Aktuální vydání

celé číslo

07

2017

Automatizace ve výrobě automobilů a jiných dopravních prostředků

Telematické systémy, automatizace v dopravě

celé číslo
Měření množství tepla

Měření množství tepla je základním předpokladem pro platby za odebrané teplo nebo pro hodnocení ekonomiky určité části provozu či pro optimální provoz a řízení zdroje tepla a horkovodu. Z dlouhodobého hlediska měření tepla poskytuje informace pro posouzení velikosti tepelných ztrát a technického stavu zařízení.   1. Principy měřičů přeneseného tepla   Teoretickým základem měřičů tepla, které je předávané teplonosnou látkou (voda, pára), je vztah pro výpočet tepelného výkonu   Pq= Qm(h1 – h2)          (1)   kde Pqje tepelný výkon (W), Qmhmotnostní průtok teplonosné látky (kg/s), h1, resp. h2 měrné entalpie teplonosné látky na vstupu, resp. na výstupu tepelné sítě (J/kg).   Tepelný výkon Pq je tedy vypočten ze součinu hmotnostního průtoku teplonosné látky Qm a rozdílu měrných entalpií teplonosné látky na vstupu a na výstupu tepelné sítě h1 a h2. Měrnou entalpii teplonosné látky h však není možné zjistit přímým měřením, ale pouze výpočtem ze vztahu   h = cp(t – tref)          (2)   kde cpje měrná tepelná kapacita teplonosné látky (J/(kg∙K)), t teplota teplonosné látky (°C), tref referenční teplota (obvykle 0 °C) [1].   Stejný princip, který je využíván k měření předaného tepla, lze využít i k měření chladu předávaného prostřednictvím vhodného média.   1.1 Měření tepla přenášeného kapalným médiem Jestliže je hmotnostní průtok Qm nahrazen průtokem objemovým QV (m3/s) a podle vztahu (2) je dosazen do vztahu (1), získá se   Pq= QV(ρ1 cp1 t1 – ρ2 cp2 t2)          (3)   kde ρ a cpjsou hustoty (kg/m3) a měrné tepelné kapacity (J/(kg∙K)) teplonosné látky na vstupu (index 1) a výstupu (index 2) tepelné sítě. Hustota a měrná tepelná kapacita obecně závisejí na teplotě.   Je-li teplonosným médiem voda, v důsledku opačných průběhů hustoty a měrné tepelné kapacity v závislosti na teplotě (obr. 1) lze v určitém rozmezí provozních teplot považovat hodnotu součinu hustoty a měrné tepelné kapacity za velmi málo závislou na teplotě a tento součin je pak možné nahradit tzv. tepelným součinitelem k (J/(m3∙K)). V praxi jsou hodnoty tepelného součinitele uloženy v paměti vyhodnocovací jednotky a není nutné je nastavovat.   S využitím tepelného součinitele se pak získá základní vztah pro tepelný výkon předávaný vodou jako teplonosným médiem   Pq= QVk (t1 – t2)           (4)   Z tohoto teoretického vztahu plyne, že pro vyhodnocení tepelného výkonu Pqje třeba měřit objemový průtok QVa teplotní rozdíl (t1 – t2).   Celkové odebrané teplo Qq(J nebo W·s) se získá integrací tepelného výkonu Pqza časový interval od τ1 do τ2.   rovnice 5          (5)   Zjednodušený výpočet podle vztahu (4) lze využít jen při měření v teplovodních sítích. V horkovodních sítích by zjednodušení znamenalo zanesení poměrně velkých chyb, protože jak hustota vody, tak její měrná tepelná kapacita se s teplotou značně mění. V těchto případech je nutné při výpočtu závislosti na teplotě postupovat v souladu se vztahem (3).   Schéma na obr. 2 ukazuje obecné zapojení zařízení pro měření tepelného výkonu a spotřebovaného tepla předávaného kapalným teplosměnným médiem (nejčastěji vodou).   Základní součásti, které tvoří zařízení pro měření tepla přenášeného vodou, jsou: snímač průtoku FI 03, párované teploměry TI 01 a TI 02 a vyhodnocovací jednotka, která vypočítává tepelný výkon a předané teplo podle vztahů (4) a (5).   Jako snímače teploty se nejčastěji používají párované odporové teploměry Pt100 nebo Pt500 ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok se měří ve větvi s ochlazenou vodou a k měření se u kompaktních měřičů využívají průtokoměry lopatkové nebo turbínové, ultrazvukové a indukční (za předpokladu dostatečné elektrické vodivosti vody), u výkonnějších průmyslových měřičů tepla se používají průtokoměry se škrticími orgány (se clonou), ultrazvukové a vírové.   Mikroprocesorem řízená vyhodnocovací jednotka (kalorimetrické počítadlo) vyhodnocuje množství tepla při zohlednění hustoty a měrné tepelné kapacity teplosměnného média, popř. pomocí tepelného součinitele k. Vyhodnocovací jednotka je vybavena displejem, na kterém se zobrazují aktuální hodnoty tepelného výkonu, množství předaného tepla, dále je možné zobrazit momentální průtok média, teploty na vstupu a výstupu, maximální hodnoty apod.   Na obr. 3 je schéma zapojení měřiče tepla a příklad kompaktního elektronického měřiče tepla s lopatkovým průtokoměrem PolluCom E [2].   Průtokoměry pro průmyslové měření tepla musí splňovat mnoho požadavků: musí mít malou nejistotu měření, dlouhodobou stabilitu a opakovatelnost měření i při náročných provozních podmínkách. Takovým požadavkům vyhovují např. ultrazvukové průtokoměry. Na obr. 4 je ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 3030 s velmi dobrými metrologickými parametry zapojený do měřicí tratě při měření tepla [3].   Na obr. 5a je příklad vyhodnocovací jednotky měřidla tepla EngyCal RH33 [4], kterou lze použít k měření tepla přenášeného kapalnými médii, jako je voda, směsi vody s glykolem, tepelné oleje apod. Velmi přesně počítá entalpii, tepelný výkon, hustotu a objemový průtok. Jednotka je vybavena univerzálními vstupy, které umožňují připojit různé průmyslové snímače. Pro průtokoměry se využívá proudový signál 4 až 20 mA, popř. pulzní, pro snímače tlaku a teploty 4 až 20 mA, popř. vstupy pro odporové teploměry Pt100, Pt500 nebo Pt1000. Na obr. 5b je vyhodnocovací jednotka měřiče tepla a chladu INMAT 57D s mnoha možnostmi použití [5].   V zahraniční literatuře je možné se setkat s označením BTU-flowmeter; je to přístroj k měření energetického obsahu v tekoucí kapalině udávaného v BTU (British thermal unit).   1. 2 Měření tepla přenášeného vodní párou Pro tepelný výkon předávaný přehřátou a následně kondenzující párou Pqplatí   Pq= Qmcpáry (tp – tk) + QmΔvýpH + Qmcvody (tk – tkv)          (6)   kde Qmje hmotnostní průtok páry nebo vody, cpáry, cvody měrné tepelné kapacity páry a vody (obecně závisejí na teplotě), ΔvýpH měrná výparná entalpie (měrné skupenské teplo kondenzační), tp teplota přehřáté páry v přiváděcím potrubí tepelné sítě, tk teplota kondenzace (≈100 °C), tkv teplota kondenzátu ve vratném potrubí tepelné sítě.   Jednotlivé členy v rovnici (6) představují tepelné výkony předávané: a) ochlazením přehřáté páry z teploty tp na teplotu kondenzace tk ≈ 100 °C, b) kondenzací páry při teplotě tk, c) ochlazením vody na teplotu odcházejícího kondenzátu tkv.   Parametry, které se měří, jsou vyznačeny ve schématu na obr. 6. Jsou to teplota tp a tlak pp přehřáté páry, teplota tkv kondenzátu a průtok Q teplonosného média. Je možné měřit buď průtok páry (přímá metoda) [6], nebo průtok kondenzátu (nepřímá metoda) [7]. Měří-li se objemové průtoky, jsou jejich hodnoty ve výpočetní jednotce přepočteny na hmotnostní průtoky.   Při poklesu hodnot parametrů páry pod mez sytosti (mokrá pára) se pro výpočet množství tepla používá tzv. náhradní metoda, při které se výpočet doplňuje korekčním součinitelem dohodnutým mezi dodavatelem a odběratelem tepla [6], [7].   K měření teploty se obvykle používají párované odporové teploměry ve čtyřvodičovém zapojení. Průtok bývá měřen měřidly se škrticími orgány, ultrazvukovými a vírovými průtokoměry.   Výpočetní jednotka obsahuje matematický člen pro výpočet tepelného výkonu, množství přeneseného tepla na základě měřených parametrů a pro provádění potřebných korekcí měrných tepelných kapacit a hustoty v závislosti na provozní teplotě a tlaku. Mikroprocesorem řízená výpočetní jednotka poskytuje na displeji údaje o tepelném výkonu, množství tepla, průtoku a proteklém množství teplonosného média, teplotách, tlaku i o příslušných součinitelích a konstantách.   Na obr. 7 až obr. 9 jsou ukázky přístrojové techniky využívané k měření množství tepla předávaného v parních tepelných sítích.   Na obr. 7 je ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 s vyhodnocovací jednotkou pro měření množství tepla. Na obr. 8 je vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9]. K měření tedy nejsou zapotřebí další snímače pro měření tlaku a teploty páry; jako výstup je k dispozici i údaj o hmotnostním průtoku. Na obr. 9 je ukázáno clonové měřidlo průtoku s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]. Přístroje pro měření tepla v páře a přístroje pro měření tepla a chladu rovněž vyrábí a dodává firma ELIS Plzeň [6], [7].   2. Použití měřičů tepla Měřiče tepla pro kapalná teplonosná média je možné využít k měření tepla nebo chladu. Nacházejí uplatnění v komunálních teplárenských sítích, při vytápění a chlazení průmyslových objektů a využívají se zejména jako fakturační měřidla. Měřiče tepla přenášeného párou lze využít při používání páry k čištění a sterilizaci v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Investice do měření tepla se vyplatí, protože umožní efektivněji využívat teplonosná média, a tím snižovat provozní náklady.   Některé přístroje jsou vybaveny záznamníkem dat (datalogger), který umožňuje ukládat naměřené hodnoty do paměti v požadovaném formátu včetně časového údaje, důležitého např. při fakturaci. Používá-li se měřidlo pro fakturaci, musí to být stanovené pracovní měřidlo ve smyslu § 3 zákona o metrologii č. 505/1990 Sb. Tato měřidla podléhají povinnému úřednímu ověření.   Měřidla tepla bývají vybavena komunikačním rozhraním (Ethernet, Modbus nebo M-Bus) a díky tomu lze měřidlo integrovat do řídicího a informačního systému závodu nebo teplárenské sítě.   Text článku vychází z kapitoly 10 Měření množství tepla v knize Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.), Ostrava, Key Publishing, 2015.   Literatura: [1] KADLEC, K.: Měření množství tepla. In: Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.). Ostrava, Key Publishing, 2015. [2] JSP: Kompaktní měřič tepla PolluCom E [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/kompaktni-meric-tepla-pollucom-e.html [3] KOMP, P.: Měření průtoku horké vody v průmyslu v soupravách pro měření množství tepla. Automa, 2010, č. 11, s. 46–47. [4] ENDRESS+HAUSER: Měřič tepla EngyCal RH33 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.cz.endress.com/cs/Polni-instrumentace-sita-na-miru/System-Components-Recorder-Data-Manager/M%C4%9B%C5%99i%C4%8D-tepla-RH33?highlight=engycal [5] ZPA Nová Paka: Měřič tepla a chladu, vyhodnocovací jednotka průtoku plynu INMAT 57D [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.zpanp.cz/meric-tepla-a-chladu-vyhodnocovaci-jednotka-prutoku-plynu-inmat-57d-280.html [6] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře přímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 4000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st4000.html [7] ELIS Plzeň: Měření tepla v páře nepřímou a náhradní metodou STEAMTHERM ST 5000 [on-line]. [cit. 31. 1. 2016]. Dostupné z: www.elis.cz/cs/produkty/merice-tepla-v-pare/system-mereni-tepla-v-pare-steamtherm-st5000.html [8] JSP: Ultrazvukový měřič tepla a kondenzátu Ultraheat UH50 [on-line]. [cit. 1. 2 . 2 016]. Dostupné z: www.jsp.cz/cz/sortiment/seznam_dle_kategorii/merice_prutoku_a_tepla/ultrazvukovy-meric-kondenzatu-ultraheat-uh50.html [9] KROHNE: Vírový průtokoměr OPTISWIRL 4070 [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://cz.krohne.com/cs/vyrobky/mereni-prutoku/virove-prutokomery/optiswirl-4070/ [10] EMERSON: Rosemount Compact Orifice Flowmeters [on-line]. [cit. 1. 2. 2016]. Dostupné z: http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/flow/dp-flow-products/compact-orifice-flowmeters/pages/index.aspx   doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz)   Obr. 1. Závislost hustoty a měrné tepelné kapacity vody na teplotě Obr. 2. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného vodou Obr. 3. Elektronický měřič tepla: a) obecné schéma, b) kompaktní měřič tepla PolluCom E [2] Obr. 4. Ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 330 v potrubí při měření tepla [3] Obr. 5. Vyhodnocovací jednotky měřidel tepla: a) jednotka EngyCal RH33 [4], b) jednotka INMAT 57D [5] Obr. 6. Základní uspořádání zařízení k měření tepla předávaného párou Obr. 7. Ultrazvukový měřič kondenzátu Ultraheat UH50 [8] Obr. 8. Vírový průtokoměr s integrovanou tlakovou a teplotní kompenzací Optiswirl 4070 C [9] Obr. 9. Průřezový kompaktní průtokoměr s integrovaným snímačem teploty Rosemount 3051SFC [10]

