trubicí pro potravinářství a farmacii (www.krohne.cz), d) celokovový rotametr FAM540 s alarmovými signály a proudovým výstupem (www.abb.cz/mar) Měřicí trubiceMěřicí trubice jsou nejčastěji skleněné, vyrobené z borosilikátového skla, a jsou chráněné proti poškození. Ke zhotovení průhledných trubic se používají také plastové trubky z PVC, polyamidu aj. Provozní snímače mají trubice z kovových a plastových materiálů. Kovové měřicí trubice se používají při měření za vysokého tlaku a teploty nebo při měření nebezpečných látek. Bývají vyrobené z korozivzdorné oceli, která je nemagnetická a umožňuje magnetické snímání polohyplováčku. Průtokoměry pro chemický, potravinářský a farmaceutický průmysl mají trubice vyrobené z korozivzdorného materiálu a všechny části přicházející do styku s měřeným médiem jsou opracovány tak, aby se nevytvářely nežádoucí usazeniny. Takové přístroje jsou vhodné např. pro měření průtoku mléka, smetany, jedlého oleje, velmi čisté vody apod. Pro měření agresivních médií jsou k dispozici měřicí trubice s keramickou nebo teflonovou výstelkou. Ukázky provedení provozních plováčkových průtokoměrů jsou na obr. 4. U skleněných trubic se poloha plováčku odečítá vizuálně, u neprůhledných trubic lze polohu snímat magneticky, pneumaticky, fotoelektricky, pomocí indukčního vysílače apod., což umožňuje získat např. proudový signál 0/4 až 20 mA vhodný k dalšímu zpracování. Při použití magnetické spojky může provozní přístroj pracovat čistě mechanicky, bez elektrického napájení. Měřicí trubice může být vybavena magnetickými či jinými snímači mezních hodnot polohy plováčku. Obr. 5. Tlakové poměry při zapojení plováčkového průtokoměru a ventilu (p – provozní tlak v průtokoměru): a) ventil na výstupu, b) ventil na vstupu, c) ventil na vstupu i výstupu Speciální konstrukční provedeníExistují i plováčkové průtokoměry se dvěma plováky (jeden je citlivý na rychlost a druhý na hustotu), které lze využít k přibližnému měření hmotnostního průtoku. K měření průtoků ve velkém rozsahu se používají rotametry se dvěma kulovitými plováčky s různou hmotností. Při narůstajícím průtoku se nejprve odečítá poloha lehčího plováku a po dosažení hranice stupnice se odečítá poloha těžšího plováku [5]. Instalace průtokoměruPlováčkové průtokoměry musí být instalovány do potrubí ve svislé poloze, přičemž velikost průtokoměru by měla odpovídat velikosti potrubí. Průtokoměry se obvykle nepoužívají pro potrubí s průměrem přesahujícím 100 mm. Připojení plováčkového průtokoměru nevyžaduje rovné úseky potrubí ani v přívodní, ani ve výstupní části. Průtokoměr by neměl být vystaven silnějším vibracím ani vlivu silného magnetického pole. Pro nastavení průtoku média měřeného plováčkovým průtokoměrem se často používají jehlové ventily. Na obr. 5 jsou znázorněny tlakové poměry při různém připojení jehlového ventilu (p označuje provozní tlak v plováčkovém průtokoměru). Pokles tlaku v průtokoměru je obvykle zanedbatelný. Při měření průtoku plynů a par se doporučuje s ohledem na stlačitelnost média, aby ventil byl umístěn na výstupu z průtokoměru. Při tomto uspořádání bude tlak v průtokoměru přibližně konstantní a nezávislý na kolísání tlaku p2 v aparatuře po proudu (obr. 5a). Je-li plyn z průtokoměru odváděn do prostoru s atmosférickým tlakem, lze ventil umístit před průtokoměr (obr. 5b). Při měření plynu se doporučuje, aby minimální provozní tlak byl roven asi pětinásobku tlakové ztráty měřidla. Při měření plynů nebo par se obecně doporučuje volit uspořádání ventilů tak, aby tlak uvnitř měřidla byl pokud možno konstantní a odpovídal hodnotám při kalibraci průtokoměru [2], [7]. Při měření kapalných médií není objem ovlivněn změnami tlaku, a proto je možné ventil připojit libovolně. Obr. 6. Instalace plováčkových průtokoměrů v průmyslových provozech (foto: M. Kmínek): a) rotametr Krohne H255 M9 (www.krohne.cz), b) rotametr ABB-FAM 540 (www.abb.cz/mar) – oba při měření průtoku etanolu v lihovaru Dobrovice, Tereos TTD, a. s., c) regulace průtoku mléka s využitím rotametru Krohne H255, d) ukazovací skleněný rotametr v provozu mlékárny Na obr. 6 jsou příklady instalace provozních plováčkových průtokoměrů používaných k měření a regulaci průtoku etanolu při destilaci v lihovaru a při měření průtoku v mlékárně. VlastnostiNejistota u laboratorních plováčkových průtokoměrů bývá ±0,4 % z měřené hodnoty, u průmyslových provozních přístrojů ±1 až ±4 % z rozsahu při poměru maximálního a minimálního průtoku 10 : 1 [10]. Nejistota při provozním měření je významně ovlivňována konkrétními provozními podmínkami. Zatímco při měření plynů má rozhodující vliv na polohu plováku hustota, při měření kapalin je to vedle hustoty i viskozita média. Vzhledem k tomu, že hustota i viskozita kapalin závisejí na teplotě a u plynů i na tlaku, je vliv provozních podmínek na údaj průtokoměru zřejmý. Při změně druhu měřeného média (jeho hustoty, popř. viskozity) nebo i jen při změně podmínek (teploty a tlaku) je nutné přístroj rekalibrovat nebo přepočítat měřené údaje. Plováčkové průtokoměry pro měření průtoku kapalin bývají kalibrovány při průtoku vody, průtokoměry pro měření plynu se kalibrují vzduchem. K přepočtu údaje pro další tekutiny jsou od výrobců k dispozici tabulky, nomogramy či počítačové programy. U přístrojů pro univerzální použití může být stupnice značena v milimetrech a pro určení průtoku konkrétní tekutiny je k dispozici přepočítávací faktor v závislosti na parametrech měřicí trubice, plováčku, tlaku a teplotě. U provozních průtokoměrů je výhodnější, aby byla stupnice přístroje vyznačena přímo v jednotkách průtoku konkrétní tekutiny za stanovených provozních podmínek. Plováčkový průtokoměr lze použít k měření průtoku plynů i kapalin, patří mezi levná měřidla a přímo ukazující přístroje nevyžadují žádnou pomocnou energii (napájení). Tlaková ztráta na měřidle je přibližně konstantní a obvykle bývá menší než 7 kPa [4]. Přednosti a nevýhody plováčkových průtokoměrů jsou shrnuty v tab. 2. Tab. 2. Přednosti a nedostatky plováčkových průtokoměrůPřednosti:Přednosti:jednoduché měřidlo,nízké investiční náklady,nízké náklady na instalaci,použitelné pro kapaliny, plyny, páru,malá tlaková ztráta měřidla,také pro agresivní média,přímo ukazující přístroje nepotřebují napájení, dlouhá životnost.nelze použít pro znečištěné a viskózní tekutiny,nelze použít pro pulzující průtok,větší nejistota údaje,provoz pouze ve svislé poloze,nutná kalibrace pro danou hustotu a viskozitu média. PoužitíPlováčkové průtokoměry se používají k měření průtoku homogenních tekutin s nejrůznějšími fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Průměry trubic se pohybují v rozmezí 15 až 100 mm. Měřidla se skleněnými trubicemi mohou pracovat při teplotě do 200 °C a tlaku 1 MPa, s kovovými trubicemi až 540 °C a tlaku až 5 MPa [5]. Měřicí rozsahy pro měření průtoku vody jsou od 0,04 l/h do 150 m3/h a vzduchu od 0,5 l/h do 3 000 m3/h [10]. Plováčkové průtokoměry lze s výhodou využít jako záložní provozní měřidla, protože nepotřebují žádné externí napájení. Vhodné jsou tam, kde je zapotřebí orientačně vizuálně sledovat průtok pro informativní měření v laboratorních i provozních aparaturách. V těchto případech bývá do sestavy s průtokoměrem začleněn jehlový ventil, který slouží k nastavení požadovaného průtoku, popř. může být do sestavy integrován i vhodný regulátor průtoku. Moderní přístroje jsou vybaveny převodníky signálu a poskytují analogový výstup např. 4 až 20 mA, umožňují číslicovou komunikaci např. HART, Profibus, Foundation Fieldbus aj. a jsou opatřeny nastavitelnými mezními spínači. Průtokoměry nacházejí uplatnění v chemickém a petrochemickém průmyslu, a to často pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Přístroji s kovovými trubicemi lze měřit horkou vodu, páru, kyselé i zásadité látky. Existují však i omezení v možnostech použití. Průtokoměry tohoto typu jsou vhodné převážně pro čisté tekutiny. Při měření znečištěných tekutin mohou usazeniny na plováku významně ovlivnit přesnost (až ±4 % plného rozsahu stupnice); bubliny plynu v kapalině se mohou rovněž zadržovat na plováku a ovlivnit tak přesnost. Nepřípustné jsou i tlakové rázy v potrubí, které mohou být příčinou mechanického poškození plováku. S plováčkovými průtokoměry se lze setkat v téměř každém průmyslovém procesu v chemickém, petrochemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu, ve strojírenství a v mnoha dalších odvětvích. Často se používají jako indikátory průtoku, jako měřidla při odběru vzorků pro analýzu, jako měřidla průtoku při provzdušňování, probublávání nebo inertizaci aparatur apod. Obr. 7. Pružinový průtokoměr s proměnlivým průřezem i tlakovým spádem Pružinové průtokoměryNevýhodu montáže plováčkového průtokoměru jen do svislé polohy odstraňuje pružinový průtokoměr, který rovněž patří do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Zatímco u plováčkového průtokoměru je direktivní silou působící na plováček gravitace a vztlak, u pružinového průtokoměru je direktivní síla vyvolávána pružinou. Průtokoměry tak mohou pracovat i v horizontální poloze. Síla pružiny působí na pohyblivé těleso vhodného tvaru, které při nulovém průtoku uzavírá otvor clony (obr. 7). Při průtoku tekutiny působí na těleso proti síle pružiny tlaková síla proudícího média. Jako výstupní informaci lze využít buď změnu polohy pohyblivého tělesa, nebo změnu rozdílu tlaků. Změnu polohy tělesa lze snímat podobně jako u plováčkových průtokoměrů např. magneticky a měřidlo může být vybaveno spínači pro indikaci mezních stavů průtoku. Průtokoměr může být provozován v libovolné poloze a direktivní silou pružiny lze upravit měřicí rozsah. Pro zachování přijatelné nejistoty jsou kladeny mimořádné požadavky na stálost vlastností pružiny [5]. Těmto průtokoměrům se podrobně věnuje článek na str. 20. Další velkou výhodou, kromě možnosti montáže s vodorovnou trubicí, je také možnost kompenzovat viskozitu média. Literatura:[1] DOBRATZ, Andreas. 100 Years of Rota Yokogawa [online]. Wehr: Rota Yokogawa GmbH & Co KG, 2011 [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://www.yokogawa.com/rota-en/unternehmen/pdf/rota.pdf[2] Variable Area Flowmeters [online]. Duisburg: KROHNE Messtechnik GmbH [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://academy-online.krohne.com/elearning/en/courses/variable-area-flowmeters/[3] ČSN EN 24006. Měření průtoku tekutin v uzavřených profilech: Terminologie. Praha: ÚNMZ, 1994.[4] LIPTÁK, Béla G. Instrument engineers‘ handbook. 4th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2012. ISBN 978-143-9817-766.[5] ĎAĎO, Stanislav, Ludvík BEJČEK a Antonín PLATIL. Měření průtoku a výšky hladiny. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2005. Senzory neelektrických veličin. ISBN 80-730-0156-X.[6] VOLF, Jaromír a Josef JENČÍK. Technická měření. Vyd. 2. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. ISBN 80-010-2138-6.[7] Handbook for Variable Area Flowmeters [online]. ABB Automation Products GmbH, 2008 [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://library.e.abb.com/public/9c725ef7137df817c12574240039c4d8/03_VA-FLOW-ENA-06_2011_secure.pdf[8] Plovákové průtokoměry a snímače [online]. Hofheim: Kobold Messring, rok vydání neuveden [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: http://www.kobold.com/dynamic/dlFile/7b25bd87bc28d6066e2da8c24d9f7947.dl/s2cz_dsv.pdf[9] MCMILLAN, Gregory K. a Douglas M. CONSIDINE. Process/industrial instruments and controls handbook. 5th ed. New York: McGraw Hill, c1999. ISBN 00-701-2582-1.[10] EDITED BY JOHN G. WEBSTER AND HALIT EREN. The measurement, instrumentation, and sensors handbook: two-volume set. Boca Raton: CRC Press, 2014. ISBN 978-143-9848-838. doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,Ústav fyziky a měřicí techniky,VŠCHT Praha(karel.kadlec@vscht.cz) Historie měřidla a jeho pojmenováníPočátek historie plováčkových průtokoměrů je možné datovat rokem 1868, kdy Američan Edmund Chameroy popsal v patentovém spisu princip průtokoměru s kónickou trubicí, ve které byl umístěn pohyblivý plovák [1], [2]. V roce 1908 si Karl Küppers nechal patentovat průtokoměr s rotujícím plovákem, který byl opatřen drážkami a při průtoku tekutiny se otáčel. V odborných pojednáních se již tehdy poukazovalo na skutečnost, že průtokoměr může správně fungovat pouze v tom případě, že hustota plováku je větší než hustota měřeného média, a že tedy nejde o plovák v pravém slova smyslu. O realizaci a výrobu průtokoměru s rotujícím plovákem se zasloužil německý vynálezce a podnikatel Felix Meyer, který založil v roce 1909 v Cáchách továrnu Deutsche Rotawerke GmbH. Od názvu firmy bylo odvozeno i pojmenování průtokoměru – rotametr. I toto pojmenování průtokoměru není bezchybné, protože název svádí k domněnce, že by to mohl být přístroj k měření rotace (otáčení). V roce 1921 začala výroba plováčkových průtokoměrů ve firmě Krohne [2]. V současné době vyrábí plováčkové průtokoměry mnoho výrobců; mezi významné patří nástupce firmy Rotawerke, společnost Rota Yokogawa GmbH & Co. KG, a dále společnosti Krohne Messtechnik GmbH, ABB Ltd, Kobold Messring GmbH, Siemens AG a další. V anglicky psané literatuře se pro tento typ průtokoměru nejčastěji používá označení variable area flowmeter – průtokoměr s proměnlivým průřezem, méně často float flowmeter. V německé literatuře se průtokoměr tohoto typu označuje termínem Schwebekörper Durchflussmessgerät, což lze přeložit jako průtokoměr s tělískem ve vznosu. Německé označení zřejmě nejlépe vystihuje princip činnosti průtokoměru. V ČSN EN 24006 [3] je uvedeno označení plováčkový průtokoměr a přístroj je zařazen do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Termín rotametr není uveden v žádné názvoslovné normě, ale lze se s ním setkat poměrně často jak v české, tak i v cizojazyčné odborné a firemní literatuře.     