Integrační vyhledávání v prvočíslech

Petr Klán   Integrační složka (I) patří k základu regulace procesů s dynamikou. Samostatně ji však lze použít i v případě procesů, které jsou plně statické a nedochází v nich k žádným časovým změnám. Příkladem je vyhledávání v tabulkách prvočísel. Dále je ukázáno, že i při vyhledávání prvočísel lze využít obvyklé postupy známé z PID regulace a že dobře nastavený I algoritmus pracuje velmi efektivně – podobně jako v případě dynamických procesů. Integral term (I) belongs to the basics terms of dynamic system control. However it is possible to use it separately for fully static processes, without any time changes. One example is a looking up in prime tables. Hereby it is shown that it is possible to use common methods known from PID control in case of primes searching too and that properly tuned I algorithm works very effective similar to dynamic processes.   1. Úvod Integrační složka PID regulátoru náleží vzhledem ke své schopnosti odstraňovat regulační odchylku k nejčastěji používané složce v regulaci. Velká pozornost je proto věnována také jejímu nastavení. Činnost podobnou I algoritmu vyvíjí např. lidský mozek při řízení automobilu. Integrační algoritmus sám je zároveň modelem dynamického systému. V případě samotné I složky PID regulátoru lze říci, že jeden dynamický systém reguluje jiný dynamický systém. Dokáže však dynamický systém „regulovat“ (nastavit) systém statický?   Z principu by to neměl být problém. Opačně je to možné částečně. Jde o případ, kdy statický systém (P regulátor) reguluje dynamický systém. V případě neintegračních procesů je známo, že P regulátor sice zmenšuje regulační odchylku, její úplné odstranění je ale možné pouze v singulárním případě nekonečného zesílení regulátoru. Podobnou funkci plní i tzv. signálové sledovače. Když se však postaví I regulátor proti statickému procesu, může při dobrém nastavení rychle odstranit jakoukoliv regulační odchylku.   Prvočíslem je číslo větší než jedna, které nemá žádné dělitele kromě jedné a sebe samého. Například číslo 17 je prvočíslo, protože má pouze dva dělitele: čísla 1 a 17. Tabulek známých prvočísel existuje velmi mnoho. Dobře dostupné jsou např. The Prime Pages [4], kde lze kromě tabulek s prvními 50 miliony prvočísel získat i mnoho výsledků výzkumu z oboru teorie čísel.   K pokusům s I algoritmem bude dále použita tabulka s prvními 30 miliony prvočísel. „Regulační“ úlohou bude možné co nejrychleji a s minimem energie nalézt pořadí libovolně vybraného prvočísla.   2. Prvočíselný proces Prvočísla jsou uspořádána do indexovatelného pole tvaru   y = p(u)          (1)   kde u je vstupní index pořadí prvočísla od počátku (u = 1; 2... 30 000 000), y prvočíslo s pořadím u.   Například platí, že 2 = p(1), 29 = p(10), 541 = p(100), 7 919 = p(1 000), 15 485 863 = p(1 000 000) atd. Pole y = p(u) bude v dalším nazýváno prvočíselným procesem.   V PID (nejen) regulaci je obvyklé nejprve se zabývat zesílením procesu K. Při zběžném pohledu na statickou charakteristiku prvočíselného procesu na obr. 1 se zdá, že jde o téměř lineární proces. Analýza uvedených hodnot však prokáže, že jde o omyl, neboť např. p(1)/1 = 2, p(10)/10 = 2,9, p(100)/100 = 5,41, p(1 000)/1 000 = 7,919, p(1 000 000)/1 000 000 = 15,485 863 atd. Zesílení trvale roste, i když od jednoho milionu velmi mírně. Skutečný průběh zesílení pro prvních 20 milionů prvočísel (další růst je nepatrný) ukazuje obr. 2.   Průměrné zesílení prvočíselného procesu je přibližně K = 18.   Z teorie čísel je zřejmé [5], že pro určité prvočíslo p(u) platí, že p(u) ~ u ln(u), a pro odpovídající zesílení tedy K(u) ~ ln(u), kde notace ~ představuje asymptotickou rovnost, tj.   vztah          (2)   Jinými slovy, pro velká u je možné zaměnit K(u) za odhad ln(u). V případě u = 30 000 000 je hodnota   vztah          (2a)   a ln(30 000 000) = 17,2, což představuje přibližně desetiprocentní chybu.   Podle zpřesněného asymptotického odhadu p(u) ~ u ln(u) + u(ln(ln(u)) – 1           (3) je   K(u) ~ ln(u) + ln(ln(u)) – 1          (3a)   a tomu odpovídá zpřesněný odhad pro K(30 000 000)   K(30 000 000) = ln(30 000 000) + ln(ln(30 000 000)) – 1 = 19,06          (3b)   Dalším obvyklým a potřebným parametrem procesu je časová konstanta procesu. Prvočíselný proces je statický, a proto je časová konstanta nulová.   3. Použití I algoritmu Úloha je prostá: k dopředu známému prvočíslu potřebujeme co nejrychleji a s co nejmenším množstvím úsilí nalézt jeho pořadí. Pro ověření, že nejde o triviální úlohu, je možné vyzkoušet i ruční hledání. Buď známým prvočíslem, např. y = 141 661 147 = p(ux). Ručním řešením může být např. následující posloupnost deseti kroků (počátek představuje stav u0 = 1 a y0 = 2): u1 = 10 000 000, y1 = 179 424 673 u2 = 9 000 000, y2 = 160 481 183 u3 = 8 000 000, y3 = 141 650 939 u4 = 8 000 200, y4 = 141 654 581 u5 = 8 000 400, y5 = 141 658 373 u6 = 8 000 500, y6 = 141 660 191 u7 = 8 000 550, y7 = 141 661 081 u8 = 8 000 553, y8 = 141 661 129 u9 = 8 000 554, y9 = 141 661 139 u10 = 8 000 555, y10 = 141 661 147   Výsledek hledání ukazuje, že dané prvočíslo má pořadí u = 8 000 555, platí tedy, že 141 661 147 = p(8 000 555). Ruční hledání je namáhavé již jen porovnáváním velkých čísel a velmi záleží na prvním odhadu pořadí u1. Jistě, lze tady využít i informaci o průměrném zesílení v prvočíselném procesu K = 18.   Stejnou úlohu je možné řešit automaticky s použitím I algoritmu. Základní uspořádání ukazuje obr. 3. Schematicky jde o obdobu klasické zpětnovazební regulace s procesem a regulátorem. Žádanou hodnotou w je prvočíslo, jehož pořadí se zjišťuje. Výstupem I regulátoru bude v případě rovnosti y = w přímo pořadí prvočísla.   Vzhledem k tomu, že výstupem I regulátoru mohou být reálná čísla a vstupem procesu jsou přirozená čísla, je na výstupu regulátoru použito zaokrouhlení známé jako u = floor(x), které x zaokrouhluje k nejbližšímu přirozenému číslu, které je nižší nebo rovné x. Například floor(3,71) = 3 apod. V matematické sazbě se funkce floor značí také jako └x┘.   Použití I regulátoru vychází ze spojitého případu [1]. Jestliže má statický proces zesílení K a integrační regulátor je určen přenosem Kc/(TIs), kde Kc je zesílení regulátoru a TI integrační časová konstanta, přenos zpětnovazebního uspořádání podle obr. 3 bude   vztah         (4)   s žádoucím zesílením 1 a možností urychlit proces vyhledání prvočísel snižováním integrační konstanty TI (pro zjednodušení Kc = 1). Integrační algoritmus je použit v běžném přírůstkovém tvaru   vztah          (5)   kde e(k) = w – y(k) a k označuje krok. Vstupem prvočíselného procesu je └u(k) ┘, výstupem   y = p└u(k) ┘   v každém kroku k. Úloha je vyřešena v případě, že y(k) = w, kdy výstup regulátoru └u(k) ┘ určuje pořadí prvočísla.   V programu Matlab (obdobně Scilab) může být odpovídající kód jednoho kroku: y = p(floor(u)); e = w – y; u = u + (1/TI)*e;   Při přetečení výstupu integračního regulátoru u je nutné vypnout integraci (tzv. antiwindup). To zabezpečí následující jednoduché omezení pro případ práce se souborem s 30 miliony prvočísel: if (u > 30000000) u = 30000000; end if (u < 1) u = 1; end     4. Nastavení I algoritmu Přirozeným nastavením integrační časové konstanty (něco jako vyvážené nastavení v případě PI regulátoru [2]) je   TI = K          (6)   Nastavení zabezpečuje vyhledání pořadí prvočísla v podstatě ve třech krocích, jak lze ověřit na obr. 4 pro různá prvočísla: w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389. Označení vodorovné osy k znamená krok. Dynamika průběhu se mírně liší vzhledem k měnícímu se zesílení. Odpovídající průběh vývoje prvočíselného pořadí u je na obr. 5. Při porovnání s ručním vyhledáváním autora tu je zřejmé více než trojnásobné zrychlení vyhledávacího procesu. Navíc jde o předvídatelné průběhy s ohledem na počet kroků, což je v případě ručního vyhledávání téměř nedosažitelné. V případě uvedeného odhadu a pro velká prvočísla lze s výhodou použít nastavení integrační časové konstanty ve tvaru   TI = ln w          (7),   neboť w = p(u) je hledané u-té prvočíslo a vzhledem k ln w = ln u + ln ln u   tedy odhad K(u) plus malé číslo dané dvojitým logaritmem, který roste velmi pomalu, bude odhad integrační časové konstanty vždy o něco málo vyšší než skutečné zesílení, což zlepšuje bezpečnost I algoritmu vzhledem k nestabilitě a přitom zpomaluje vyhledávání v prvočíselném procesu jen nepatrně.   5. Závěr Článek ukazuje, jak je možné použít integrační algoritmus k řešení problému tak vzdáleného běžné regulaci, jakým je vyhledávání v prvočíslech nebo relačních databázích. Takové vyhledávání přitom funguje efektivně a s minimálním množstvím úsilí. Odpovídá tzv. dobrému nastavení regulátoru [3].   Názorně je zde ukázán přínos automatického vyhledávání, kdy velmi jednoduchý gradientní algoritmus, na rozdíl od ručního vyhledávání, poskytuje předvídatelné výsledky bez ohledu na velikost prvočísel, a to v rozsahu použitých velikostí.   Článek navrhuje nastavení použitého regulátoru. Z teorie čísel je známo, že předpovědi, které se týkají prvočísel, bývají zrádné.   Určitá vlastnost např. platí pro prvních n prvočísel a potom náhle ztratí platnost. Vyvstává tady proto otázka: funguje navržený I regulátor s nastavením (7) pro každé prvočíslo větší než 30 milionů?   Literatura: [1] KLÁN, P. – GOREZ, R.: Process Control. Praha, FCC Public, 2011. [2] KLÁN, P. – GOREZ, R.: Nastavení regulátorů chránící akční členy. Automa, 2005, č. 2, s. 50–52. [3] KLÁN, P.: PI regulátory s dobrým nastavením. Automa, 2005, č. 6, s. 50–51. [4] CALDWELL, CH.: The Prime Pages (The First 50 000 000 Primes) [online]. [cit. 2. 1. 2016]. Dostupné z: <primes.utm.edu>. [5] KLÁN, P.: Čísla: Vztahy, vhledy a věčné inspirace. Praha, Academia, 2014.   Petr Klán, VŠE v Praze (petr.klan@vse.cz)     Obr. 1. Statická charakteristika prvočíselného procesu Obr. 2. Průběh zesílení prvočíselného procesu Obr. 3. Vyhledávání v prvočíslech s použitím I algoritmu Obr. 4. Průběh automatického vyhledávání prvočísel y pro w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389 Obr. 5. Vývoj prvočíselného pořadí u při vyhledávání prvočísel pro w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389

Kybernetická bezpečnost průmyslových řídicích systémů (část 1)

Mario Chiock, Del Rodillas   Článek popisuje, co hrozí průmyslovým řídicím systémům z hlediska kybernetické bezpečnosti a shrnuje, jak těmto hrozbám čelit. Uvádí devět základních funkcí, které by měla splňovat moderní platforma pro zabezpečení průmyslových řídicích systémů, aby zajistila maximální dostupnost zařízení a přitom je ochránila před existujícími i dosud neznámými hrozbami.   Článek je redakčně upravenou verzí studie Defining the 21st Century Cybersecurity Protection Platform for ICS společnosti Palo Alto Networks.   Průmyslová výroba přebírá mnohé postupy a nástroje ze světa informačních a komunikačních systémů (ICT – Information and Communication Technology), aby využila jejich pružnost, rychlost, propojitelnost a cenovou výhodnost. Do průmyslu začíná pronikat koncepce internetu věcí – v podobě IIoT (Industrial Internet of Things) již dnes pomáhá zajišťovat prediktivní údržbu a v budoucnu se může stát základem zcela nových multiagentních výrobních a podnikatelských modelů.   Tento vývoj ale zanáší do řízení průmyslové výroby také slabiny ICT. Hrozí nebezpečí, že tato slabá místa se stanou vstupní bránou pro nevítané návštěvníky, kyberzločince a kyberteroristy nebo že budou využita v kybernetické válce. Rizika s tím spojená jsou o to větší, že průmyslové řídicí systémy (ICS – Industrial Control System) a systémy SCADA jsou často součástí kritické infrastruktury.   V současné době jsme konfrontováni nejen se zvětšujícím se počtem kybernetických útoků, ale i s jejich rostoucí důmyslností a zacílením právě na kritickou infrastrukturu a průmyslové podniky. Existují případy, kdy byly nejen přerušeny technologické procesy, ale dokonce i zničeno zařízení. Potřeba zvyšovat zabezpečení průmyslových řídicích systémů, tzv. kybernetickou bezpečnost1), proto ještě nikdy nebyla tak velká jako teď. Zatímco pracovníci oddělení IT mohou nová opatření ke zvýšení kybernetické bezpečnosti zavádět velmi rychle, správci provozní techniky (OT – Operational Technology) musí být opatrnější, protože musí respektovat extrémní požadavky na zajištění dostupnosti zařízení a kontinuity technologických procesů. V oblasti procesní techniky není výjimkou, že zařízení musí nepřetržitě pracovat mnoho měsíců či několik let. Po tuto dobu je nepřípustné provádět jakékoliv změny a aktualizovat software, byť by šlo o zabezpečení slabých míst. Jindy se administrátoři OT záměrně vyhýbají antivirovým programům a službám IPS (Intrusion Prevention Service) z obavy ze zablokování funkce řídicího systému nebo snížení jeho funkční bezpečnosti a výkonnosti. Tyto programy a služby tedy operátoři buď spustí pouze v režimu detekce, nebo je nepoužívají vůbec. Dokonce i metody, které jsou ve světě ICT zcela běžné, např. skenování a vyhledávání slabých míst, mohou u průmyslových počítačů PLC způsobit selhání, protože tato zařízení na takové akce nejsou stavěna. Uvedená omezení způsobují, že zabezpečení ICS je obzvlášť unikátní a obtížné.   Výsledkem je, že mnohé výrobní podniky používají pro své ICS podivný souhrn obstarožních metod zabezpečení, které je obtížné udržovat, poskytují jen velmi omezený přehled o bezpečnostní situaci a lze je jen těžko využít k preventivním bezpečnostním úkonům. Právě takové podniky jsou často primárním cílem pro útočníky – někdy čistě jen proto, aby si na nich ověřili kvalitu svých kybernetických útoků. Bezbrannost průmyslových podniků proti stále důmyslnějším útokům je varující a naléhavě vyžaduje řešení.   Pro důkladné zabezpečení ICS proti novodobým hrozbám musí vzniknout nová bezpečnostní platforma, která sloučí různé bezpečnostní technologie tak, aby ICS ochránila i proti nejdůmyslnějším útokům. Platforma musí být schopna nejen upozorňovat na útoky, ale také automaticky vykonávat příslušné akce, a to prostřednictvím svých vlastních služeb, ale rovněž prostřednictvím jiných podpůrných prostředků. Musí ochránit informace uvnitř podniku i sdílené s jinými subjekty. Stejně jako „zlí hoši“ spolupracují na přípravě kybernetických útoků, musí spolupracovat i podniky na společné obraně.   1. Úvod   1.1 Vývoj průmyslových řídicích systémů Pro řízení technologických procesů na provozní úrovni, včetně kritické infrastruktury, např. elektrických rozvodných sítí nebo ropných rafinerií, se používají různé řídicí systémy: průmyslové řídicí systémy založené na programovatelných automatech (PLC) a průmyslových počítačích (IPC), systémy supervizního řízení a sběru dat SCADA nebo distribuované řídicí systémy DCS. V tomto článku budou pro zjednodušení souhrnně označovány jako průmyslové řídicí systémy – ICS. Tyto systémy se v posledních několika desetiletích dramaticky proměnily: od izolovaných proprietárních systémů se sériovými sběrnicemi k současným vysoce propojeným a geograficky rozsáhlým soustavám, které využívají běžně dostupné (COTS) produkty, Ethernet a internetový protokol (IP). Propojení dvou světů, informační a provozní techniky (IT a OT), umožňuje provozovatelům dosáhnout výrazného zvýšení produktivity a úspory nákladů. Další zvýšení produktivity je očekáváno s rostoucím uplatněním mobilních zařízení, virtualizace a cloudových služeb.   1.2 Nové kybernetické hrozby pro ICS Z ekonomického hlediska je integrace IT-OT pro mnoho podniků velmi výhodná. Ovšem spolu s ní přichází i větší ohrožení různými kybernetickými útoky, které mohou snížit dostupnost zařízení, bezpečnost technologických zařízení a integritu provozních dat. Podniky tedy musí hodnotit své řídicí systémy i z pohledu, jak jsou schopny se bránit kybernetickým hrozbám.   Některé z těchto hrozeb jsou specifické jen pro komponenty ICS, jiné jsou relevantní pro IT i OT. Některé mohou pocházet ze zdrojů uvnitř podniku, jiné přicházejí zvenčí. Mohou to být náhodné incidenty i záměrné útoky. Na obr. 1 jsou nejdůležitější vektory hrozeb podle průzkumu Institutu SANS z roku 2014 [1].   První veřejně známý virus zařaditelný do první skupiny externích útoků cílených na ICS byl Stuxnet. Využíval aplikace a soubory COTS a slabiny v softwaru určeném speciálně pro ICS. Cílem tohoto viru bylo vyřadit z provozu íránské zařízení na obohacování uranu. Skutečně se podařilo poškodit speciální odstředivky, jež jsou součástí tohoto zařízení, a poprvé tak došlo k útoku v průmyslovém kyberfyzickém prostoru. Ačkoliv Stuxnet byl již velmi důmyslný, profesionálně navržený virus, od té doby je možné pozorovat další růst propracovanosti útoků na ICS. Zpráva o útoku zvaném Energetic Bear hovoří o dvou nových metodách použitých k útoku na ICS [2]. První využívá malware ukrytý v balíčku softwaru pro ICS, který si uživatel stáhne z webové stránky dodavatele. Dále je využívána znalost protokolu ICS, aby útočník získal přehled o prostředí dotčené organizace. Nebezpečí tkví nejen v průmyslové špionáži, ale také v tom, že prostřednictvím takto získaných znalostí lze ICS na dálku sabotovat.   