Řídicí systém mobilního simulátoru deště

Ondřej Nývlt, Petr Kavka   Článek po úvodním popisu principů činnosti simulátoru deště a významu tohoto zařízení pro analýzu vodní eroze půdy podrobně informuje o výsledcích dosažených v první etapě modernizace mobilního simulátoru deště provozovaného Fakultou stavební ČVUT v Praze. Pozornost je věnována zejména novému řídicímu systému tohoto zařízení. Jsou uvedeny mj. první výsledky získané při ověřovacích zkouškách modernizovaného simulátoru v polních podmínkách a naznačeny směry dalšího rozvoje nového řídicího systému.   This paper describes in its first part a principle and an importance of a rainfall simulator for an analysis of soil erosion. In its main part the paper presents results which were achieved during the first phase of modernisation of the mobile rainfall simulator operated by Faculty of civil engineering at CTU in Prague. Attention is paid especially to a new control system of the simulator. The first results obtained at field tests of the modernised simulator as well as planned future extensions of its new control system are also included.   1. Úvod a motivace K vodní erozi půdy dochází v důsledku rozrušování povrchu půdy dešťovými kapkami a následného odnosu půdy povrchovým odtokem. Splavovaná svrchní a zároveň na živiny nejbohatší vrstva půdního krytu poté zanáší další části krajiny, včetně vodních toků či nádrží, a často tak poškozuje i lidská sídla a stavby. Jde o přírodní proces, který je obtížné sledovat, protože je závislý na příčinné dešťové srážce. Přirozeně se vyskytující intenzivní deště jsou velmi variabilní co do intenzity a vyskytují se náhodně. Proto je pro potřeby lokálních měřítek nahrazován přirozený déšť umělým s použitím simulátorů deště (jinak také dešťový simulátor – DS), využívaných po světě již déle než 50 let. Simulátory deště se využívají jak v laboratorních podmínkách, tak i přímo v terénu. Jejich hlavní předností je schopnost poměrně pohotově získat potřebné údaje (bez nutnosti čekat na přirozený déšť) za relativně stejných podmínek. Experimenty v laboratoři, při nichž lze detailně a opakovatelně sledovat mnoho půdních i odtokových charakteristik, lze při sledování vlivu vegetace využít jen omezeně [1].   Simulátory deště se kategorizují především podle svých rozměrů a způsobu použití a také podle principu tvorby kapek. Principů generování deště se používá mnoho, v základě se dělí na pulzní a kyvné.   Princip kyvných simulátorů spočívá v pohybu ramene, kdy je intenzita deště dána počtem kyvů ramene nad postřikovanou plochou. Předností je stabilní průtok, nedostatkem je větší spotřeba vody, která je u velkých zařízení a při použití v terénu limitující.   U pulzních simulátorů se požadované intenzity deště dosahuje otevíráním a zavíráním přívodu vody do trysek. Jde o systém náročnější na ovládání, neboť každou trysku je třeba ovládat zvlášť. Z hlediska udržení stálého tlaku vody v zařízení je nutné „spínat“ jednotlivé trysky v jejich těsné blízkosti. Při spínání po sekcích vzniká zpoždění a tlak vody v trysce nabíhá pomalu. Z hlediska generování umělého deště je důležité přesně udržovat kinetickou energii kapek, intenzitu a rovnoměrnost deště. Kinetická energie kapek, která je hlavním činitelem rozrušování půdních agregátů, je závislá na hmotnosti (velikosti) kapek a rychlosti jejich dopadu do půdy.   Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství Fakulty stavební ČVUT v Praze (FSv ČVUT) provozuje od roku 2001 halový simulátor deště [2] a následně také mobilní simulátor, který je využíván pro potřeby různých projektů od roku 2011 [3]. Hlavním úkolem mobilního simulátoru je provést erozní experiment, jehož základem je měření průběhu povrchového odtoku a množství erodovaného materiálu v čase. V roce 2015 bylo přijato rozhodnutí dosavadní mobilní simulátor kompletně zrenovovat a zmodernizovat, pokud jde o akční členy, pohon, rozvody vody a řídicí systém. Na realizaci nového řídicího systému se podílela firma Feramat Cybernetics, s. r. o. Jeho základem je modulární programovatelný automat WAGO-I/O-System 750, jehož jádrem je procesorová jednotka PFC 750-8202. Projekt modernizace simulátoru se skládá z několika etap – v první bylo renovováno zařízení a nainstalován nový řídicí systém, který umožňuje řídit a sledovat provozní veličiny simulátoru (průtok vody, sekvence otevírání trysek atd.) při použití bezdrátového uživatelského ovládání prostřednictvím PC, tabletu nebo inteligentního mobilního telefonu. Rozváděč řídicího systému byl záměrně naddimenzován, protože v dalších etapách bude sestava simulátoru deště rozšiřována o různé snímače hydrologických veličin, jejichž údaje se budou zaznamenávat do souborů na paměťovou kartu SD v procesorové jednotce PFC programovatelného automatu (PLC) pro pozdější zpracování. Do budoucna se např. připravuje přímé měření a kontinuální záznam průtoků v měrném žlabu, vlhkosti půdy a srážek.   2. Současný mobilní simulátor deště FSv ČVUT   2.1 Konstrukce simulátoru Samotné uspořádání mobilního simulátoru deště FSv ČVUT (dále jen „simulátor“, popř. „zařízení“) je podřízeno potřebám snadného ovládání a častého použití v terénu (obr. 1). Sada trysek je nesena na rozkládacím rameni z příhradové konstrukce s podporami. Délka ramene v rozloženém stavu je 10 m, takže je dosaženo rozměrů postřikované experimentální plochy 10 × 2 m. Experimentální plocha je po obvodu ohraničena plechovou bariérou dole ukončenou koncentračním plechovým sběračem ve tvaru trychtýře, který sbírá povrchový odtok se splaveninami do nádoby nebo jiného měřicího a vzorkovacího zařízení. Úkolem při modernizaci bylo mj. nastavit počet a vzdálenost postřikovacích trysek tak, aby experimentální plocha byla postřikována s co možná největší plošnou homogenitou. Tím nutně vznikají přestřiky do stran, kde je intenzita postřiku menší, což znamená větší požadavky na množství vody pro jednotlivý každý experiment, protože je jen zčásti využita k vlastnímu měření v mezích experimentální plochy.   Nejdůležitějším parametrem při měření s použitím simulátoru deště je, kinetická energie kapek, závisející jednak na pádové výšce kapek a jednak na jejich velikosti, která je dána typem trysky a zároveň tlakem vody v zařízení (dále jen „tlak“). Tlak je základním provozním parametrem každého simulátoru deště s tryskami, takže je důležité ho během měření udržovat konstantní a garantovat, že bude tentýž i při opakování měření. Nastavovat požadovanou intenzitu deště je vhodné nikoliv změnou tlaku v trysce, která by ovlivnila charakter deště, ale přerušováním výtoku z trysky při použití předřazeného elektromagnetického ventilu. Ventily u jednotlivých trysek jsou řídicím systémem otevírány a uzavírány v předem určeném naprogramovaném pořadí a intervalech. Za účelem minimalizovat rázy v rozvodu vody a udržet tak co možná homogenní výtok z trysek se u současných konstrukcí simulátorů používá střídavé otevírání a uzavírání stejně početných skupin trysek tak, aby průtokové poměry v rozvodu vody byly co možná stálé.   Vzhledem k potřebě garantovat stabilní charakteristiky vytvářeného deště byla provedena analýza dřívějších kalibračních měření jak z hlediska rovnoměrnosti postřiku, tak i z hlediska kinetické energie kapek. Výsledky analýz ukázaly potřebu poměrně zásadně obnovit dosavadní simulátor.   V původní sestavě simulátoru byly zapojeny čtyři trysky ve vzdálenostech 2,4 m od sebe. Ty byly v roce 2015 nahrazeny celkem devíti tryskami zapojenými ve skupinách po třech. Účelem je dosáhnout lepší rovnoměrnosti postřiku při menším provozním tlaku (při návrhových intenzitách deště okolo 60 mm/h) a také větší variability nastavení charakteristik deště (zejména prostorové i časové homogenity). Trysky jsou typu Spraying System WSQ 40 [4] a jejich vzájemný odstup je 1,2 m.   Standardní délka měřicí plochy byla stanovena na 8 m, zbylý postřikovaný prostor je využíván k umístění srážkoměru a k měření na menší postřikované ploše s rozměry 1 × 1 m, využívané k měření eroze působené výhradně plošným odtokem (tzv. mezirýžková eroze). Současnou konfiguraci trysek simulátoru a umístění experimentálních ploch vzhledem k tryskám ukazuje náčrtek na obr. 2, pohled na postřikovací rameno simulátoru připravované k měření je na obr. 3 (před zakrytím ochrannými plachtami).   Původní elektricky poháněné čerpadlo napájené z mobilní elektrocentrály bylo při modernizaci nahrazeno čerpadlem o výkonu 120 l/min poháněným zážehovým benzinovým motorem. Výkon tohoto čerpacího soustrojí je dostatečný k vyrovnání ztrát v potrubí i k dosažení maximální teoretické intenzity srážek 130 mm/h. Při standardním měření se předpokládá intenzita srážek 50 až 70 mm/h.   Celé zařízení je transportováno ve složeném stavu na přívěsném vozíku za automobil. Vedle konstrukce postřikovacího ramene jsou součástmi sestavy simulátoru nádrž na vodu o objemu 1 000 l, rozváděč s vlastní řídicí jednotkou a již zmíněné výkonné čerpací soustrojí.   2.2 Hardware řídicího systému Nový řídicí systém simulátoru se skládá z hardwarových komponent tří typů: akčních členů, snímačů a vlastního řídicího systému. Jako akční členy jsou použity: solenoidové ventily (jeden pro každou trysku, tj. devět kusů celkem, každý s proudovým odběrem 1,1 A), fyzicky propojené do tří skupin (1+4+7, 2+5+8, 3+6+9); přivedením napětí 12 V DC ventil otevírá přívod vody do trysky; najednou mohou být aktivované všechny ventily, a je tedy nutné dostatečně dimenzovat napájecí zdroj, regulační ventil značky Arag, udržující konstantní tlak v zařízení; ovládá se signálem ±12V DC, kdy polarita přivedeného signálu určuje směr pohybu kuželky ventilu, ventil hlavního obtoku, také značky Arag, přes který jde voda z čerpadla ke zmíněnému regulačnímu ventilu; ovládán je signálem ±12 V DC, kdy polarita určuje směr pohybu, při době přejezdu z úplného otevření do úplného zavření asi 1,2 s, dvoupolohový ventil značky Bragila, umístěný za regulačním ventilem a ovládající obtok přívodu vody do trysek; je ovládán připojením/odpojením napětí 12 V DC (obr. 4).   Ze snímačů je prozatím zapojen pouze snímač tlaku DMP 331 od firmy BD Sensors s proudovým výstupem, který měří tlak v hadicích na rameni u trysek a poskytuje základní údaj pro zpětnovazební regulaci.   Hardware vlastního řídicího systému tvoří jednotky modulárního systému WAGO-I/O-System 750 (PLC, karty I/O, napájecí zdroje) v sestavě: procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 s ethernetovým portem Ethernet (obr. 5), karta DO (8×) WAGO 750-530 ke spínání relé a ovládání akčních členů, karta DI (8×) WAGO 750-430 s napojeným tlačítkem umístěným na dveřích rozváděče, karta AI 0 až 20 mA (4×) WAGO 750-453 s napojeným snímačem tlaku, zdroje napájení WAGO 787-1631 12 V DC (15 A) a WAGO 787-1606 24 V DC (2 A).   Vedle zmíněných komponent řídicí systém ještě obsahuje nutnou „bižuterii“ v podobě relé, jističů či ochran a také směrovač (router) WiFi, který vytváří malou lokální síť, do které je zapojena jednotka PFC, a díky němuž lze celé zařízení bezdrátově ovládat z tabletu/PC. Pohled na řídicí rozváděč simulátoru je na obr. 6.   2.3 Požadavky při simulování deště   2.3.1 Základní úlohy řídicího systému Z požadavků kladených v simulátoru na řídicí systém jsou nejdůležitější rychlost nastavení požadovaných parametrů deště a garance udržení provozních hodnot parametrů simulátoru v požadovaných mezích. Základní čtyři úlohy požadované od řídicího systému simulátoru lze formulovat takto: Udržovat během aktivního chodu simulátoru konstantní tlak v potrubí přivádějícím vodu z nádrže přes čerpadlo do trysek, z nichž proudí voda stále pod stejným tlakem nezávisle na počtu otevřených trysek. Zaručit bezpečné spuštění a ukončení činnosti zařízení tak, aby při uzavření trysek tlak vody nepoškodil přívodní hadice. Čerpací soustrojí vhánějící do potrubí vodu z nádrže lze totiž ovládat pouze manuálně a jeho výkon nelze řídit ani je nelze vypnout z PLC. Scénáře chodu trysek simulátoru musí být začleněny přímo do programu procesorové jednotky PFC. Zaručit automatický chod simulátoru tak, aby operátor nemusel složitě nastavovat parametry zařízení a aby ho stačilo jen rychle zaškolit. Operátor by měl simulátor ovládat bezdrátově z notebooku nebo tabletu. 2.3.2 Regulace tlaku vody (úloha ad 1) Udržovat tlak v potrubí vedoucím vodu od čerpadla ke tryskám na určité nastavené konstantní hodnotě je zcela zásadní požadavek.   Za tím účelem jsou v regulační smyčce zapojeny snímač tlaku, umístěný na postřikovacím rameni simulátoru, a regulační ventil. Nepříjemné na regulačním ventilu je, že je jednak ovládán polaritou (tj. pokud není přivedeno napětí, zůstává ve stálé poloze; je-li přivedeno +12 V, pohybuje se na jednu stranu, je-li přivedeno –12 V, pohybuje se na druhou), takže je třeba správně zapojit dvojici relé, a jednak neposkytuje žádnou zpětnou vazbu o poloze svého činného prvku či o dosažení konce rozsahu. Není tedy známo, nakolik je otevřený, a jeho otevření nelze nastavit na konkrétní hodnotu např. 25 %. Dopředná regulace tedy nemá smysl a je nutné využít zpětnou vazbu ze snímače tlaku. Vlastní regulační algoritmus využívá empiricky naladěnou strategii založenou na pravidlech (rule-based), kdy je ventil po krocích otevírán/zavírán podle vzdálenosti aktuální hodnoty tlaku od hodnoty požadované. Podle měření v terénu je tento regulátor tlaku zcela funkční, doba ustálení tlaku je přiměřeně krátká a hodnota tlaku setrvalá. Funkce regulace tlaku se zapíná pouze v okamžiku, kdy je otevřena alespoň jedna tryska. Jestliže jsou všechny trysky zavřeny, regulace se vypne (regulační ventil zůstane v poloze, kde právě skončil) a aktivují se obtoky (bypass).   