Další kategorií útoků jsou útoky typu phishing nebo obecněji útoky využívající sociální inženýrství. Patří sem jak útoky typu watering hole, kdy jsou infikovány stránky, jež jsou obětí útoku často navštěvovány, tak také např. zanechání lákavě vypadajícího infikovaného USB-sticku ve veřejně přístupných prostorách firmy, např. v recepci nebo na parkovišti. V podstatě všechny moderní útoky cílené na koncová zařízení využívají některé metody sociálního inženýrství. Například Stuxnet se šířil prostřednictvím USB-sticků, aby tak infikoval notebooky pracovníků inženýrských firem. Energetic Bear používal důmyslnější kombinaci cíleného phishingu (tzv. spearphishingu, kdy útočník pro zvýšení důvěryhodnosti používá informace, které shromáždil o své oběti), útoku watering hole a trojských koní. Například v rámci soustředěného spearphishingového útoku na petrochemické podniky v Norsku v srpnu 2014 [3] bylo potvrzeno padesát útoků na podniky, včetně největšího StatOil. To dokládá, že pro organizované hackery jde o základní metodu, jak se snaží proniknout do sítí provozovatelů kritické infrastruktury.   Kromě virů a phishingu je další velkou hrozbou průnik malwaru do ICS. K tomu může dojít i náhodně – stačí, když se osoba, která má k ICS přístup, připojí infikovaným mobilním zařízením nebo použije infikované přenosné paměťové zařízení. Zdrojem infekce počítačovými červy mohou být také stránky důvěryhodných dodavatelů či partnerů. Ať už jde o malware záměrný nebo nezamýšlený, může způsobit nákladné odstávky nebo bezpečnostní incidenty. Ztráty ve výrobě mohou být mnohamilionové, nehledě na možná zranění, ztráty na životech nebo poškození životního prostředí.   Velmi vážnou hrozbou se ukazuje být také využití exploitů navržených vlastními pracovníky – odborníky na ICS. Exploit je program, který využívá slabé místo softwaru nebo programátorskou chybu, a jeho účelem je, aby autor exploitu získal přístup do systému nebo vyšší uživatelská práva, než mu příslušejí. Veřejně známý je tzv. incident Maroochy Shire [4]. Nespokojený zaměstnanec dodavatele ICS, který řídí systém odvodu splaškových vod v rekreační oblasti Maroochy Shire v Austrálii, využil své hluboké znalosti řídicího systému a nezabezpečenou bezdrátovou síť a jako pomstu za jednání svého zaměstnavatele způsobil únik 800 000 litrů splaškových vod, která se rozlila po místních parcích, v okolí hotelů a pronikla i do řeky. Způsobil tak výraznou škodu na životním prostředí.   Jestliže se provozovatel technologického zařízení sám nebojí kybernetických útoků, může mu ochranu před nimi nařídit stát. V mnoha státech (pozn. red.: včetně ČR) již existují zákony o kybernetické bezpečnosti, které stanovují postihy pro ty organizace z oblasti kritické infrastruktury, které nesplňují regulatorní požadavky. Například v USA a Kanadě se v oboru elektrických rozvodných sítí používají standardy NERC CIP (North American Electric Reliability Corporation – Critical Infrastructure Protection). Chemické podniky v USA zase používají standardy CFATS (Chemical Facility Anti-Terrorism Standards). Jedním z nejnovějších standardů je NIST CSF (National Institute of Standards and Technology – Cyber-Security Framework), kterému podléhají vládní agentury, ale současně je i dobrovolným referenčním standardem pro posuzování kybernetické bezpečnosti v průmyslových podnicích.   1.3 Jaká je připravenost podniků na kybernetické hrozby? V souvislosti s diskusí o kybernetických hrozbách se objevuje velmi důležitá otázka, kterou si musí průmyslové firmy položit: jak je jejich ICS proti těmto hrozbám chráněn? Je třeba se zamyslet nad těmito otázkami: – Je komunikace v síti dostatečně transparentní, aby bylo možné co nejdříve detekovat podezřelé akce? Jak snadné je získat informace o provozu na síti? – Používá se dostatečně silný systém pro kontrolu přístupu, který efektivně omezuje vnější i vnitřní vektory útoků, a přitom nemá negativní vliv na výkonnost ICS? Jak jednoduché je spravovat přístupová práva? – Jak je stávající ICS, který pravděpodobně nelze aktualizovat, chráněn před exploity a malwarem a jak jsou zajištěna jeho slabá místa? Lze nějak omezit doby odstávek způsobených kybernetickými incidenty nebo nutností aktualizovat software? Je podnik připraven čelit kybernetickému útoku, který využívá zatím neznámé viry a malware? Jsou systémy ochrany koncových zařízení a komunikační sítě oddělené, nebo spolupracují, aby lépe ochránily podnik před útoky? Splňuje systém kybernetické bezpečnosti příslušné standardy, nebo je dokonce překračuje? Jestliže se používají moderní prvky jako mobilní zařízení nebo virtualizace, je zajištěna jejich kybernetická bezpečnost, nebo jsou slabým místem obrany?   1.4 Slabá místa ICS z hlediska bezpečnosti Řídicí systémy používané podniky působícími v kritické infrastruktuře již nyní mají určitou úroveň kybernetické bezpečnosti. Je ovšem ještě mnoho podniků, zvláště v těch oblastech průmyslu, kde není silný tlak regulatorních orgánů, jejichž dosavadní ICS jsou proti současným kybernetickým nebezpečím chráněny velmi slabě. Na obr. 2. je ukázána typická konfigurace zabezpečení, používaná mnoha současnými podniky.   Z hlediska zabezpečení sítě používají stávající systémy stavové firewally, tj. firewally se stavovými paketovými filtry, které pracují na síťové a transportní vrstvě, ale nevidí do vrstvy aplikační a neumožňují uživatelsky řízenou kontrolu přístupu, která je nezbytná pro efektivní detekci anomálií v komunikaci. Firmy se snaží slabá místa upravit četnými, ale vzájemně oddělenými řešeními, jako jsou systémy pro prevenci průniku (IPS – Intrusion Prevention Systems) nebo antivirové programy. Je zde ovšem značné riziko špatné konfigurace jednotlivých systémů, nekonzistence informací, snížení výkonnosti ICS a zvýšení nákladů, a to jak pořizovacích, tak provozních. Ke všem těmto nevýhodám přibývá ještě to, že existující systémy pro ochranu koncových zařízení nespolupracují se systémy pro zabezpečení sítě a zpravidla si poradí jen s těmi útoky, které už jsou známé a mají typické projevy. Nejsou schopny zařízení ochránit před dosud neznámými exploity nebo před napadením dosud neznámým malwarem. Systémy kybernetického zabezpečení ICS by si však měly poradit i s útoky typu zero day. Postupné doplňování a aktualizace takovýchto systémů skládajících se z oddělených komponent jsou nesmírně organizačně náročné, a zabezpečení ICS se proto stává velmi složitým úkolem. (pokračování příště)   Literatura: [1] LUALLEN, M.: Survey on Industrial Control Systems Security [on-line]. SANS Institute, 2014. Advisor: Harp, D. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <http://ics.sans.org/media/sans-ics-security-survey-2014.pdf> [2] HENTUNEN, D. – TIKKANEN, A: Havex Hunts for ICS/SCADA Systems [on-line]. F-Secure, 2014. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <www.f-secure.com/weblog/archives/00002718.html> [3] BERGLUND, N.: Oil Industry Under Attack by Hackers [on-line]. NewsInEnglish.no, 2014. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <www.newsinenglish.no/2014/08/27/oil-industry-under-attack-by-hackers> [4] WEISS, J. – ABRAMS, M.: Malicious Control System Cyber Security Attack Case Study – Maroochy Water Services, Australia [on-line]. CSRC NIST, 2008. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <http://csrc.nist.gov/groups/SMA/fisma/ics/documents/Maroochy-Water-Services-Case-Study_report.pdf>   Mario Chiock, American Petroleum Institute, Del Rodillas, Palo Alto Networks   Obr. 1. Nejdůležitější vektory hrozeb pro ICS (SANS ICS Survey 2014) Obr. 2. Typická konfigurace zabezpečení ICS   1) Pozn. red.: Pro odlišení funkční bezpečnosti a bezpečnosti strojů a zařízení (safety) od zabezpečení systémů (security, popř. cyber security) používáme pro security termíny zabezpečení, popř. kybernetická bezpečnost.

Soustava provozního větrání tunelového komplexu Blanka

Jan Šulc, Jan Pořízek, Lukáš Ferkl, Jíři Cigler Tunelový komplex Blanka, který je součástí Městského okruhu v Praze, byl uveden do zkušebního provozu v září 2015. Při jeho celkové délce větší než 6 km jde o nejdelší silniční tunel v České republice a nejdelší městský tunel ve střední Evropě. Během jednoročního zkušebního provozu bude sledována a vyhodnocována činnost automatického systému řízení soustavy provozního větrání tunelu – tzv. Expertního systému. Expertní systém řídí spouštění jednotlivých vzduchotechnických zařízení (proudové ventilátory, hlavní ventilátory ve strojovnách vzduchotechniky a segmentové uzávěry) tak, aby byla zajištěna požadovaná kvalita vnitřního prostředí tunelu a zároveň minimalizován výnos zplodin z výjezdových ramp tunelu do okolní zástavby. Úkolem Expertního systému je optimalizovat celkový výkon vzduchotechnických zařízení tunelu, přičemž tato optimalizace může ročně ušetřit elektrickou energii v hodnotě milionů korun. V příspěvku je popsán princip činnosti soustavy provozního větrání tunelového komplexu Blanka a Expertního systému, který ji řídí, a jsou uvedeny některé předběžné poznatky o činnosti soustavy větrání získané v rámci zkušebního provozu.   Blanka Tunnel Complex, which is a part of Prague City Ring Road, was officially opened to the public on September 19, 2015. It is the longest road tunnel in the Czech Republic and the longest city tunnel in Central Europe. Its length is about 6.4 km and it consists of three two-tubus tunnels: Bubenečský, Dejvický and Brusnický. The tunnel complex was designed to relieve the center of Prague from heavy traffic. One important part of Blanka Tunnel Complex is its air condition system ensuring adequte quality of air inside as well outside the tunnels. This article describes a function principle of the air condition system and its control based on mathematic model of air flows in the Complex. Some results from air condition system trial operation are given as well.  1. ÚvodVětrání v městských silničních tunelech je z hlediska řízení kvality ovzduší náročnější úloha než v případě dálničních tunelů. Jednak jsou dálniční tunely obvykle dostatečně samočinně provětrávány díky pístovému efektu vozidel, protože na rozdíl od městských tunelů je četnost kongesce výrazně menší, jednak jsou u městských tunelů obvykle kladeny přísnější požadavky na kvalitu ovzduší uvnitř i v relevantním okolí tunelu (městské zástavbě). Tunelový komplex Blanka je specifický nejenom svou délkou a paralelně napojenými příjezdovými a výjezdovými rampami, ale také svým umístěním v městské zástavbě. Komplex prochází celkem třemi městskými částmi Prahy (Praha 6, Praha 7 a Praha-Troja) a křižovatky tunelu Malovanka, Prašný most, U Vorlíků a Troja umožňují dennodenně projet tunelovým komplexem až celkem 60 000 vozidel [1]. V důsledku uvedených aspektů jsou projektantem soustavy větrání tunelového komplexu stanoveny striktní požadavky jak na kvalitu vnitřního prostředí tunelu, tak i na kvalitu prostředí v okolní zástavbě. Cílem je minimalizovat výnos zplodin z portálů tunelu tak, aby po otevření tunelového komplexu Blanka poklesl negativní vliv dopravy na životní prostředí v jeho relevantním okolí. 2. Krátké představení tunelového komplexu Blanka 2.1 Parametry tunelového komplexu, umístění v městské zástavběTunelový komplex Blanka tvoří severozápadní část Městského okruhu v Praze. Celková délka tunelového komplexu včetně paralelně napojených ramp je 6 382 m [2]. Jde o dvoutubusový tunelový komplex, který navazuje na již dříve zprovozněné tunely – Strahovský tunel a tunel Mrázovka. Slavnostně otevřen byl tunelový komplex Blanka 19. září 2015, jeho výstavba trvala celkem osm let. Tunelový komplex se skládá z celkem tří navazujících tunelů, které mohou být provozovány i jednotlivě – jsou to tunely Bubenečský, Dejvický a Brusnický. Polohu tunelového komplexu Blanka v městské zástavbě ukazuje obr. 1. 2.2 Větrací soustava tunelového komplexuVětrací soustava tunelového komplexu Blanka je poměrně složitý celek tvořený dvěma de facto nezávislými částmi – podélnou a příčnou. Podélnou část větrací soustavy představují proudové axiální ventilátory, jichž je v tunelovém komplexu celkem 88. Proudové ventilátory jsou umístěny u stropu tunelů, většinou po dvojicích nebo trojicích, a lze je vidět při průjezdu tunelem. Většina proudových ventilátorů je vybavena rozběhovými měniči, které umožňují ovládat ventilátor pouze způsobem zapnuto/vypnuto, a otáčky ventilátoru tudíž nelze plynule regulovat. Jen část proudových ventilátorů je vybavena měniči frekvence, dovolujícími otáčky ventilátoru plynule měnit. Příčná větrací soustava je tvořena tzv. hlavními axiálními ventilátory, které jsou umístěny v celkem třech vzduchotechnických strojovnách (strojovny Troja, Letná a Střešovice). Čtvrtou strojovnou je strojovna Malovanka, která za účelem minimalizovat výnos zplodin ze severního tunelu převádí znečištěný vzduch ze severního tunelu do jižního. V obou tubusech tunelového komplexu je dohromady umístěno 24 hlavních axiálních ventilátorů pro odvod znečištěného a přívod čerstvého vzduchu do tunelu (obr. 3). Hlavní ventilátory ve strojovnách jsou výrazně účinnější v porovnání s proudovými ventilátory, avšak při jejich provozu je nutné počítat s větší spotřebou elektrické energie. 3. Činnost soustavy větrání tunelového komplexu Blanka 3.1 Režimy činnosti soustavy větrání 3.1.1 Větrání provozní vs. požárníNa tunelový komplex Blanka jsou kladeny poměrně přísné požadavky, pokud jde o řízení kvality vnitřního i okolního prostředí tunelu. Soustava větrání tunelového komplexu má dva základní odlišné pracovní režimy, a to režim provozního větrání a režim požárního větrání. Ačkoliv režim požárního větrání a s ním související prostředky a postupy jsou neméně důležitou součástí soustavy větrání tunelového komplexu, tento příspěvek je zaměřen pouze na větrání provozní, kdy můžebýt tunelový komplex provozován v některém z celkem čtyř stavů, jimiž jsou:přirozené větrání,větrání k zajištění vnitřního prostředí tunelu,větrání k zajištění prostředí vně tunelu,předvětrání. Uvedené provozní stavy jsou v dalších odstavcích stručně charakterizovány. 3.1.2 Přirozené větrání (stav č. 1)Ve stavu Přirozené větrání jsou tunely provětrávány pouze pístovým efektem vozidel a jakékoliv nucené větrání s využitím proudových ventilátorů či ventilátorů ve strojovnách není využito. Jde o stav vyskytující se především během nočních hodin, kdy je v tunelu menší intenzita dopravy, při níž se netvoří kolony a nevyskytují se větší koncentrace zplodin z automobilů. 3.1.3 Větrání k zajištění vnitřního prostředí tunelu (stav č. 2)K přechodu do stavu Větrání k zajištění vnitřního prostředí tunelu dojde v případě, že jsou v tunelu překročeny spínací hodnoty koncentrací zplodin (tab. 1). K přechodu nazpět do stavu č. 2 dojde až v případě, že koncentrace zplodin v tunelu poklesnou pod 70 % spínacích hodnot. 3.1.4 Větrání k zajištění prostředí vně tunelu (stav č. 3)Stav Větrání k zajištění prostředí vně tunelu je během zkušebního provozu spouštěn v pracovní dny v době od 6:00 do 20:00 h, kdy se předpokládá větší intenzita dopravy v tunelu. Jde o stav zavedený za účelem minimalizovat výnos zplodin ze všech výjezdových ramp tunelu. Snahou je tedy přivést všechny výjezdové rampy tunelu do podtlaku tak, aby jimi byl nasáván čerstvý vzduch a znečištěný vzduch byl poté odváděn ventilátory ve strojovnách tunelu. Koncentrace znečišťujících látek (oxidy dusíku a pevné částice) klesá jejich rozptylem do vyšších vrstev atmosféry, což je v případě odvodu vzduchu z tunelu výfukovým komínem strojovny splněno. Největší nároky na minimalizaci výnosu zplodin jsou kladeny v portálech křižovatky Malovanka, kde je předpokládána největší intenzita dopravy v rámci celého tunelového komplexu, kde je velká hustota osídlení a kde také probíhá kontinuální venkovní měření koncentrací oxidů dusíku. Provozní stav č. 3 je schematicky znázorněn na obr. 4. 3.1.5 Předvětrání (stav č. 4)Provozní stav Předvětrání je přípravou na mimořádný stav (požár). Během provozu mohou nastat dva potenciální stavy spojené s rizikem vzniku požáru v tunelu, a to stojící vozidlo nebo zvýšená hodnota opacity (kouř je prvotním průvodcem požáru). Při tomto stavu se sleduje podélná rychlost proudění vzduchu v dané části tunelu. Poklesne-li rychlost proudění vzduchu pod žádanou hodnotu 1,2 m/s, což je optimální rychlost pro šíření kouře v případě požáru, je nutné spustit stav Předvětrání a použitím nuceného větrání zvětšit podélnou rychlost proudění vzduchu v tunelu nad žádanou hodnotu. 3.2 Systém řízení soustavy provozního větráníŘídicí systém tunelového komplexu Blanka je tvořen soustavou programovatelných automatů (PLC). Programovatelné automaty ovládají akční členy a zařízení včetně vzduchotechniky tunelového komplexu (proudové ventilátory, hlavní ventilátory ve strojovnách, klapky atd.). Přepínání mezi jednotlivými uvedenými stavy soustavy provozního větrání zajišťuje Expertní systém, který tvoří nadřazenou vrstvu této soustavy a poskytuje řídicímu systému informaci o tom, jaké ventilátory mají být spuštěny, aby za dané intenzity provozu v tunelu bylo dosaženo požadované kvality ovzduší. 