2.3.3 Bezpečné spuštění a ukončení činnosti simulátoru (úloha ad 2) Pro účel blokace vstupu vody do potrubí je simulátor opatřen dvěma obtoky. Prvním je hlavní ventil, který přivádí vodu k regulačnímu ventilu a který také může sloužit jako obtok. Jeho uzavřením se tedy zcela zamezí vstupu vody do zařízení. Druhým obtokem je ventil uzavírající vstup do ramene s tryskami. Tento obtok je nutné aktivovat v případě, že se všechny trysky uzavřou a voda pod tlakem by neměla kam odtékat. První z uvedených obtoků představoval stejný problém s přepínáním polarity napájení jako regulační ventil. Vzhledem k tomu, že řídicí systém není trvale napájen, obtoky se při zapnutí napájení, po dobu, než začne fungovat jednotka PFC, nacházejí v „bezpečném“ stavu, tj. zapojení relé při stavu „logická 0“ odpovídá aktivovaným obtokům. Navíc je na dveřích rozváděče spolu s hlavním vypínačem napájení celého zařízení i přepínač, který teprve po nastavení do polohy „zapnuto“ povolí zapnout regulaci. Při přepínači v poloze vypnuto jsou aktivovány všechny obtoky a trysky jsou zavřeny (tzn. bezpečný stav). Správný postup obsluhy je tedy takový, že před vypnutím napájení nejprve přepne přepínač do polohy vypnuto a počká, až se přestaví ventily. Obdobně je třeba při zapnutí napájení nejprve vyčkat, poté přepínač přepnout do polohy zapnuto a teprve následně lze spustit scénář chodu trysek. Stav přepínače je indikován na operátorském rozhraní simulátoru (viz obr. 7).   2.3.4 Scénáře chodu trysek (úloha ad 3) Pouze regulace na vybranou hodnotu tlaku pro správný chod simulátoru nestačí. To je jen základní funkce, bez které simulátor nemůže fungovat. Pro účely správného vedení experimentů je dále nutné realizovat patřičné scénáře chodu trysek, podle nichž se v závislosti na čase automaticky otevírají/zavírají příslušné postřikovací okruhy, takže operátor nemusí řídit experiment ručně za použití stopek. Experti z FSv ČVUT navrhli pět scénářů, které splňují jejich požadavky, a tyto scénáře byly zahrnuty do řídicího programu PLC PFC. Uživatel pouze zadá délku pauzy a dobu, po kterou mají být otevřeny trysky, a aktivuje vybraný scénář. Ten se pak se zadanou pauzou periodicky opakuje až do deaktivace obsluhou.   2.3.5 Automatický chod simulátoru (úloha ad 4) Ovládání simulátoru musí být intuitivní – uživatel musí být zbaven starostí o chod regulace. Proto byl přímo na webovém serveru jednotky PFC vytvořen jednoduchý vizualizační program, který je po připojení na síť WiFi řídicího systému dostupný z libovolného webového prohlížeče s podporou jazyka Java nebo při použití aplikace WAGO WebVisu-App pro operační systémy Android a iOS. Základní operátorské zobrazení funguje jako rozcestník s odkazy také na servisní okna, v nichž lze kompletně manuálně ovládat všechny akční členy simulátoru (obr. 7) nebo spravovat parametry jednotlivých funkcí, např. zpracování dat ze snímače, filtrace dat, záznamníku dat (datalogger), regulace atd. Servisní okna běžný operátor nepoužívá.   Nejdůležitějším zobrazením pro běžného operátora simulátoru je položka scénáře (obr. 8), kde vybere jeden z předem připravených scénářů, navolí délky úseků (tj. dobu otevření trysky a délku pauzy), zapne/vypne logování a aktivuje/deaktivuje chod scénáře. Nic víc nepotřebuje ovládat, ostatní se děje automaticky. Když zapne logování, jsou každou sekundu ukládány údaje o tlaku vody, aktivitě trysek (tj. otevřena/zavřena) a vybraném scénáři do souboru csv na kartě SD jednotky PFC. Data lze přímo prostřednictvím webového prohlížeče sledovat v programu Dataplotter, nainstalovaném v jednotce PFC, či si je stáhnout do PC.   3. Zkušenosti z praxe Modernizovaný simulátor, včetně nového řídicího systému, je od druhé poloviny roku 2015 využíván v rámci projektů výzkumu eroze a povrchové a podpovrchové hydrologie. Možnost rychle nastavit a korigovat hodnoty vstupních veličin, kterou nabízí, je důležitá především z hlediska výzkumu vlivu vegetace na erozi a povrchový odtok, kdy je základem metodiky porovnání měření vykonaného na vzorku s vegetací se vztažným měřením provedeným na udržovaném úhoru. Důležité pro obě měření je nastavit a v průběhu experimentu udržet konkrétní tlak vody. Možnost nastavit sekvenci srážek o různých intenzitách je důležitá jednak při replikaci přirozených srážek a jednak při ověřování odezev návrhových hydrogramů, což bude předmětem zájmu v budoucnu.   Možnost použít bezdrátové ovládání prostřednictvím tabletu nebo mobilního telefonu přes síť WiFi se ukázala jako velmi užitečná vzhledem k tomu, že je možné zároveň vizuálně sledovat průběh měření i ovládat zařízení, popř. na dálku sledovat a řídit jeho chod.   Inovovaný simulátor deště musel být vyzkoušen, aby se ověřilo, zda produkuje umělý déšť požadovaných parametrů s potřebnou přesností. Určujícím parametrem je přitom index rovnoměrnosti, tzv. CU-index [5]. Část výsledků rozšířených měření prostorového rozložení umělého deště při stabilním nastavením tlaku vody uskutečněných na hotovém zařízení je pro ilustraci uvedena v tab. 1.   Z údajů v tab. 1 je patrné, že jednotlaký scénář č. 3 (schéma trysek 3) s průměrnou intenzitou srážek 50 mm/h produkuje velmi vhodné a stabilní pokrytí deštěm (CU-index = 82,9 %) se směrodatnou odchylkou intenzity 16 %. Při zařazení pauzy do schématu lze při zachování rovnoměrnosti dosáhnout intenzity srážek 40 mm/h. Jednotlaký scénář č. 4 (schéma trysek 2) produkuje větší intenzity srážek, se kterými by bylo možné zařazením pauzy dosáhnout požadované intenzity od 50 do 100 mm/h. Rovnoměrnosti jsou stále na velmi dobré úrovni (CU-index nad hranicí 80 %). Relativní směrodatná odchylka intenzity je ve všech případech téměř stejná. Lze tedy konstatovat, že s novým zařízením je možné dosáhnout libovolné intenzity srážky od 20 do 150 mm/h s dostatečnou přesností a se zachováním uspokojivé rovnoměrnosti po ploše.   Uvedené tvrzení bylo prokázáno a ověřeno měřením průtoků jednotlivými tryskami a měřením na plachtě po celé pracovní ploše. K nastavení intenzity deště již není nutné měnit tlak v zařízení, což v minulosti negativně ovlivňovalo jeho další parametry. Změny je nyní dosaženo stanovením doby otevření jednotlivých sekcí trysek a délky vložené pauzy bez deště. Novým zařízením se dosahuje lepšího pokrytí okrajů plochy (v podélném směru) deštěm, jeho chod je stabilní a automatizovaný.   Stabilitu tlaku v zařízení a v rozložení intenzity deště v čase lze posoudit na záznamu z experimentu ověřujícího vlastnosti modernizovaného zařízení na obr. 9. Na začátku záznamu je patrný přechodový úsek, kdy se tlak v potrubí nastavuje na požadovanou hodnotu. Dále je během celé simulace tlak konstantní až po pokles hodnot zaznamenaný na závěr po vypnutí simulátoru. Z grafu na obr. 9 je rovněž patrný vyrovnaný průběh intenzity deště, přičemž záznam minutové intenzity deště H je velmi podrobný a nad rámec možností používaného člunkového srážkoměru.   Pro porovnání se současným stavem je na obr. 10 ukázán průběh tlaku před zavedením nového řídicího systému se zpětnou vazbou ze snímače tlaku. Hodnoty tlaků zde vykazují během měření značnou variabilitu a velmi kolísá i intenzita deště.   4. Závěr a další vývoj V současnosti je úspěšně završena první etapa projektu modernizace mobilního simulátoru deště FSv ČVUT, tj. návrh a realizace jeho základního řídicího systému po stránce jak hardwaru, tak i ovládacího softwaru, uživatelského rozhraní s použitím vizualizace a zpětnovazební regulace tlaku. Chod simulátoru je vyladěn, takže uživatel nemusí nastavovat žádné parametry. Operátor jen vybere schéma, nastaví doby trvání deště a pauzy a zapne/vypne logování. Systém je úspěšně vyzkoušen v praxi v polních podmínkách, přičemž se dostalo velkého uznání jeho vizualizaci fungující na jakémkoliv tabletu i inteligentním telefonu s operačním systémem Android. Hlavní přínos spojení řízení se zaznamenáváním dat spočívá v tom, že lze opustit dosavadní praxi, kdy bylo nutné zaznamenávat naměřené hodnoty ručně nebo s použitím autonomních záznamníků dat a následně srovnávat časy pořízení apod., tedy postupovat způsoby náchylnými ke vzniku chyb.   Projekt simulátoru není z pohledu automatizace a snímací techniky uzavřen a vstupuje do další etapy, kdy je plánováno přidání dalších čidel a převodníků. K tomuto má modernizovaný řídicí systém simulátoru velmi dobré předpoklady: dostatečně dimenzovaný rozváděč, možnost přidat další karty I/O ze systému WAGO-I/O-System 750, a především záznamník dat vestavěný v jednotce PFC, který poskytuje přesně tu integrující funkci, která předchozí verzi simulátoru chyběla. Po připojení nových snímačů k řídicímu systému se jejich výstupní údaje budou automaticky logovat synchronně s časem a s ostatními údaji, jako jsou tlak, vybraný scénář či aktivované trysky. Analytik si pak snadno stáhne soubor typu CSV z jednotky PFC prostřednictvím WiFi k následnému zpracování a vyhodnocení měření v kanceláři.   V plánu je především připojení ultrazvukového převodníku polohy hladiny Banner U-GAGE S18U, kdy z naměřených hodnot bude možné vypočítat průtok. Dále je v plánu připojení srážkoměru s funkcí ověření bodové hodnoty srážky a náhrada v současnosti využívané sondy vlhkosti půdy ThetaProbe ML2x se speciálním výstupním signálem 0 až 1 V novým snímačem vlhkosti se standardním výstupem na 0 až 20 mA, přímo připojitelným k dosavadní kartě I/O WAGO 750-453. Rovněž se uvažuje o integraci komunikačního standardu SDI-12, v tuzemsku nepříliš známého, což je speciální sériová komunikační sběrnice vyvinutá v USA koncem 80. let minulého století k současnému připojení až 62 různých snímačů parametrů okolního prostředí. K tomu bude nutný převodník SDI-12/RS-232, který umožní připojit sběrnici SDI-12 k řídicímu systému prostřednictvím portu RS-232 vestavěného v jednotce PFC.   Pokud jde o software, je naplánováno přidat další scénáře a dále pokročit v automatizaci chodu celého simulátoru tak, aby zaškolení obsluhy bylo co nejsnazší. Cílem je omezit roli obsluhy při výběru intenzity deště, popř. některé ze sekvencí dešťů v případě variabilní srážky (uživatel jen zadá, jakou chce intenzitu deště, a systém sám vybere scénář s potřebnými parametry).   Poděkování Příspěvek vznikl s podporou v rámci projektů NAZV QJ1520265 Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině a NAZV QJ1530181 Metodika stanovení hodnot C faktoru pomocí simulátoru deště.   Literatura: [1] ISERLOH, T. et al.: European small portable rainfall simulators: A comparison of rainfall characteristics. Catena, 2013, pp. 100–112. [2] KOLÁČKOVÁ, J. et al.: Výzkum půdní eroze pomocí laboratorního dešťového simulátoru. In: Sborník konference Workshop 2002 Extrémní hydrologické jevy v povodích, pp. 73–78. [3] KAVKA, P. et al.: Modernizace a kalibrace mobilního dešťového simulátoru. Stavební obzor, svazek 05/2013, pp. 137–142. [4] STRAUSS, P. et al.: Rainfall Simulation for Outdoor Experiments. In: Current research methods to assess the environmental fate of pesticides, 2000, pp. 329–333. [5] CHRISTIANSEN, J.: Irrigation by Sprinkling. California Agricultural Experiment Station, 1942, Bulletin No. 670.   Ing. Ondřej Nývlt, Ph.D. (nyvlt@feramat.com), Feramat Cybernetics s. r. o., Ing. Petr Kavka, Ph.D., Fakulta stavební ČVUT v Praze   Obr. 1. Mobilní simulátor deště FSv ČVUT v terénu Obr. 2. Schéma nového (2015) rozložení trysek při nejčastěji využívaném měření dvou postřikovaných ploch (1 × 1 m a 8 × 2 m) Obr. 3. Příprava mobilního simulátoru deště k měření Obr. 4. Ventily k řízení toku vody do postřikovacího ramene simulátoru – zleva: obtok trysek na rameni, regulační ventil, hlavní ventil Obr. 5. Procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 Obr. 6. Sestava řídicího rozváděče simulátoru Obr. 7. Operátorské rozhraní k manuálnímu ovládání simulátoru Obr. 8. Operátorské rozhraní k ovládání scénářů Obr. 9. Časový průběh tlaku vody a minutové intenzity deště v průběhu experimentu s novým řídicím systémem (9. 7. 2015) Obr. 10. Časový průběh tlaků v potrubí a kontrolní minutové intenzity naměřené srážkoměrem – stav před instalací nového řídicího systému   Tab. 1. Rozšířené měření prostorového rozložení umělého deště (červen 2015) Číslo zkoušky Schéma trysek Qmean1) (l) CU-index (%) Naměřená intenzita srážek (mm/h) Relativní směrodatná odchylka (%) 1 schéma 1 10,65 78,9 105,8 ± 22,6 ±21 2 schéma 3 2,77 78,8 53,4 ± 10,8 ±20 3 2,97 82,9 50,3 ± 7,8 ±16 4 schéma 2 5,78 82,4 102,1 ± 16,4 ±16 5 5,60 80,8 104,5 ± 18,6 ±18