4. Expertní systém 4.1 Princip činnostiExpertní systém je aplikační program, který zajišťuje splnění požadovaných podmínek v jednotlivých provozních stavech soustavy provozního větrání tunelového komplexu Blanka (viz kap. 3). Jádrem Expertního systému je matematický model tunelu založený na Bernoulliho rovnicích a rovnicích kontinuity, které popisují vliv jednotlivých faktorů působících v tunelu. Tento matematický model je současně jedním ze vstupů do algoritmu matematické optimalizace, jejímž cílem je zajistit potřebné provozní větrání tunelového komplexu při co nejmenší spotřebě elektrické energie. 4.2 Matematický model tunelového komplexuCelý tunelový komplex představuje v důsledku přítomnosti tunelových vjezdů a výjezdů sériově-paralelní síť, kterou lze jednodimenzionálně popsat pomocí Bernoulliho rovnic a rovnic kontinuity. Na obr. 5 je na ukázku schematicky zobrazena výjezdová rampa tunelu. Za předpokladu konstantní hustoty vzduchu v tunelu platí pro paralelně napojené výjezdy a příjezdy zákon zachování hmotnosti, tedy rovnice kontinuity rovnice     (1) rovnice     (2) kdeQi je objemový průtok vzduchu v dané části tunelu (m3/s),Ai průřez tunelu v jeho dané části (m2),ui rychlost proudění vzduchu v dané části tunelu (m/s). Další podmínkou je podmínka rovnosti tlaku v jednotlivých větvích, což je důsledek Bernoulliho rovnice. Pro výjezdovou rampu podle obr. 5 lze obdržet dvě nezávislé rovnice Δp1 = –Δp3      (3) Δp2 = –Δp3      (4) kde Δpi je součet všech tlakovým změn (příspěvků) v dané části tunelu (Pa). Tento článek se podrobně nezabývá výpočty jednotlivých vlivů, které v tunelu působí, jako jsou pístový efekt vozidel, komínový efekt způsobený převýšením portálů, tření vzduchu, tlakové ztráty vstupem a výstupem a vlivy jednotlivých proudových ventilátorů a strojoven. Vztahy pro výpočet těchto tlakových příspěvků lze nalézt v několika publikacích,např. [4]. Již uvedeným způsobem lze matematicky popsat celý tunelový komplex Blanka a tím obdržet soustavu nelineárních algebraických rovnic, kde neznámými jsou rychlosti proudění vzduchu v jednotlivých částech (větvích) tunelu. 4.3 Optimalizace řízení soustavy provozního větráníOptimálním řízením soustavy provozního větrání lze zmenšit náklady na provozní větrání tunelu ročně o miliony korun [3].Úkolem Expertního systému je zajistit požadované hodnoty veličin prostředí uvnitř i v relevantním okolí tunelového komplexu při minimální spotřebě elektrické energie. Jádrem matematické optimalizace je matematický model tunelu naznačený v kapitole 4.2. Úlohu matematické optimalizace lze podle [3] formálně zapsat vztahem (při dodržení omezení uvedených dále v textu) rovnice     (5) kdex* je výsledek matematické optimalizace, tj. požadované nastavení jednotlivých akčních členů (proudových ventilátorů a strojoven),JFi výkon jednotlivých proudových ventilátorů (kW),VMi výkon jednotlivých strojoven (kW),vk – sk odchylka skutečné od požadované rychlosti proudění vzduchu (m/s),ak koeficient umožňující naladit regulaci (–). Cílem je tedy minimalizovat hodnoticí funkci (5) při dodržení omezení, která jsou dána jednak matematickým modelem proudění v tunelu, dále požadovanými rychlostmi proudění v jednotlivých částech tunelu a také fyzikálním omezením jednotlivých akčních členů, jako jsou např. maximální a minimální otáčky proudových ventilátorů, maximální a minimální průtoky vzduchu strojovnami atd. 5. Aktuální poznatky ze zkušebního provozuZ poznatků o činnosti soustavy provozního větrání získaných během dosavadního zkušebního provozu tunelového komplexu Blanka je na ukázku na obr. 6 uveden záznam činnosti soustavy ze dne 22. ledna 2016. Na prvním grafu shora je zaznamenán časový průběh hodnot objemového průtoku vzduchu při odvodu znečištěného vzduchu v jednotlivých strojovnách severního tunelového tubusu. Na druhém grafu je zaznamenán časový průběh koncentrace NOx v západním konci severního tunelovém tubusu. Jde o nejkritičtější místo z hlediska koncentrací zplodin, neboť měřený úsek se nachází před výjezdovým portálem Malovanka, který je položen výše než příjezdový portál v Troji, takže v tomto místě se za provozu předpokládá největší koncentrace zplodin. Třetí graf shora ukazuje časový průběh rychlosti proudění vzduchu na jednotlivých výjezdových rampách tunelu a na posledním grafu je zobrazen časový průběh intenzity dopravy v místě výjezdového portálu Malovanka společně s průběhem venkovní koncentrace NO2. Provozní stav č. 3 – větrání k zajištění kvality prostředí vně tunelu – byl nastaven od 6:00 do 20:00 h, čemuž také odpovídá spouštění vzduchotechnických strojoven v uvedeném časovém intervalu. Strojovny se spouštějí v závislosti na intenzitě dopravy v tunelu. Z grafů je patrný postupný nárůst objemového průtoku vzduchu ve strojovnách Letná a Střešovice, což odpovídá nárůstu intenzity dopravy v tunelech během dne. Během provozu ve stavu č. 3 se podařilo minimalizovat rychlost proudění na všech výjezdových rampách a na některých rampách (především v oblasti portálu Malovanka) se podařilo přivést je do podtlaku (rychlost proudění je záporná), a tedy toku vzduchu proti jedoucím vozidlům. Během dne se navíc podařilo udržet koncentrace NOx pod limitní hodnotou, tj. nebylo třeba spustit stav č. 2 – větrání k zajištění kvality vnitřního prostředí tunelu. Stav č. 4 – předvětrání – bylo nutné spustit během dne celkem čtyřikrát, čemuž na grafech rychlosti proudění odpovídá prudký nárůst rychlosti proudění na všech výjezdových rampách v důsledku odstavení všech odvodních strojoven. Tím je jasně demonstrována účinnost automatické regulace během provozního stavu č. 3. Jestliže je totiž za provozního stavu č. 3 vypnuta automatická regulace, není možné minimalizovat rychlost proudění na výjezdových rampách a udržet výjezdové rampy v podtlaku, a proto ani minimalizovat výnos zplodin z tunelového komplexu Blanka. 6. ZávěrBěhem zkušebního provozu tunelového komplexu Blanka jsou laděny algoritmy Expertního systému, který cestou provozního větrání zajišťuje požadovanou kvalitu ovzduší uvnitř tunelů i v relevantním okolí komplexu. Ukazuje se, že navržený způsob větrání i algoritmus Expertního systému dokážou splnit požadavky, které jsou na soustavu provozního větrání kladeny. Během zbývající doby zkušebního provozu (do konce září 2016) bude algoritmus Expertního systému detailně vyladěn a na základě emisní studie bude stanovena intenzita dopravy, při které bude spouštěn stav č. 3 – větrání k zajištění kvality prostředí vně tunelu, čímž bude dosaženo dalšího kroku při optimalizaci provozního větrání a dalšího snížení spotřeby elektrické energie. Podle prvotních odhadů se náklady na elektrickou energii v rámci provozního větrání pohybují v rozsahu pět až patnáct milionů korun za rok, přičemž největší roli při úspoře hraje právě způsob provozování, tj. zda se stav č. 3 spouští jen při zvýšené intenzitě dopravy v tunelu, nebo je spouštěn časově podle předem daného rozvrhu. PoděkováníExpertní systém byl vyvíjen ve spolupráci s firmami Feramat Cybernetics s. r. o., Satra s. r. o., ČKD Praha DIZ a. s. a Eltodo a. s. Článek vznikl v rámci projektu Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT a dále byl financován ze zdrojů ČVUT SGS16/232/OHK3/3T/13 a Norských fondů NF-CZ07-INS-5-118-2015. Literatura:[1] Brusnický, Dejvický a Bubenečský tunel [online]. Tunel Blanka info, 2016 [cit. 4. 7. 2016]. Dostupné z: <www.tunelblanka.info/aktualni-informace/>[2] O tunelovém komplexu Blanka [online]. [cit. 4. 7. 2016]. Dostupné z: <www.praha.eu/jnp/cz/doprava/automobilova/tunelblanka>[3] Provozní data tunelového komplexu Blanka. Datový archiv firmy Satra, s. r. o., 2016.[4] ŠULC, J. a L. FERKL. Návrh algoritmů řízení provozního větrání tunelu Blanka. Vytápění, větrání, instalace, 2015, roč. 24, č. 4, s. 178–183. ISSN 1210-1389. Ing. Jan Šulc(sulcjan5@fel.cvut.cz),katedra řídicí techniky, Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze, Ing. Jan Pořízek(jan.porizek@satra.cz),Satra, s .r. o., doc. Ing. Lukáš Ferkl, Ph.D.(lukas.ferkl@cvut.cz),Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Ing. Jiří Cigler, Ph.D.(cigler@feramat.cz),Feramat Cybernetics s. r. o. Obr. 1. Letecká mapka tunelového komplexu Blanka včetně označení vjezdů/výjezdů (zdroj: [1])Obr. 2. Proudové ventilátory u stropu v raženém tunelu Bubeneč (zdroj: [3])Obr. 3. Pohled na jeden z hlavních axiálních ventilátorů ve vzduchotechnické strojovně (zdroj: [3])Obr. 4. Schematické zobrazení provozního stavu č. 3 – Větrání k zajištění kvality prostředí vně tunelu (šipky značí požadovaný směr proudění vzduchu; zdroj: [3])Obr. 5. Schematické zobrazení výjezdové rampy tunelového komplexu Blanka pro účely jeho matematického modelování (zdroj: [4])Obr. 6. Záznam činnosti soustavy provozního větrání tunelového komplexu Blanka během dne 22. ledna 2016Tab. 1. Spínací hodnoty koncentrací zplodin pro spuštění stavu č. 2 soustavy větrání v tunelovém komplexu Blanka Veličina Spínací hodnota koncentrace oxidy dusíku (NOx) 8 ppm opacita 5 km–1  