Informační a elektronické systémy vlaku zaměřené na cestující

Tomáš Tichý, Dobromil Nenutil   Moderní vlak obsahuje vedle elektronických systémů nezbytných pro vlastní jízdu také množství systémů, které jsou orientované na podporu provozu a údržby a na zlepšení komfortu a bezpečnosti cestujících. Mnohé z těchto systémů jsou dále integrovány do informačního a dispečerského systému dopravce a správce infrastruktury. Článek je zaměřen na systémy orientované na cestující. Uvádí funkční i jiné požadavky, které by měly tyto systémy splňovat, a představuje jedno konkrétní řešení – multimediální informační systém UniTrack PIREDI firmy UniControls. Besides electronic systems inevitable for its own operation, a modern train contains also numerous systems which support the train operators, and the service engineers and which strive to increase passengers comfort and security. Many of those systems are integrated into information systems of train operator and infrastructure manager. The article is aimed at the passenger oriented systems. It mentions functional and other requirements which should be met by those systems and it presents one specific solution – multimedia information system UniTrack PIREDI developed by the company UniControls.   1. Úvod Moderní vlak obsahuje vedle elektronických systémů nezbytných pro vlastní jízdu také množství systémů, které jsou orientovány na podporu provozu a údržby a na zlepšení pohodlí a bezpečnosti cestujících. Společnost UniControls se dlouhodobě zabývá vývojem, výrobou a integrací vlakových palubních řídicích a informačních systémů včetně jejich využití v praxi. V oboru informačních systémů zaměřených na cestující postupně získala detailní znalosti potřeb a požadavků cestujících i provozovatelů a objednavatelů dopravy a dalších veřejných institucí, jako jsou koordinátoři integrovaných dopravních systémů, a také konstruktérů vozidel a integrátorů vozidlových systémů. Tyto potřeby a požadavky jsou implicitně vyjádřeny v popisu hypotetického systému, přesněji souboru systémů, který je uveden v kapitole 2 tohoto článku. Většinu z nich splňuje multimediální systém (MMIS) vyvinutý firmou UniControls pod obchodní značkou UniTrack PIREDI (Passenger Information, Reservation, Entertainment and vehicle DIagnostics), který je stručně popsán v kapitole 3.   2. Požadavky na systémy zaměřené na cestující Cestující přijde poprvé do styku s vozidlovými PIS (Passenger Information System) již během čekání na vlak, kdy se potřebuje ujistit o nástupu do správného vlaku a také nalézt dveře vozu poskytujícího jím zakoupené služby. Orientaci mu usnadní dobře viditelné informační tabule sestavené z vysoce svítivých LED, které zobrazují cíl a trasu jízdy vlaku, čísla linek a rezervační čísla vozů. Po nástupu do vozidla získá podrobnější informace o řazení a obsazení vlaku na LCD v nástupních prostorech. Hledání místa k sezení mu usnadní rezervační displeje umístěné přímo nad místy k sezení nebo na stěnách vozových oddílů. Během cesty je průběžně informován o jízdním řádu vlaku, následující stanici a palubních službách, ve své cílové stanici např. o směru výstupu a přípojích, a to jak akusticky prostřednictvím systému vlakového rozhlasu (PAS – Public Address System), tak i na interiérových LCD, popř. LED informačních tabulích. V případě plánovaných výluk, nepředvídaných zpoždění a mimořádných událostí je cestujícímu poskytnuta jasná a srozumitelná informace v podobě předem připravených scénářů mimořádných a nouzových oznámení v akustické i vizuální formě.     Vnímání subjektivní bezpečnosti je posíleno systémem interkomu, který umožňuje obousměrné komunikační spojení cestujícího s vlakovým personálem. Řešení mimořádných situací i prevenci kriminality napomáhá možnost integrace s kamerovým systémem. Cestujícím s omezenou schopností pohybu nebo orientace je poskytována informovanost na stejné úrovni s ohledem na jejich specifické potřeby – tj. akustické informace vně vlaku pro nevidomé, systém přivolání pomoci pro hendikepované, zaručená velikost a čitelnost písma; vše podle požadavků zákonné normy TSI-PRM (Technical Specification for Interoperability – Persons with Reduced Mobility).   Na palubních displejích je možné zobrazovat multimediální obsah, jako např. videosekvence, animace, obrazové prezentace a živé mapy, vše doplněné také volitelným zvukovým doprovodem. Obsah je možné cílit na konkrétní komerční kategorii vlaku, trasu vlaku, geografickou polohu, denní dobu apod. Díky tomu je možné cestujícím poskytnout nové služby, jako např. lokální turistické informace, živý pohled z kabiny strojvedoucího, nabídky služeb dopravce a neobtěžující lokálně cílené reklamy zaměřené přímo na určité cílové skupiny cestujících podle vozové třídy. Stejnou úroveň informovanosti, vylepšenou o interaktivní obsah, lze poskytnout také prostřednictvím vlakového portálu přímo na osobních zařízeních cestujících (chytré telefony, notebooky, tablety). Přístup je zajištěn s použitím vnitřní vozidlové sítě, včetně volitelného rozšíření o službu přístupu k internetu.   Zajištění provozu moderních informačních systémů pro cestující představuje komplexní úlohu i pro dopravce a klade zvýšené požadavky na kvalifikaci personálu a vlastní informační infrastrukturu. Systémy musí umožňovat maximálně bezobslužný provoz, přitom ale zajistit kompletní kontrolu nad poskytovanými informacemi a možnost osobní intervence obsluhy v kterékoliv fázi jízdy vlaku. Běžný provoz systémů je tedy plně automatický, založený na geografické lokaci polohy vlaku prostřednictvím modulu GPS. Pro tratě s významnými tunelovými úseky je možné doplnit odometrický modul. Vlakový personál může kdykoliv provádět manuální korekce, spouštět scénáře pro mimořádné události a vkládat doplňkové informace. Systém lze řídit z kteréhokoliv vozu vlaku, nebo dokonce dálkově z dispečerského centra. Přechod mezi jednotlivými ovládacími stanovišti je zcela plynulý, bez ztráty kontinuity poskytovaných informací. Informace všech subsystémů lze podávat v několika jazykových mutacích, včetně podpory různých znakových sad. Jazyky je možné automaticky přepínat v závislosti na poloze vlaku.   Palubní systémy jsou doplněny systémem kompletního dálkového managementu mobilních aplikací, který umožňuje dálkovou kontrolu a ovládání vozidlových systémů a správu palubních datových zdrojů. Systém využívá všechny dostupné IP bezdrátové sítě, tj. veřejné a privátní GSM – GPRS, EDGE, UMTS, LTE, GSM-R a WiFi. Transparentně přizpůsobuje datové toky podle jejich aktuální kvality a dostupnosti, stanovuje priority dat podle jejich důležitosti, poskytuje transparentní úložiště dat určených pro dočasně nedostupná vozidla a upozorňuje obsluhu na případnou nedoručitelnost dat. Přístup vozidel je autorizován a veškerá komunikace je plně zabezpečena podle aktuálních bezpečnostních standardů pro provoz v otevřených datových sítích (internet). Služby tohoto systému jsou poskytovány prostřednictvím otevřeného rozhraní webových služeb – web services.   Datový obsah pro jednotlivé systémy je pořizován ve formátu XML, který umožňuje import z dalších informačních systémů dopravce nebo správce infrastruktury. K dispozici jsou softwarové nástroje pro přípravu dat a simulaci vozidlových systémů na PC. Firmware všech zařízení ve vozidle je možné bezpečně na dálku aktualizovat (upgradovat), takže nové vlastnosti realizované softwarem lze přidávat v průběhu celého životního cyklu systému. Systémy používají nejmodernější komunikační prostředky, jako jsou IP drátové i bezdrátové sítě, jazyk HTML5 a webové služby pro vizualizaci, hardwarově akcelerované přehrávání streamovaného videa, architektonický styl SOA (Service Oriented Architecture) a rozhraní API (Application Programming Interface) pro soudobé informační systémy. Zároveň však nabízejí tradiční průmyslová komunikační rozhraní, dlouhodobě používaná v drážní technice, jako např. CAN, MVB (Multifunction Vehicle Bus), sériové komunikace a přímé I/O. Pro zjednodušení zálohování a snížení nákladů na kabeláž jsou zařízení s rozhraním Ethernet přednostně vybavena integrovaným switchem (přepojovačem) s možností připojení do sítě kruhové topologie.   Pro komunikaci mezi jednotlivými vozidly v soupravách s provozně měnitelným řazením využívají systémy vysokorychlostní sběrnici ETB (Ethernet Train Backbone) podle normy IEC 61375. To umožňuje jejich použití v širokém spektru provozních scénářů od samostatných vozidel přes spřahované jednotky až po soupravy sestavované z jednotlivých osobních vozů a řídicích a hnacích vozidel. Informování cestujících je vždy zajištěno podle skutečného směrování konkrétní části vlaku a přímých vozů včetně automatické rekonfigurace po rozpojení a spojení vlaku, úvrati a obratu soupravy podle plánovaného oběhu.   Všechny přístroje, které jsou součástí systémů, jsou navrženy pro vozidlové prostředí a napájení z palubní sítě. Testovány jsou v celém rozsahu provozních teplot, ověřeny na elektromagnetickou kompatibilitu a odolnost proti rázům a vibracím a certifikovány podle normy EN 50155. Vzhledem k často omezeným zástavbovým možnostem jak v modernizovaných vozidlech (kde se s instalací dalších zařízení nepočítalo), tak v moderních nízkopodlažních vozidlech (kde je třeba co největší užitná plocha pro cestující) jsou komponenty systémů navrženy jako kompaktní přístroje. Z funkčního hlediska lze jeden přístroj využít pro běh několika softwarových komponent, např. ovládací panel s displejem řídí PIS, PAS, multimediální i kamerový systém, poskytuje datové úložiště a služby ukládání, archivace a distribuce videozáznamů (content server). Systémy jsou vybaveny funkcí vnitřní diagnostiky, urychlující identifikaci a odstranění závady, a to i na dálku.   3. Multimediální informační systém UniTrack PIREDI Multimediální informační systém MMIS, který byl vyvinut ve společnosti UniControls pod obchodním názvem UniTrack PIREDI, se skládá ze šesti relativně funkčně samostatných subsystémů. Lze jej považovat za platformu, obsahující hardwarové a snadno rozšiřitelné softwarové komponenty, která umožní realizaci kompletního systému MMIS nebo jeho vybraných subsystémů a částí podle požadavků zákazníka. Jednotlivé subsystémy mohou být vzájemně propojeny pomocí otevřených komunikačních rozhraní a softwarových služeb a kooperují ve finální sestavě PIREDI. Jednotlivá zařízení PIREDI mohou být sdílena několika jeho subsystémy. Na obr. 1 jsou znázorněna zařízení systému PIREDI v moderním osobním voze.   3.1 Informační systém pro cestující (PIS) Informační systém pro cestující poskytuje audiovizuální informace související přímo s vlastní přepravou cestujícího. Cestující je informován o: směru a trase jízdy vlaku i jednotlivého vozu a o dělení vlaku na trase, následující stanici, směru výstupu a o přestupních vazbách, zastávkách na znamení (včetně signalizace zastávek), čísle vlaku, jeho komerční kategorii, jméně vlaku, čísle linky IDS, pásmech integrovaných dopravních systémů a tarifech, řazení vlaku (včetně např. směru k jídelnímu vozu), plánovaných i neočekávaných mimořádných situacích.   Systém je řízen zcela automaticky v závislosti na poloze vlaku a jeho řazení poskytovaném vlakovým komunikačním systémem. Jsou možné korekce obsluhou nebo kompletní manuální řízení.   Funkce systému jsou realizovány těmito zařízeními: řídicí jednotka s ovládacím displejem DIS-210: je jádrem systému, obsahuje databáze, realizuje grafické uživatelské rozhraní (GUI), umožňuje připojení do bezdrátových sítí a sledování polohy vlaků pomocí systémů GNSS, informační tabule LED EIB a ITLU (obr. 2, obr 3): zobrazují základní informace o trase vně a uvnitř vlaku, umožňují automatické řízení jasu podle okolního osvětlení, informační LCD DIS-218 a DIS-318: zobrazují podrobné informace o trase, typicky v interiéru vlaku. Dodávány jsou v jednostranném i oboustranném provedení.   3.2 Rezervační systém (RES) Rezervační systém poskytuje informace související s rezervací míst ve vlaku. Jsou jimi: rezervační čísla vozů, označení volných a obsazených míst včetně trasy rezervace, označení míst se zvláštní vlastností (např. pro rodiče s dětmi, tichý oddíl, dámský oddíl).   Systém je řízen zcela automaticky v závislosti na poloze vlaku a jeho řazení poskytovaném vlakovým komunikačním systémem. Jsou možné korekce obsluhou. Data jsou distribuována v režimu on-line z centrálního rezervačního systému prostřednictvím subsystému správy mobilních aplikací MOMA. Funkce systému jsou realizovány těmito zařízeními: řídicí jednotka s ovládacím displejem DIS-210: tvoří jádro systému, obsahuje databáze a GUI, rezervační displeje („místenkovače“) SRD-02 a SRD-08: zobrazují informace o místech; dodávány jsou v provedení na těnu, do stěny nebo integrované do nosiče zavazadel, informační LCD DIS-218 a DIS-318: zobrazují rezervační plánky vozu s vyznačením obsazených míst.   3.3 Multimediální systém (MMS) Multimediální systém poskytuje další doplňkové informace pro cestující a zábavní obsah, popř. reklamy v audiovizuální formě. Dále zprostředkovává zobrazení informací jiných subsystémů a externích aplikací pro cestující. Informace jsou připraveny v podobě tzv. playlistů. Jsou to předem dané multimediální sekvence, které mohou zahrnovat audiosoubory, ideosoubory, obrázky, animace, stránky v HTML a aplikace. Provedení sekvencí může být vázáno různými kombinacemi podmínek, vztahujícími se např. k druhu vlaku nebo konkrétnímu vlaku, poloze vlaku, času, státu a jazyku, zobrazení v určité části vlaku apod. Informace o zobrazení každé položky playlistu může být volitelně zaznamenána, a to včetně informace o vlaku, čase a geografickém místě přehrání, popř. o poruše zařízení, která znemožnila přehrání. To umožňuje prokázat dodržení kontraktu s poskytovatelem obsahu.   