Provozní plynové chromatografy

Plynovým chromatografem je možné měřit složení plynných směsí nebo i kapalin, které mohou být převedeny do plynného skupenství, aniž se rozložily. Článek popisuje funkce a základní součásti těchto přístrojů, jejichž přehled je uveden na str. 30. Ústředními součástmi plynového chromatografu jsou: chromatografická kolona, ve které se analyzovaná směs dělí na jednotlivé složky, a detektor, kterým se měří množství každé složky vycházející z chromatografické kolony. Z principu plynový chromatograf neposkytuje informaci o koncentraci jednotlivých složek kontinuálně. U laboratorních chromatografů dostáváme výsledky jednorázově a u provozních chromatografů periodicky.1. Princip měření a základní součásti chromatografuSměs plynů je na jednotlivé složky rozkládána v chromatografické koloně obsahující stacionární fázi, což je kapalina nebo i pevná látka, která interaguje se složkami vzorku unášeného proudem nosného plynu, tedy mobilní plynnou fází. Jednotlivé složky analyzovaného plynu se při pohybu kolonou zdržují podle toho, do jaké míry jsou absorbovány kapalinou nebo adsorbovány na povrchu pevných částic stacionární fáze. Na konci chromatografické kolony se tedy dříve objeví složky méně zadržované.Na obr. 1 je ukázáno, že se vzorek dávkuje do proudu nosného plynu (mobilní fáze). Ten unáší vzorek dál kolonou. Složky smísené s nosným plynem opouštějí postupně kolonu a vstupují do detektoru, ve kterém vytvářejí signál, jehož intenzita je úměrná koncentraci (C) příslušné složky. Časový průběh signálu z detektoru představuje chromatogram, ze kterého je možné určit druh i kvantitativní zastoupení složek.2. Vyhodnocení analýzyVýsledkem chromatografické analýzy je chromatogram, který poskytuje mnoho informací o složení analyzované směsi i o vlastnostech chromatografické kolony:úroveň složitosti vzorku je indikována počtem vln (píků), které se na chromatogramu objevují,informace o složení vzorku se získá porovnáním polohy píků se standardy,vyhodnocení relativních koncentrací složek se získá porovnáním plochy píků.Účinnost kolony se hodnotí srovnáním se standardními chromatogramy; především podle úplného oddělení složek, zejména těch obtížně dělitelných.K charakterizaci chování látek v chromatografickém systému se používají tzv. eluční parametry či retenční data.Eluční čas τR (min) je doba průchodu látky chromatografickou kolonou, tj. doba od nástřiku látky na kolonu k dosažení maxima eluční křivky. Když se chromatogram zapisuje na papír, vypočítá se eluční čas z eluční vzdálenosti XR a rychlosti posunu registračního papíru (v cm/min). Eluční vzdálenostXR (cm) je vzdálenost vrcholu píku od počátku chromatogramu. Lze ji přímo přečíst na chromatogramu.Eluční objemVR (ml) je objem mobilní fáze prošlý kolonou za dobu τR při objemovém průtoku mobilní fáze FM (ml/min).Distribuční konstantaKD je poměr rovnovážných koncentrací dělené látky ve stacionární a mobilní fázi za předpokladu, že tato látka je v obou fázích přítomna v téže molekulové formě.Retenční čas je doba, která uplyne od nástřiku vzorku do dosažení maxima křivky (píku).Retenční objem je objem plynu, který prošel kolonou za retenční čas.Retenční čas a retenční objem jsou charakteristické veličiny pro každou separovanou látku v daném systému. Složky se identifikují porovnáváním retenčních dat standardu a identifikované látky. Tato retenční data se získají nástřikem plynů o známém složení, kdy se zjistí, jaké retenční časy mají jednotlivé složky.3. Základní součásti provozního chromatografuKromě kolony a detektoru obsahuje chromatograf i další prvky, které pomáhají zajistit jeho správné fungování (obr. 3). 4. Chromatografická kolonaChromatografická kolona je část chromatografu, ve které se nachází stacionární fáze. Používají se kolony dvou základních typů: kapilární a náplňové. U kapilární kolony je stacionární složka nanesena přímo na stěny trubice, zatímco u náplňové kolony je stacionární složka nanesena na pevné částice, kterými je naplněna trubice kolony. Přechodným typem mezi oběma uvedenými je kolona s trubicí pokrytou na vnitřním povrchu částicemi nosiče, na nichž se nachází stacionární fáze (obr. 5).Trubice kolony jsou nejčastěji vyrobeny ze skla nebo korozivzdorné oceli. Délka kolony se volí podle obtížnosti dělení složek. Čím jsou si vlastnosti dělených složek podobnější, tím musí být kolona delší. Při delší koloně ale trvá jeden analytický cyklus déle.U náplňových kolon je možné pro zadržování dělených složek využít buď adsorpci na povrchu pevné hmoty, nebo adsorpci v tenkém filmu kapaliny na jejím povrchu. V prvním případě (GSC – Gas Solid Chromatography) je pevná hmota ve formě pórovitých zrnek (aktivní uhlí, silikagel, zeolit apod.), v druhém případě jsou zrnka pevné hmoty (nosiče) potažena mikrofilmem stacionární fáze, přičemž vnější průměr zrnek je obvykle 100 až 300 μm. Důležitá je homogenita či procentuální zastoupení velikostí zrnek, jejich chemické složení a pórovitost.Rozhodujícími pro dosažení dobrého oddělení složek jsou: výběr stacionární fáze, vhodný průtok nosného plynu i volba optimální teploty, popř. teplotního průběhu. Na volbu vhodného separačního systému mají vliv tyto význačné vlastnosti:rozsah bodů varu analytů (látek, které mají být v chromatografu stanoveny) a vlastnosti vzniklé parní fáze těchto analytů,počet složek, které mají být rozděleny,přítomnost polárních a nepolárních skupin v analytech a přítomnost nebo absence funkčních skupin,kombinace stacionární fáze a rozměrů kolony, jakož i tloušťka filmu stacionární fáze s ohledem na požadovanou selektivitu a rozlišení,průtok nosného plynu jako parametr pro urychlení celkové analýzy s minimální ztrátou rozlišení u nejvýznamnějších párů sloučenin, které mají být rozděleny,skutečnost, že může být provedena analýza s teplotním programem nebo při konstantní teplotě.Stacionární fáze v plynové chromatografii mohou být rozděleny na základě jejich polárnosti nebo selektivity s ohledem na jednu nebo více fyzikálně-chemických vlastností molekul analytu, jakými jsou molekulární hmotnost a tvar molekul, bod varu nebo přítomnost určitých funkčních skupin. Oddělení složek směsi plynů na nepolárních stacionárních fázích (sorbentech) jako SE-30,OV-1 a Apiezonu-L závisí především na velikosti molekul a jejich tvaru. Tyto stacionární fáze jsou vhodné zvláště pro neutrální a mírně kyselé sloučeniny.Polyetylenglykolové (PEG) stacionární fáze jsou nejčastěji používané polární sorbenty. PEG 400 je sorbent vhodný k dělení alkoholů, éterů, aldehydů a jiných složek s nízkým bodem varu, zatímco Carbowax 20M může být použit k dělení polárních složek s vyšším bodem varu. Tyto stacionární fáze jsou zvláště vhodné pro stanovení silně zásaditých sloučenin.Jinou skupinou polárních stacionárních fází jsou poly(kyanopropylfenyldimetyl)siloxany. Tyto mírně polární sorbenty se používají k dělení sloučenin, které obsahují několik hydroxylových skupin (např. steroidů).Platí také, že při použití omezeného počtu sorbentů je možné dosáhnout požadovaného rozdělení použitím teplotního programu. Účinnost dělení chromatografické kolony lze kvantitativně popsat počtem teoretických pater kolony. Čím větší je počet teoretických pater, tím méně je rozmývána zóna separované látky při průchodu kolonou. Pro tutéž kolonu může být počet teoretických pater pro různé látky různý. Výškový ekvivalent teoretického patra je podíl mezi délkou kolony a počtem teoretických pater; využívá se k porovnání účinnosti kolon různé délky.K řešení složitějších analytických úkolů se, především v provozních plynových chromatografech, řadí několik kolon s různými druhy stacionárnárních fází buď za sebou nebo paralelně. Takové uspořádání se označuje jako víceprůchodová chromatografie. Dosáhne se tím kratší doby analýzy a současně rozdělení složek, které by se na jednom druhu zakotvené fáze nerozdělily. Navíc je možné dílčí kolony provozovat při různých teplotách. Také lze mezi jednotlivé dílčí kolony zařadit další detektor a získat jím další informace potřebné ke stanovení jednotlivých složek směsi. 