Vzhled jednotlivých obrazovek pro cestující, sekvence zobrazování jednotlivých informačních kanálů včetně integrace informací z ostatních subsystémů MMIS jsou určeny tzv. timesheety, implementovanými jako šablony stránek HTML 5 s formátováním definovaným CSS3. Obsah videosouborů je streamován po IP síti s využitím hromadné adresace (multicast), takže lze synchronně obsloužit velké množství displejů bez zvláštních požadavků na šíři přenosového pásma. Funkce systému jsou realizovány zařízeními: content server s ovládacím displejem DIS-210: jádro systému, databáze playlistů a timesheetů, server pro webové aplikace multimediálních displejů, streamovací server pro videosoubory, ovládací GUI, multimediální displeje DIS-218 a DIS-318: zobrazují obsah distribuovaný tzv. content serverem.   3.4 Systém hlasové komunikace (PAS) Systém hlasové komunikace zajišťuje hlasovou komunikaci v reálném čase formou hromadného hlášení, adresného hlášení nebo rozhovoru bod-bod. Zprostředkovává také hlasové služby ostatním subsystémům. Systém PAS zajišťuje: hromadná hlášení cestujícím do celého vlaku nebo do vybraného vozu (popř. skupiny vozů) nebo do oddílu, hlasovou komunikaci (telefonii) vlakového personálu, audiokanály pro ostatní subsystémy, např. automatická hlášení PIS, ozvučení informací MMS, koncový bod nouzových volání bezpečnostního systému u vlakového personálu.   Zvuk je přenášen prostřednictvím digitálního streamu v IP síti (VoIP) nebo volitelně prostřednictvím existujících analogových vlakových linek podle vyhlášky UIC 568. Oba způsoby komunikace lze kombinovat a mohou se vzájemně zálohovat. Takto je hlasový výstup realizován jako bezpečná funkce. Funkce systému PAS jsou realizovány zařízeními: rozhlasová ústředna RUV: směrování hovorů, ozvučení vnějších a vnitřních prostor vlaku, telefonní přístroj TEL: základní ovládání systému vlakovým personálem, mikrotelefon pro hlášení a hovory, signalizace příchozích hovorů, ovládací displej DIS-210: pokročilé ovládání a diagnostika – podrobné směrování hlášení a hovorů, zobrazení identifikace a lokace příchozích volání a probíhajících streamů.   3.5 Bezpečnostní systém (CAM) Bezpečnostní systém CAM realizuje funkce dohledu, související s bezpečností cestujících ve vlaku (ve smyslu prevence a ochrany před kriminalitou), funkci komunikace při mimořádných událostech a funkce podpory cestujícím se sníženou schopností pohybu a orientace. Data z kamer, které monitorují vnitřní i vnější prostory, jsou zobrazována na displeji vyhrazeném pro tento účel nebo na ovládacím displeji a jsou ukládána pro další zpracování. Nouzová komunikace umožňuje přivolat pomoc cestujícím. Při aktivaci nouzového komunikátoru se automaticky zobrazí obraz z kamery monitorující přidružený prostor. Nevidomý může prostřednictvím slepecké vysílačky spustit automatickou akustickou informaci o vlaku a signalizovat úmysl nastoupit. Funkce systému jsou realizovány zařízeními: nouzový komunikátor HJT: signalizace nouze a obousměrná komunikace cestujícího s vlakovým personálem, řídicí a ovládací displej DIS-210: informace o příchozí signalizaci, monitorování obrazu kamer, úložiště snímků z kamer, volání služeb dalších subsystémů v závislosti na signalizaci (např. automatická hlášení prostřednictvím PIS a PAS), IP kamera v různých provedeních podle designu interiéru a exteriéru vozidla: monitoruje sledovaný prostor a streamuje video do IP sítě, přijímač pro nevidomé: přijímá signály ze slepecké vysílačky a předává je řízení PAS.   3.6 Diagnostický systém (TELEDIAG) Diagnostický systém monitoruje a vyhodnocuje činnost ostatních zařízení a subsystémů MMIS, ukládá a zobrazuje diagnostické záznamy, využitelné jak pro okamžité odstranění závady na voze, tak pro plánování údržby vozidel, dlouhodobé vyhodnocování spolehlivosti systémů a predikci potřeb prostředků servisu. Diagnostické záznamy jsou ukládány v palubním systému ve formě: časových řad průběhu veličiny (trace record) s konfigurovatelnou periodou vzorkování, okamžitých hodnot (snap record), využívaných zejména pro záznam kumulativních veličin (např. motohodiny), diagnostických událostí (event record), které jsou charakteristické časem vzniku a zániku. Každá diagnostická událost může mít mimo vlastní popis přiřazenou prioritu, závažnost a další průvodní texty, napomáhající pracovníkům údržby v odstranění závady, a to i vícejazyčně pro vozidla v mezinárodním provozu. Vznik i zánik diagnostické události mohou být dále provázeny údajem o poloze vozidla, souborem okamžitých hodnot sledovaných veličin ve volitelném časovém úseku a volitelné vzorkovací frekvenci před vznikem nebo zánikem události a nich. Diagnostickou databázi systému TELEDIAG lze s výhodou využít i k ukládání diagnostiky ostatních subsystémů vozidla, jako jsou např. systém nadřazeného řízení TCMS, pohonné a brzdové systémy, centrální zásobování energií, vodní hospodářství a toalety, řízení dveří, osvětlení či klimatizace. K tomuto účelu je systém vybaven širokým spektrem externích průmyslových rozhraní od prostých digitálních a analogových vstupů přes tradiční sběrnice RS-232, RS-422, RS-485, MVB a CAN až po nově zavedená rozhraní USB a Ethernet. Data diagnostiky jsou dálkově replikována prostřednictvím systému MOMA na pozemní server, kde mohou být využita pro plánování oprav a případné odstavení či náhradu vozidla ještě před jeho příjezdem do depa. Diagnostické informace lze také lokálně vyčítat ze všech vozidel vlaku do jednoho místa prostřednictvím vlakové sítě, a to jak k přímému zobrazení na ovládacím displeji DIS-210, tak prostřednictvím servisního notebooku. 3.7 Systém managementu mobilních aplikací (MOMA) Systém MOMA slouží dopravci jako prostředek správy flotily vozidel vybavených palubními informačními systémy. Zajišťuje dálkovou správu dat aplikací, správu firmwaru a přenos stavových informací. Jednotně zprostředkovává další služby mezi pozemní a vozidlovou částí aplikace pro všechny subsystémy MMIS, popř. i pro další subsystémy vozidel. Systém MOMA jako celek zprostředkovává transparentní komunikační spojení mezi pozemní a vozidlovou částí distribuovaných vlakových aplikací včetně dalších návazných služeb pro snazší implementaci datových přenosů do aplikací s respektováním specifik drážního provozu. Je aplikačně neutrální, obsah přenášených dat je záležitost konkrétní aplikace. Umožňuje sdílení úzkého a málo kvalitního přenosového kanálu (typicky GPRS) několika aplikacemi se zaručením priorit a ochrany pásma před zahlcením (QoS – Quality of Service). Systém MOMA poskytuje aplikacím tyto služby: zabezpečení přenosu: autentizace a šifrování, identifikace vozidla a zařízení, informace o stavu spojení s vozidlem (on-line, off-line, poslední čas připojení), periodický přenos stavové informace z vozidla: základní stavová informace vždy obsahuje identifikaci vozidla a jeho polohu a lze ji rozšířit o stavové informace aplikace (např. navolené číslo vlaku, aktivní playlist), přenos datového balíku do vozidla nebo z vozidla: je zajištěno automatické navazování přerušených přenosů včetně dokončení rozpracovaných transakcí, aplikace je informována o všech změnách stavu přenosu včetně akceptování balíku protistranou, překročení časového limitu apod., oboustranná rozdílová synchronizace dat mezi pozemní a vozidlovou částí aplikace, zajišťující minimalizaci datových přenosů při přírůstkové aktualizaci velkých datových balíků, včetně uvědomění o stavu přenosu, přenos instantních zpráv mezi vozidlovou a pozemní částí aplikace, včetně potvrzení doručení a uvědomění o stavech přenosu.   Systém MOMA se skládá z pozemního serveru MOMA-S a vozidlových klientů MOMA-C. Vozidlový klient MOMA-C lze umístit v různých vozidlových zařízeních a využít několik přenosových kanálů (např. GSM, LTE, WiFi) s automatickou volbou nejlepšího dostupného kanálu. Klient je možné realizovat též jako distribuovaný klient s přenosem dat i do vozů, které nejsou vybaveny bezdrátovou komunikací, prostřednictvím vlakové páteřní sítě WTB nebo ETB. Spojení MOMA-S a MOMA-C a autorizace klientů jsou zabezpečeny šifrovanou virtuální sítí OpenVPN, a umožňují tedy provoz i v otevřených sítích (sítě veřejných operátorů GSM, WiFi, internet).   Server MOMA-S je implementován jako dvoustupňový. První stupeň tvoří server OpenVPN, zajišťující autorizaci vozidlových klientů a volitelně i certifikační autoritu pro vydávání vozidlových certifikátů. Součástí serveru OpenVPN je unikátní nadstavba QoS, umožňující řídit datové toky i v sítích, ve kterých nejsou pod kontrolou nižší vrstvy IP protokolů využívané klasickým QoS – typicky jde o sítě veřejných operátorů GSM, kde vinou velké latence a frontování u operátora tradiční QoS selhává. Druhý stupeň je aplikační server implementující interní webové služby (Web Services) systému MOMA a externí webové služby pro přístup pozemních aplikací. Interní i externí rozhraní MOMA-S dovolují připojit aplikace třetích stran (včetně klientů MOMA-C implementovaných třetími stranami). MOMA-S dále obsahuje úložiště pro uložení přenesených dat. Je vybaven webovým administrátorským rozhraním, které podle nastavených uživatelských přístupových práv umožňuje: sledování stavů vozidel včetně jejich polohy na mapě, monitorování stavů jednotlivých datových přenosů, statistiky přenosů, prohlížení přenesených datových balíků, zakládání nových datových balíků pro přenos, zahájení a rušení datových přenosů, posílání komunikačních zpráv.   Pozici systému UniTrack PIREDI v kontextu integrovaného železničního informačního systému znázorňuje obr. 4.   4. Závěr Aby železnice obstála v konkurenci ostatních druhů dopravy, musí nabídnout nové služby všem subjektům železničního systému – dopravcům, správcům infrastruktury, a především cestujícím. Tyto služby vesměs vyžadují výměnu značného množství informací mezi subsystémy vlaku a mezi vlakem a pozemními systémy. Vybavení vozidel vysokokapacitní komunikační infrastrukturou je tedy podmínkou jejich realizace. Vlaková komunikační síť potřebných vlastností založená na komunikaci Ethernet a protokolu IP je již standardizována (IEC 61575). Standardizace jejího propojení s pozemními systémy bude dokončena v roce 2016. Norma IEC 61375 byla firmou UniControls implementována a tvoří základ systémů skupiny UniTrack, tj. i systému Uni- Track PIREDI.   Standardizační úsilí se nyní zaměřuje na multimediální a telematické systémy ve vlacích, konkrétně na specifikace funkcí a rozhraní subsystému kamerového dohledu, subsystémů poskytujících služby orientované na cestující, strojvedoucího, osádku vlaku, údržbu a dopravce. Firma UniControls je členem příslušné standardizační pracovní skupiny, což jí umožňuje promítnout průběžné výsledky práce na standardech do svých řešení.   Literatura: [1] ČSN EN 61375-1 Elektronická drážní zařízení – Vlaková komunikační síť (TCN) – Část 1: Obecná architektura. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2013. [2] IEC 62580-1 Electronic railway equipment – On-board multimedia and telematic subsystems for railways – Part 1: General architecture. International Electrotechnical Commission, 2015.   Ing. Tomáš Tichý (tichy@unicontrols.cz), Ing. Dobromil Nenutil (nenutil@unicontrols.cz), UniControls a. s. Praha   Obr. 1. Zařízení systému UniTrack PIREDI v osobním voze Obr. 2. Informační LED tabule EIB Obr. 3. Informační LED tabule ITLU Obr. 4. Systém UniTrack PIREDI v kontextu integrovaného železničního informačního systému   Tab. 1. Zkratky spojené s informačními a elektronickými systémy vlaku (a systémem PIREDI firmy Unicontrols) Zkratka Význam Poznámka ATS Automatic Train Supervision   CAM   bezpečnostní kamerový systém (UniControls) DIS    ovládací nebo informační displej (UniControls) EIB   vnější informační panel s LED (UniControls)  EPNEV    přijímač systému pro nevidomé (UniControls)  ETB  Ethernet Train Backbone vlaková páteřní síť podle IEC 61375  HJT    nouzový komunikátor (UniControls)  ITLU    informační panel s LED (UniControls)  MMIS MultiMedia Information System  multimediální informační systém  MMS  MultiMedia System  multimediální systém  MOMA    systém správy mobilních aplikací (UniControls)  MOMA-C    vozový klient systému MOMA (UniControls)  MOMA-S    pozemní server systému MOMA (UniControls)  PAS  Public Address System  systém hlasové komunikace  PIREDI  Passenger Information, Reservation, Entertainment and vehicle DIagnostics  informační, rezervační a diagnostický systém (UniControls)  PIS  Passenger Information System  informační systém pro cestující  RES  Reservation System  rezervační systém  RUV    rozhlasová ústředna vlaku (UniControls)  SIG SJV    směrovka k jídelnímu vozu (UniControls)  SIG WC    signalizace stavu WC (UniControls)  SRD    rezervační displej/místenkovač (Unicontrols)  TCMS  Train Control and Monitoring System  systém nadřazeného řízení  TEL    telefonní přístroj (UniControls)  TELEDIAG    diagnostický systém (UniControls)  TSI-PRM  Technical Specification for Interoperability – Persons with Reduced Mobility  technická specifikace pro interoperabilitu – osoby s omezenou schopností pohybu a orientace 

Volba optimální migrační strategie řídicího systému v konkrétních podmínkách výrobního podniku

Projekty migrace a modernizace řídicích systémů patří v průmyslové automatizaci k těm nejsložitějším. Autoři shrnují své zkušenosti z této oblasti a dávají doporučení, jak se vyvarovat zbytečných chyb. Životní cyklus každého systému řízení se v určitém okamžiku dostane do stavu, kdy je nutné zamyslet se nad jeho inovací. Nejčastější praktické důvody takovéto situace jsou následující:Stávající řídicí systém začíná postupem času vykazovat zvýšenou poruchovost, a stává se tak zdrojem častějších přerušení, resp. výpadků výroby.Klesá dostupnost náhradních dílů k původnímu hardwaru řídicího systému v důsledku ukončení jeho výroby. S tím souvisí i klesající potenciál případných oprav vadných komponent. Hardwarové komponenty nelze v případě jejich poruchy nahradit novými komponentami.Narůstají obavy z možného závažnějšího selhání řídicího systému obdobně jako v jiných (např. sesterských) závodech.Operační systémy pro systémy HMI/SCADA staršího data nejsou v důsledku obchodních strategií původních výrobců operačních systémů nadále podporovány. V tomto případě jde především o problematiku náhrady operačního systému Microsoft Windows v různých verzích. Kdy nastal čas pro migraciRiziko havarijního výpadku, jehož důsledkem mohou být velké finanční ztráty ve výrobě, se stává enormním. Opětovné uvedení řídicího systému do provozuschopného stavu není pak totiž rychle možné. Je tomu tak i v případech potřeby vyřešit relativně jednoduchý technický problém, jako je např. nutnost nahrát konfigurační soubor do „inteligentní karty PLC“. Ani takovýto krok ale není bez konfiguračního programu poplatného době svého vzniku a operačnímu systému z té doby principiálně možný. O většinou speciální potřebné kabeláži s konektory, ke které se zpravidla již nikdo nehlásí, ani nemluvě. Ve většině případů však v důsledku nekompatibility současných verzí řídicích systémů a původních řídicích systémů jak v části PLC a jejich programovacích prostředí, tak v úrovni HMI/SCADA a jejich operačních systémů stejně jako v oblasti komunikačních sítí, vede tento proces k nutnosti celý původní automatizační systém do nového prostředí tzv. migrovat. V této souvislosti se hovoří o realizaci tzv. migračního projektu. Dva základní typy migrace: prostá a inovačníPro zajištění dalšího spolehlivého chodu technologického zařízení je proto žádoucí začít se především včas zabývat komplexním pohledem na náhradu řídicího systému jako celku, a to počínaje moduly vstupů a výstupů přes sběrnice pro vstupy a výstupy po vlastní řídicí PLC a vizualizační systémy HMI/SCADA s vazbou na podporované operační systémy.Opomenout se také nesmí komunikační propojení mezi systémy HMI/SCADA a zmíněnými PLC. Z tohoto pohledu lze migraci rozdělit do dvou základních typových rovin. Prvním z typů (tzv. prostou migrací) se rozumí realizace migračního projektu, kdy je při současném zachování původního rozsahu funkcí řídicího systému více méně pouze snaha zvýšit odolnost a spolehlivost řídicího systému proti pravděpodobným vlivům poruchy hardwaru nebo kolapsu softwaru v důsledku určitého hardwarového problému. Takovouto migraci lze realizovat pouhou výměnou hardwarových komponent PLC za díly nové, upgradem aktuálně používaného hardwaru počítačů a operačního systému a spolu s instalací nové verze vizualizačního softwaru překopírováním veškerého softwarového vybavení. Typickým příkladem může být třeba také náhrada některých starších verzí proprietárních komunikačních protokolů: např. SINEC H1 na transportní vrstvě ISO 8073 za transportní vrstvu TCP/IP nebo SINEC L2-DP za plnou verzi sběrnice Profibus-DP, tedy při pohledu do světa komponent firmy Siemens. Obr. 1. Migrace řídicích systémů patří k nejsložitějším úlohám v průmyslové automatizaci Realizace takovéto „prosté migrace“ je relativně jednoduchá, jde v podstatě o výměnu hardwarových komponent za modernější náhradu a „přehrání“ poslední aktuální verze aplikačního softwaru do části PLC a HMI/SCADA. Avšak realita nebývá k „prosté migraci“ takto příznivá. Podle zkušeností autorů je vždy mnoho faktorů, které pouhou záměnu jedna ku jedné posouvají od původního požadavku do složitější podoby, která má již charakter jakési komplexnější „modernizace“. Takovýto typ migrace se nazývá „migrací inovativní“. V pozadí tohoto přístupu je obvykle skutečnost, že oproti datu uvedení původního řídicího systému do provozu došlo mj. též k posunu v rozsahu a kvalitě funkcí, které současné řídicí systémy nabízejí. Mezi nejčastější „motivační důvody“ tohoto typu inovace zejména patří:Rozhodnutí o dodržení jednotné platformy řídicích systémů v celém závodě, popř. v celém koncernu, jež je velmi často prezentováno jako strategické koncernové rozhodnutí.Nové požadavky na vlastnosti řídicího systému jako jednoho z nástrojů k optimalizaci výrobních nákladů v rámci celé výrobní struktury (typicky řízení podle modelu, řízení podle analýzy historizovaných výrobních dat apod.) včetně požadavku na sběr větších objemů provozních dat a jejich dlouhodobou archivaci.Nové požadavky na rozšiřitelnost řídicího systému, a to jak po stránce hardwaru, tak i po stránce softwaru, související buď s plánovaným rozšířením technologie, nebo s optimalizací jejího provozu.Velmi častý a prozaický důvod – původní dodavatel řídicího systému buď již neexistuje, nebo není k nalezení nikdo, kdo by byl schopen poskytnout věrohodnou informaci o tom, jak řídicí systém funguje. Volba strategie migraceAčkoliv by se na první pohled zdálo, že volba optimální strategie při realizaci migračního projektu je relativně jednoduchá, neboť lze zjednodušeně říci: „nepotřebujeme-li nic měnit, zrealizujeme migraci prostou“ a „jestliže potřebujeme něco modernizovat, realizujeme podle požadavků modernizaci inovativní“, volbu strategie ovlivňuje velké množství dalších faktorů. Když se pomine faktor finanční, kde každá odchylka od původního pouhého převodu jedna ku jedné něco stojí, přicházejí i další faktory jak v oblasti technické, tak i v oblasti personální. Za nejvýznamnější je možné jmenovat tyto:technický stav souvisejících provozních souborů a omezující podmínky provozního rázu,omezující podmínky plynoucí z disponibility a stavu průvodní dokumentace, a to i pro soubory elektro, měřicí a automatizační techniky a průmyslových komunikačních sítí,očekávání vedení podniku z pohledu vazeb migrovaného řídicího systému k nadřazeným systémům kategorie ERP,míra podpory vlastníka, resp. managementu výrobního podniku,vazby na dodavatele původního řídicího systému, resp. jeho částí,finanční rámec a harmonogram realizace,očekávání investora z hlediska návratnosti,režim a podmínky pro oživování migrovaného řídicího systému při jeho uvádění do provozu ve spojení s řízeným výrobním systémem po provedené migraci. Zkusme tedy nyní na základě minulých vyjádření sestavit jakýsi hypotetický komentovaný manuál postupu při rozhodování o migrační strategii a uveďme některé poznatky z praxe, získané v minulosti při řešení takovýchto projektů. Primárně provozovatele systému, resp. investora migračního projektu zajímá, zda půjde o projekt prosté, nebo inovativní migrace. Toto rozhodnutí je možné učinit a priori, nicméně v konkrétních podmínkách výrobního podniku mu obvykle předchází provedení širokého spektra sekvenčních, paralelních a cyklicky se opakujících dílčích úvah a rozhodnutí, pro něž by sestavení běžného manuálu, který by měl podobu jednotlivých sekvenčních kroků, nemělo valný smysl. Zmiňme proto spíše skupiny témat, které musí být kvalifikovaně vzaty v úvahu. První skupinou je zjištění aktuálního technického stavu nejen řídicího systému, ale také vlastní řízené technologie. Nutnost existence posledních záloh aplikačního softwaru a elektrodokumentace skutečného stavu je v tomto kroku nesporná, je však také třeba zjistit nejen výskyt veškerých poruch a problémů, které uživatelé s řídicím systémem měli, ale také chyby a poruchy, které mají původ mimo řídicí systém. Z praxe je autorům známo, že o mnoha takovýchto poruchách a problémech zaměstnanci výrobního podniku buď nevědí, anebo v horším případě vědí, ale nevědomky nebo úmyslně je zamlčují. Druhou skupinou jsou úvahy na téma variant migrační koncepce. K tomuto kroku je možné přistoupit, existují-li veškeré možné podklady o řídicím systému a jeho technologickém okolí. Při návrhu variant migrační koncepce je důležité rovnocenně zvažovat obě etapy budoucí realizace migrace, a to jak etapu vlastního vývoje či převodu řídicího systému, tak i etapu oživení a uvedení do provozu ve spojení s řízenou technologií. Ve většině případů je totiž nutné systém oživovat buď za provozu, nebo v minimálních odstávkových časech. Tato skutečnost totiž významně ovlivňuje technické řešení, a představuje tak pro celý migrační projekt zcela zásadní výzvu. Několik užitečných poznámekK této výzvě uveďme několik poznámek, které vycházejí ze zkušeností autorů z již realizovaných migračních projektů. První poznámka se týká technického řešení. Autoři doporučují inklinovat spíše ke koncepci centralizace řídicího systému. Přiklánějí se k maximálnímu využití moderních komunikačních sítí na platformě Ethernet, a to v obou případech, tj. jak pro propojení řídicích systémů a systémů vizualizačních, tak i pro řešení komunikace s moduly vstupů a výstupů. V části modernizace HMI/SCADA podporují uplatnění virtualizačních metod, kdy na jednom fyzickém hardwaru je možné provozovat více virtuálních počítačů, které si mohou po přechodnou dobu zachovat i původní verze operačních systémů, přestože vlastní hardware pro fyzickou instalaci takovéhoto operačního systému již neexistuje. Tyto koncepce podporují také minimalizaci požadavků na vlastní oživení a uvedení do provozu, což mj. vytváří žádoucí předpoklady pro splnění potřeb na minimální přerušení běžící výroby při oživování migrovaného systému. Druhá poznámka se týká technické realizace přechodu ze starého na nový migrovaný systém. Jestliže se připouštějí pouze extrémně krátké odstávky výrobní technologie (např. z důvodu trvanlivosti meziproduktů), je nutné mít k dispozici řešení s neustálou možností zpětného přepnutí na původní řídicí systém. V tomto případě se starý řídicí systém definitivně „zruší“ až po oživení a uvedení do provozu nového řídicího systému a po uplynutí zkušební doby s ním. Velmi často se při plánování zapomíná na dostatečný časový prostor pro potřebnou etapu testovacího provozu nového řídicího systému „bez materiálu“ a „s materiálem“. Obvykle totiž převáží tlak na urychlené obnovení plnohodnotné výroby po provedené migraci. V důsledku tento přístup vede pouze k „dotestovávání“ migrovaného systému v pozdějším a mnohdy navíc provozně méně vhodném období. Třetí poznámka se týká řízení migračního projektu. Při krátké odstávce výrobní technologie zahrnuje tento manažersky náročný soubor činností koordinaci nutné velmi úzké součinnosti pracovníků výrobního podniku a jejich fyzické spoluúčasti na testech a při náběhu migrovaného řídicího systému. V případě rozsáhlejšího řídicího systému (několik PLC) nebo migrace několika řídicích systémů jednotlivých strojů ve výrobní lince je nutné také koordinovat činnosti demontážních, montážních a oživovacích prací, což mnohdy může vést i k součinnosti externích dodavatelských týmů. Poslední poznámka se vztahuje k formálnímu stanovení kritérií, při jejichž splnění je migrovaný řídicí systém považován za „hotový“ a připravený k předání a převzetí. Ačkoliv se může na první pohled zdát, že formalizace tohoto více méně netechnického podkladu je zbytečná práce, zkušenosti prokazují, že právě v jeho pokud možno exaktních definicích, věcně i časově přesné specifikaci spoluúčasti provozovatele a ve fundovaném zaznamenání stavu před realizací a stavu požadovaného po realizaci je velmi často klíč k realizaci úspěšné migrace. Po opakovaném zvážení všech souvislostí, variant možných řešení a jejich personální, časové a finanční náročnosti je pak možné konvergovat k finálnímu uvážlivému rozhodnutí o optimální migrační strategii a cílech realizace migračního projektu. Je nezbytné učinit jednoznačné, jasné a přesné rozhodnutí o tom, zda předmětem migrace bude převod jedna ku jedné, nebo zda se počítá s realizací určitých „inovačních kroků“. Toto rozhodnutí ze zřejmých důvodů nemůže a ani nesmí učinit realizační firma daného projektu, neboť je výsostnou doménou podnikového managementu. Přijetí jasného stanoviska ale v praxi velmi často naráží na nejednotný přístup představitelů jednotlivých podnikových struktur, kde výrobní manažeři bojují za inovace, provozní manažeři za spolehlivý chod a nejsilnější složka – finanční manažeři, za minimalizaci nákladů. Na tomto místě zmiňme častou zkušenost autorů z dosavadních projektů, u nichž z finančních důvodů v rozhodovací fázi zvítězila koncepce prosté migrace. U pracovníků ve výrobě to posléze vedlo k názoru, že celá akce neměla valný smysl, protože funkční nedostatky systému zůstaly při starém a systém po migraci vlastně až tak moc nového nepřinesl. ZávěremA co dodat závěrem. Realizace migračních projektů představuje nejsložitější typ projektů v automatizaci vůbec. Spojují se zde aspekty technické, a to jak v oblasti návrhu moderního řídicího systému, tak i jeho oživení a uvedení do provozu v konkrétních podmínkách podniku s běžící výrobou, a aspekty netechnické, zahrnující řízení lidských zdrojů a ekonomiku provozu. Úspěšně realizovaný migrační projekt však představuje efektivní modernizační investici a investorovi, resp. provozovateli otevírá dveře k souběžné, popř. návazné inovaci výrobní základny.Miroslav Dub, Radim Novotný,SIDAT, spol. s r. o.

Platforma EPLAN 2.6 je již k dispozici

S novou verzí platformy Eplan 2.6 mohou uživatelé využívat rozsáhlé inženýrské funkce, které jsou schopni snadno integrovat do svých každodenních pracovních procesů, včetně nových funkcí pro návrh svorkovnic a správu projektových dat, návrh trubkových a hadicových rozvodů a optimalizované integrace s informačními systémy. Další významná novinka: platforma Eplan 2.6 je nyní dostupná i v turečtině, a v současné době je tak k dispozici celkem v osmnácti jazycích. Obr. 1. V rozšířeném editoru lze zobrazit aktuální stav svorky, identifikovat automaticky nebo manuálně specifikované propojovací můstky a v grafické podobě zobrazit použité příslušenství   Software Eplan dosud „mluvil“ sedmnácti jazyky včetně češtiny. V nové verzi 2.6 byla k jazykovým mutacím přidána turečtina – Eplan má svou vlastní dceřinou firmu v Istanbulu už od roku 2014. V nejnovější verzi je také mnoho technických vylepšení. Při navrhování svorkovnic (obr. 1) nyní může být snadno zobrazeno použité příslušenství. Navíc mohou být jednoduše identifikovány automaticky nebo manuálně specifikované propojovací můstky. Uživatelé také mají možnost zobrazit aktuální stav svorky stejně jako v navigátoru. A další vylepšení: nové zobrazení orientované na zapojení poskytuje rychlý přehled o tom, které svorky jsou stále volné a k dispozici. Kromě toho, že tyto funkce usnadňují projektování, také výrazně urychlují vývoj produktů prostřednictvím standardizovaných procesů.   Obr. 2. Funkčně orientovaný návrh s využitím platformy Eplan je zdrojem pro zvyšování efektivity projektování Správa projektů a projektových dat Zpracování a správu projektů a projektových dat (obr. 2) ještě více usnadňuje použití funkce přímého zadání filtrovaného kritéria. K dílčím projektům lze libovolně určovat jejich adresářové umístění, čímž je zajištěna větší flexibilita při jejich pojmenování. Uživatel tak může např. změnit jen hlavní projekt místo ukládání jednotlivých podprojektů s cílem aktualizovat hlavní projekt. Ve správě projektů mohou být vyhledávány určité struktury a revidovány najednou v celém projektu, což výrazně zjednodušuje dohled nad projektem. Výrazně vylepšena byla také možnost určovat pořadí stránek pro tisk nebo uložení ve formátu PDF – a uživatelé ocení také rychlejší dosažení výsledků v této oblasti.   Trubkové a hadicové rozvody ve 3D Hydraulika a pneumatika, chlazení a mazání – tyto a další aplikace využívají pro rozvod vzduchu či oleje hadice a trubky. Eplan Fluid Professional s modulem Eplan Pro Panel nyní nabízí možnost návrhu vedení trubek a hydraulických hadic přímo ve 3D. Konstruktéři tak teď mohou kontrolovat návrh v prostoru nebo např. odměřovat délku hadic. K dispozici je také funkce exportu, jež umožňuje přenášet výkresy trubek do externího výrobního softwaru pro ohýbačku.   Obr. 3. Eplan Preplanning nyní umožňuje importovat data z externích zdrojů; funkce náhledu dovoluje přicházející data verifikovat ještě před jejich importem Od návrhu k detailnímu projektu Mnohé nové funkce byly optimalizovány tak, aby zjednodušily integraci platformy Eplan do existujících zákaznických procesů. Eplan Preplanning nyní umožňuje importovat data z externích zdrojů (obr. 3). Funkce náhledu dovolují přicházející data prověřit ještě před jejich importem. Snadno se hledají rozdíly, a dokonce lze při opakovaném importu dat (měřicích bodů, spotřebičů apod.) zabránit importu objektů, které byly v projektu v průběhu předběžného i detailního plánování odstraněny. To jsou další krok k větší konzistenci dat a jejich kontinuitě v procesu projektování.    Lepší integrace s informačními systémy Také správa uživatelů se zjednodušila: namísto zavádění nového uživatele může být existující uživatelský profil snadno importován z infrastruktury IT. Správa oprávnění uživatelů Eplan byla rozšířena o podporu služeb Active Directory. Zjednodušeno bylo rovněž použití databází SQL – k dispozici je seznam dostupných databází SQL, z něhož lze vybrat tu správnou. (EPLAN ENGINEERING CZ, s. r. o.)

WAGO představuje koncepci aplikační redundance

Společnost WAGO představila novou koncepci tzv. aplikační redundance PLC, která se používá zvláště u monitorovacích a alarmových systémů. Systém je založen na běžném hardwaru Wago a protokolu Modbus TCP. Proto je cenově výhodný a jeho uvedení do provozu je snadné.   Jako programovací prostředí pro PLC je použit software e!-Cockpit. V tomto prostředí lze nahrát vytvořený program stejně do obou PLC. Pro aplikační redundanci je dále zapotřebí synchronizační funkce, které jsou dostupné v softwarové knihovně řídicího PLC (master). Knihovna také umožňuje redundantně propojit podřízené stanice (subnódy) prostřednictvím duální sítě LAN. Tyto stanice není nutné nijak programovat: jednoduše se nabootují z karty SD a potom nakonfigurují prostřednictvím integrovaného webového serveru. Stanice automaticky detekují připojené moduly analogových a digitálních vstupů a výstupů, mapování je automaticky k dispozici nadřazenému PLC.   Tak je možné vytvářet systémy odolné proti selhání jednoho prvku (SPOF – Single Point of Failure), což znamená, že každá jednotlivá závada, např. ztráta napájení, ztráta spojení LAN, porucha switche nebo PLC, může být izolována přepnutím na záložní síť. Duplikace ethernetové sítě a redundantní přenos zpráv umožňují při selhání sítě beznárazové přepnutí na záložní síť.   WAGO-Elektro, spol. s r. o., tel.: 261 090 143, e-mail: automatizace@wago.com, www.wago.cz

Měniče frekvence Altivar 320 přinášejí nový standard výkonu a flexibility

Společnost Schneider Electric uvádí na trh zástupce rodiny Altivar Machine – nové měniče frekvence Altivar 320. Vynikají optimální kombinací všestrannosti, bezpečnosti a spolehlivosti. Precizně řídí asynchronní i synchronní elektromotory. Skupina měničů frekvence Altivar Machine je koncipována se zaměřením na základní i pokročilé průmyslové úlohy. Zahrnuje současnou řadu Altivar 12, naprostou novinku Altivar 320 a připravovaný Altivar 340, který na český trh dorazí začátkem roku 2017.   Dvě konstrukční provedení měničů frekvence Altivar 320 – „book“ a „compact“ – umožňují jejich snadnou a cenově efektivní vestavbu do rozváděče nebo přímo do stroje. Barevně jsou laděny v novém šedém tónu se zeleným voličem. K jejich běžné výbavě patří digitální čtyřčíslicový displej, šest digitálních vstupů, tři analogové vstupy, jeden digitální výstup, jeden analogový výstup a dva reléové výstupy. Již v základním provedení mají rozhraní pro Modbus a CANopen a filtr pro zajištění EMC kategorie C2.   Obr. 1. Měnič Altivar 320 v provedení book, vhodném pro montáž do rozváděče   Měniče frekvence Altivar 320 umožňují sdílet přebytečnou energii po stejnosměrné sběrnici nebo ji zmařit v brzdném rezistoru. Maximální limit přetěžování je 150 % jmenovitého proudu po dobu 60 s v režimu pro těžký provoz. K nastavování funkcí měničů je určen osvědčený interní inženýrský nástroj ATVLogic. Řada Altivar 320 je certifikována podle CE (Evropa), CSA (Kanada a USA), RCM (Austrálie a Nový Zéland), EAC (Rusko, Bělorusko, Kazachstán) a ATEX (evropský certifikát pro prostředí s nebezpečím výbuchu).   Bezprecedentně flexibilní Měniče vhodné zejména k instalaci do rozváděče nesou pro své konstrukční provedení ve tvaru knihy název Altivar 320 Book (obr. 1). Mají výkonový rozsah od 0,18 do 2,2 kW pro jednofázové napětí 200 až 240 V a od 0,37 do 15 kW pro třífázové napětí 380 až 500 V. Postupem času nahradí měniče Altivar 32. Měniče vhodné zejména k instalaci přímo do stroje se pro své kompaktní konstrukční provedení nazývají Altivar 320 Compact (obr. 2). Mají výkonový rozsah od 0,18 do 2,2 kW pro jednofázové napětí 200 až 240 V a od 0,37 do 4 kW pro třífázové napětí 380 až 500 V. Postupem času nahradí dosavadní měniče Altivar 312.   Obr. 2. Měnič Altivar 320 v kompaktním provedení určeném pro vestavbu do stroje   Naprostá otevřenost v komunikaci Altivar 320 umožňuje flexibilní a otevřené připojení do provozních sběrnic a komunikačních sítí, jejichž prostřednictvím je možné měniče řídit, konfigurovat, monitorovat a nastavovat. Podporují mnoho nejpoužívanějších komunikačních protokolů. Již v základním provedení mají integrována rozhraní pro Modbus a CANopen. Volitelně lze formou zásuvných modulů doplnit další komunikační protokoly: EtherNet/IP, Modbus TCP, EtherCAT, Profibus, Profinet nebo DeviceNet. Měniče frekvence Altivar 320 podporují jak PLCopen, tak testované, ověřené a zdokumentované architektury (koncept TVDA od Schneider Electric), které pomáhají účelně zkrátit projektové a inženýrské práce. Skvěle proto zapadají do koncepce MachineStruxure.   Spolehlivé a precizní řízení asynchronních a synchronních elektromotorů Měniče frekvence Altivar 320 využívají pro spolehlivé a precizní řízení v otevřené smyčce bez zpětné vazby nový algoritmus vektorového řízení, který poskytuje až 200 % točivého momentu i při velmi malém výstupním kmitočtu. Dosahují rovněž výborné dynamické přesnosti zejména v režimech start-stop.   Obr. 3. Vývoj měničů Altivar 320 byl zaměřen na zkrácení doby, kterou je nutné věnovat konfiguraci, údržbě a diagnostice pohonů v průmyslových zařízeních   Při využití synchronních elektromotorů již není nutné dokupovat další zařízení (např. převodovky nebo řemeny). Snižují se tak pořizovací náklady, ale především spotřeba elektrické energie. Z hlediska účinnosti je dosahováno hodnot nad požadavky IE4 (třída High Efficiency). Předností synchronních elektromotorů oproti asynchronním jsou rovněž menší rozměry.   Použití v jakémkoliv provozu Již tradičně se měniče frekvence Altivar 320 vyznačující velkou spolehlivostí a odolností. Zvládají nepřetržitý provoz v náročných podmínkách, charakterizovaných např. vysokou teplotou okolí a prašností, častými výpadky elektrické sítě nebo častými výskyty mechanických závad. Již v základním provedení obsahují desky plošných spojů, které jsou lakovány v souladu s normou o ochraně proti korozi a agresivnímu prostředí IEC 60721-3-3 (Klasifikace podmínek prostředí – Část 3: Klasifikace skupin parametrů prostředí a jejich stupňů přísnosti – Oddíl 3: Stacionární použití na místech chráněných proti povětrnostním vlivům). Podle této normy splňují chemickou třídu odolnosti 3C3 a mechanickou třídu odolnosti 3S2. Bez snížení výkonu je lze provozovat do +50 °C, se sníženým výkonem až do +60 °C.   Vývoj měničů byl zaměřen na zkrácení doby, kterou je nutné věnovat konfiguraci, integraci systému, údržbě, diagnostice a bezpečnostním operacím. Citelné zrychlení všech těchto činností vede k nárůstu počtu provozních hodin strojů a průmyslových zařízení, a to při současném snižování nákladů na jejich inženýrink a provoz.   Excelentní bezpečnost Měniče frekvence Altivar 320 mají mnoho bezpečnostních funkcí, které lze navíc snadno a rychle parametrizovat z jednoho prostředí. Jde např. o funkci bezpečného vypnutí točivého momentu (STO), bezpečného zastavení (SS1), bezpečného omezení rychlosti (SLS), bezpečné maximální rychlosti (SMS) nebo bezpečně uzavřených dveří stroje (GDL). Bez problému splňují požadavky na bezpečnostní funkce v elektrických pohonech s měniči frekvence podle směrnice Machinery Directive 2006/42/EC. Z hlediska integrity bezpečnosti je lze použít v zařízeních úrovně až SIL 3 a z hlediska úrovně bezpečnostních vlastností až PL e se zapojením kat. 3. Tam, kde jsou použity měniče frekvence Altivar 320, již není třeba investovat do dalších externích bezpečnostních přístrojů. To výrazně zjednodušuje certifikační proces strojů a průmyslových zařízení.   Maximální servisní podpora Společnost Schneider Electric poskytuje k měničům frekvence Altivar 320 plnou servisní podporu. Samotný servis může být prováděn přímo u zákazníka nebo v servisním středisku umístěném v jihočeském Písku. Významnou výhodou, zejména pro české exportéry průmyslových strojů a zařízení, je možnost využít služby profesionálního servisu i mimo území České republiky – v podstatě celosvětově. Další informace zájemci najdou na www.schneider-electric.cz nebo www.schneider-electric.sk.   Ing. Miroslav Kludský,Schneider Electric

Smart Automation by Murrelektronik

Mezi trendy, které sleduje společnost Murreletronik spolu se svými zákazníky, je stále intenzivnější propojování strojů a zařízení pomocí datových sítí a také zpřehledňování celého životního cyklu produktů, což je rozhodující úkol do budoucna. Koncepce „myslící továrny“ nabízí skvělé příležitosti. Produkty a řešení společnosti Murrelektronik jsou základem pro koncepce instalací, které nyní udávají směr. Nové produkty vycházejí z myšlenky „inteligentní automatizace od společnosti Murrelektronik“. Murrelektronik nabízí moderní komponenty, které jsou vybaveny inovativními funkcemi a výkonnými rozhraními. Tyto komponenty přispívají k modulárnímu a flexibilnímu uspořádání výrobních procesů. Těžištěm jsou vždy potřeby zákazníků:bezpečná a jednoduchá instalace,bezproblémové uvedení do provozu (easy to use),zamezení vzniku výpadků,konzistence od řídicí jednotky až po poslední metr přímo v zařízení. Konkrétními příklady ze světa společnosti Murrelektronik jsou produkty a řešení pro prediktivní údržbu. Umožňují, aby byly cíleně vyměňovány produkty, jejichž život nost se blíží ke konci. Produkty tedy nejsou vyměňovány příliš brzy jako výsledek opatrného přístupu, který sice předchází výpadkům způsobeným poruchami, ale nedovoluje využívat zařízení během celé jeho životnosti. Naproti tomu se produkty nevyměňují, až když to již jinak nejde, protože buď nastala porucha, nebo jí lze zabránit jen neplánovaným zastavením provozu. Pak sice bývá životnost přístroje využita na maximum, ale vzhledem k „vedlejším nákladům“ není takový postup příliš přínosný. Kabely vybavené systémem SmartCore jsou zajímavým zkoumaným produktem. Tento systém signalizuje stav, kdy je u kabelového vedení dosaženo 80 % běžného počtu ohybů nebo zkrutů. Tehdy je třeba pořídit nové vedení a při vhodné příležitosti kabel vyměnit. U spínacích napájecích zdrojů se sleduje několik parametrů: vnitřní teplota, zátěž během provozu, počet startů a životnost komponent. Také zde přichází v pravý čas varovný signál. Při příští plánované údržbě lze zdroj vyměnit – bez zbytečného spěchu či neplánované odstávky. Obzvláště inteligentní je systém IODD on Board integrovaný ve sběrnicových modulech MVK Metall a Impact pro rychlé připojení zařízení s rozhraním IO-Link. Zde jsou data potřebná pro senzory a akční prvky uložena přímo v souboru GSDML. Zařízení s rozhraním IO-Link (slaves) se jednoduše připojí a hned fungují – plug-and-play v nejčistší podobě. Další informace jsou uvedeny na adrese www.murrelektronik.cz.(Murrelektronik CZ spol. s r. o.)

Řídicí jednotka CompactLogix 5380 zvyšuje přesnost a výkonnost rychlých strojů a zařízení

Větší výkonnost a nové funkce nabízené řídicí jednotkou CompactLogix 5380napomáhají vytvářet výrobní systémy s jistotou jejich využití i v budoucnosti v rámci platformy Connected Enterprise společnosti Rockwell Automation.   Výrobci jsou neustále tlačeni ke zvyšování rychlosti a celkové výkonnosti výrobních zařízení při současném zachování požadované kvality výrobků. Ve spojitosti s tím roste jejich poptávka po inteligentních strojích a strojních zařízeních. Nová řídicí jednotka Allen-Bradley CompactLogix 5380 od společnosti Rockwell Automation může pomoci uspokojit tuto poptávku tím, že nabízí větší přesnost, širší konektivitu a až o 20 % větší provozní výkonnost strojů než předchozí verze jednotek řady CompactLogix.   Větší výkonnost a nové funkce Řídicí jednotka CompactLogix 5380 je mimořádně vhodná k použití ve strojích a zařízeních s velmi rychlými pohyby a s až dvaceti pohybovými osami tím, že nabízí veškeré přednosti vlastní vysoce výkonné platformy Integrated Architecture od společnosti Rockwell Automation zabudované do řídicí jednotky rozměrové řady CompactLogix. Ve spojení s novou kompaktní I/O jednotkou Allen-Bradley Bulletin 5069 Compact I/O se při použití tzv. plánovaných (scheduled) výstupů zkracuje doba odezvy až na 0,2 ms. Spouštěcí signály událostí z modulů I/O zajišťují téměř okamžité vykonání příslušných úkonů.   „Tato nová řídicí jednotka je zvlášť vhodná pro velmi rychlé balicí stroje a zařízení, u nichž jsou krátké doby odezvy rozhodující z hlediska zachování hladkého chodu výrobních procesů,“ říká Roman Foukal, Commercial Engineer Rockwell Automation, a dále dodává: „Funkce jako např. plánované výstupy a spouštěcí signály událostí, jež jsou v řadě řídicích jednotek CompactLogix novinkou, umožňují konstruktérům navrhovat kompaktní stroje, které pracují s větší přesností.“   Účelnost a snadné použití Port 1Gb sítě Ethernet s možností dvojí konfigurace navíc podporuje topologie typu DLR (Device-Level-Ring) nebo použití několika různých adres IP. Schopnost vytvořit několik různých adres IP je mimořádně důležitá pro výrobce, kteří hledají způsob, jak oddělit komunikační sítě na výrobní úrovni od provozu v sítích na úrovni podniku.   Diagnostické kontrolky zobrazují stav spojení, provozní stav modulů a aktivitu modulů I/O. To pracovníkům obsluhy a technikům umožňuje okamžitě rozpoznat případné problémy, aniž by museli připojit řídicí jednotku k počítači. Zabudované systémové a napájecí svorkovnice navíc zjednodušují zapojování modulů I/O. Řídicí jednotka CompactLogix 5380 podporuje pokročilé zabezpečovací funkce v rámci hluboko sahajícího systému ochrany zahrnujícího ochranu výrobních zařízení, technických prostředků a duševního vlastnictví. V jednotce jsou obsaženy pokročilé zabezpečovací funkce a software včetně digitálně podepsaného a šifrovaného firmwaru, detekce změn prostřednictvím samotné řídicí jednotky a záznamu auditů. Zajištěn je také přístup k řídicím postupům a doplňkovým instrukcím omezený podle oprávnění obsluhy.   Projektování v prostředí Rockwell Software Studio 5000 Stejně jako u ostatních řídicích jednotek řady Allen-Bradley Logix využívají konstruktéři strojů ke konfigurování řídicí jednotky CompactLogix 5380 a k vývoji všech prvků daného řídicího systému vývojový software Rockwell Software Studio 5000. Údaje o konfiguraci stačí zadat jednou, načež poté je k nim snadný přístup a lze je opakovaně používat v rámci celého prostředí Studio 5000, což významně usnadňuje a zrychluje vývoj řídicího systému a jeho uvedení do provozu. (Rockwell Automation)