5. Nosný plynNosný plyn se v plynovém chromatografu označuje jako mobilní fáze. Zdrojem nosného plynu je nejčastěji tlaková láhev. Druh plynu se volí s ohledem na to, že jeho úkolem je unášet vzorek kolonou, aniž by reagoval se složkami analyzované směsi nebo se stacionární fází. Své inertní chování si musí udržet i při vyšších pracovních teplotách. Volba nosného plynu často závisí také na použitém detektoru, protože některé detektory mohou pracovat jen s určitým nosným plynem. Běžně se jako nosné plyny používají dusík, helium nebo argon. Při nižších teplotách může být nosným plynem i vzduch.6. DetektoryDetektory jsou určeny k detekci látek v nosném plynu (signalizují jejich přítomnost).6.1 Tepelně vodivostní detektor (TCD – Thermal Conductivity Detector)Tepelně vodivostní detektor, označovaný také jako katharometr, využívá rozdíl mezi tepelnou vodivostí nosného plynu a tepelnou vodivostí složky dělené směsi. Jeho konstrukce je založena na Schleiermacherově metodě a způsob měření tímto detektorem se označuje jako „metoda s topným drátem“. Základem je komůrka válcového tvaru, v jejíž ose je napjat drátek, obvykle platinový, vytápěný elektrickým proudem.Teplota drátku je dána rovnováhou mezi elektrickým výkonem a tepelným tokem přecházejícím na stěny komůrky. Zanedbá-li se výkon přenášený zářením, je teplotní rozdíl mezi drátkem a stěnou nepřímo úměrný tepelné vodivosti plynu v komůrce. Změna teploty drátku se projeví změnou jeho odporu, který se v jednoduchém obvodu, např. Wheatstonově můstku, převede na elektrické napětí.Použitím techniky MEMS (MicroElectroMechanical Systems) může být komůrka s měřicím drátkem miniaturizována, takže v současnosti existují systémy, ve kterých je objem komůrky pouhých 0,02 μl.Protože je tepelná vodivost plynů nepřímo úměrná velikosti molekul, používá se jako nosný plyn obvykle helium, které má v porovnání s většinou ostatních plynů velkou tepelnou vodivost. Větší tepelnou vodivost má jenom vodík, který se také někdy používá jako nosný plyn. Všechny ostatní plyny mají tepelnou vodivost menší a vyvolávají tak v detektoru výrazný signál. Tepelná vodivost je obecná fyzikální veličina; tepelně vodivostní detektory jsou proto univerzální a používají se zhruba v polovině všech instalovaných provozních chromatografů.6.2 Detektor s ionizací v plamenu (FID – Flame Ionisation Detector)Detekce je založena na vzniku kladných i záporných iontů při hoření analyzované látky ve vodíkovém plamenu. Ionty vznikají především z uhlovodíků (obr. 7). Přítomnost atomů kyslíku, dusíku nebo síry v organické molekule naopak množství vznikajících iontů zmenšuje. Z tohoto pohledu jsou krajními případy CO a CO2, které k proudu vznikajícímu v detektoru nepřispívají a detektorem FID je nelze zachytit.Mezi elektrody se vkládá napětí 300 až 400 V, aby všechny ionty i elektrony byly k elektrodám přitaženy a přispěly tak ke vzniku elektrického proudu. Velikost proudu se pohybuje v pikoampérech, popř. i v nanoampérech, a pro další zpracování musí být signál zesílen. Přesto detektor FID umožňuje citlivější měření než detektor tepelně vodivostní. Z obr. 7 je zřejmé, že k jeho provozu je nutný přívod vodíku a vzduchu. V některých případech může vadit destrukce analytu, jelikož po průchodu detektorem ho již nelze dále analyzovat.6.3 Dusíko-fosforový detektor (NPD – Nitrogen Phosphorus Detector)Dusíko-fosforový detektor (NPD) je modifikace detektoru FID. Konstrukce je podobná, ale princip je odlišný. Pro zvýšení citlivosti ke sloučeninám obsahujícím dusík a fosfor se v detektoru používá vyhřívané tělísko ze soli rubidia nebo cesia, kolem něhož prochází nosný plyn smíchaný s vodíkem (obr. 8). Horké tělísko (600 až 800 °C) emituje elektrony termickou emisí. Mezi tělísko a anodu se vkládá napětí. V základním stavu, bez přítomnosti dalších sloučenin v nosném plynu, jsou vzniklé elektrony přitahovány k anodě a tak produkují konstantní proud. Přijde-li z kolony látka s atomy dusíku nebo fosforu, částečně spálené látky se s dusíkem nebo fosforem adsorbují na povrchu tělíska. Adsorbované složky omezují výstupní práci elektronů na povrchu tělíska, čímž způsobují zvýšení emise elektronů, a tedy nárůst proudu anody. Má-li detektor reagovat na dusík i fosfor, přidává se jen tolik vodíku, aby se u trysky nezapálil plamen. Jestliže má detektor reagovat jen na fosfor, může se použít větší přídavek vodíku a u trysky hoří plamínek.Detektor NPD někteří autoři označují jako TID (thermionic detector) nebo AFID (alkali flame ionisation detector).Obecně je citlivost NPD přibližně 10–12 g/ml pro fosfor a 10–11 g/ml pro dusík. Nepříjemnou vlastností je postupné snižování citlivosti v průběhu provozu. Alkalická sůl, ze které je tělísko vytvořeno, se působením vodní páry z hořícího vodíku mění na hydroxid, který má vyšší tenzi par a postupně se odpařuje. Tělísko se proto musí pravidelně vyměňovat.6.4 Detektor se záchytem elektronů (ECD – Electron Capture Detector)V detektoru se záchytem elektronů se využívá skutečnost, že vodivost plynu v ionizační komůrce se výrazně mění přítomností kontaminujících látek v nosném plynu. Po­užívá se k detekci látek s vysokou elektronegativitou (halogeny, organokovové sloučeniny, nitrily apod.). V případech, kdy lze tuto detekci použít, je její citlivost desetkrát až tisíckrát větší než u detekce FID a milionkrát větší než u TCD.Základem detektoru ECD (obr. 9) je ionizační komůrka obsahující radioaktivní zdroj β-záření – 63Ni a elektrody. Do ionizační komůrky se kromě plynu z kolony přivádí i inertní plyn, obvykle dusík. Napětí mezi elektrodami je nastaveno tak, aby všechny elektrony, které vznikají při ionizaci inertního plynu, dospěly k anodě. Jestliže jsou ve směsi přítomny další molekuly nebo jejich části, navážou se elektrony vzniklé při ionizaci inertního plynu na ně. Takto vytvořené záporné ionty mají větší hmotnost, a tedy menší pohyblivost než samotné elektrony. Tyto pomalé ionty potřebují více času k tomu, aby se dostaly k anodě. Za dobu, než k ní dospějí, je podstatně větší pravděpodobnost jejich rekombinace s kladně nabitými ionty. Proto všechny větší molekuly způsobí zmenšení proudu protékajícího mezi elektrodami. Zmenšení proudu je tak mírou příměsi analytu v nosném plynu.6.5 Ionizační detektor s heliem (HID – Helium Ionisation Detector)Detektor HID je univerzální detektor reagující na všechny molekuly s výjimkou neonu. Je zvláště vhodný pro plynné anorganické látky, na které nereaguje FID nebo jiné selektivní detektory, jako je NOx, CO, CO2, O2, N2, H2S a H2.V detektoru HID se helium ionizuje β-zářením z radioaktivního zdroje. Vznikají při tom nestabilní ionty helia, které pak svůj náboj předávají dalším molekulám přítomným ve směsi. Ionty helia mají energii až 19,8 eV, a mohou tak ionizovat všechny sloučeniny s výjimkou neonu, který má větší ionizační potenciál: 21,56 eV. Vzniklé ionty, které mají delší životnost, přispívají ke vzniku proudu mezi elektrodami detektoru. Proud je pak úměrný koncentraci složky ve směsi s heliem.Předpokladem pro použití detektoru HID je plynový chromatograf, který používá he­lium jako nosný plyn. Nevýhodou HID je použití radioaktivního zdroje, takže pracoviště musí splňovat předpisy pro jeho provoz, dopravu, likvidaci atd.6.6 Detektor s výbojem odděleným dielektrikem (DBDID – Dielectric Barrier Discharge Detector)Detektor DBDID je někdy označován jen zkratkou BID – Barrier Ionisation Discharge Detector. V tomto detektoru se vysokonapěťovým výbojem vytváří plazma, jehož excitované atomy předávají energii molekulám přicházejícím z chromatografické kolony (obr. 11). Přitom je štěpí na ionty a elektrony, které umožní průchod elektrického proudu mezi snímacími elektrodami. Velikost proudu je pak úměrná koncentraci složky vycházející z chromatografické kolony. Plazma vzniká při výboji mezi elektrodami oddělenými dielektrikem od proudu pomocného plynu. Pomocným plynem může být helium nebo argon. Výboj je buzen střídavým proudem (asi 10 kHz) o vysokém napětí (několik kilovoltů). Dielektrikem oddělujícím plyn od elektrod je křemenné sklo. Směs obsahující ionty a volné elektrony pak postupuje ke dvojici elektrod, mezi nimiž je stejnosměrné napětí.Výhodou detektoru s výbojem odděleným dielektrikem je vysoká citlivost, zhruba dvojnásobná v porovnání s plamenoionizačním detektorem. Detektor také reaguje na všechny plyny, s výjimkou neonu.6.7 Plamenový fotometrický detektor (FPD – Flame Photometric Detector)Plamenový fotometrický detektor využívá specifické emise záření při hoření látky v plameni (obr. 12). Tento detektor je určen především k detekci sirných látek a sloučenin obsahujících fosfor. Plyn vystupující z kolony se smísí s vodíkem a v ústí trysky hoří plamínkem před okénkem fotonásobiče. Záření emitované plamínkem nejprve prochází filtrem pro zachycení tepelného podílu. Následuje filtr propouštějící jen danou vlnovou délku a prošlé záření pak přichází do fotonásobiče. Za vhodných podmínek vznikají při hoření látek obsahujících fosfor nebo síru HPO a S2, které poskytují charakteristické emise o vlnové délce 526 a 394 nm.Největším problémem při používání plamenového fotometrického detektoru je jeho kvadratická závislost odezvy v režimu měření síry. Tento jev může rušivě působit např. při změně retenčního času v případě detekce velmi malého množství látky. U lineárních detektorů má prodloužení retenčního času za následek zmenšení velikosti píku, a proto se sníží i detekční limit. Při kvadratickém průběhu odezvy detektoru se však tento efekt násobí a při stanovování stopových množství může pík zaniknout v šumu.6.8 Fotoionizační detektor (PID – Photo Ionisation Detector)Detektor PID používá výbojku produkující ultrafialové záření pro ionizaci molekul (obr. 13). Při srážce fotonu s molekulou se uvolní elektron a vytvoří kladný iont. Aby k rozštěpení došlo, musí být energie fotonu větší než ionizační potenciál molekuly. Výbojky s xenonovou náplní produkují většinu fotonů s energií 8,4 a 9,6 eV. Ty dokážou vytvářet ionty např. z aromatických uhlovodíků a aminů. Výbojky s kryptonovou náplní většinou produkují fotony s energií 10,0 a 10,6 eV. Umožňují detekci amoniaku, etanolu, acetonu apod. Výbojky s argonovou náplní produkují fotony s energií 11,6 a 11,7 eV. Umožňují tak detekci např. acetylenu, formaldehydu a metanolu.Uvolněné elektrony jsou přitahovány k anodě a ionty ke katodě. Vzniká tak elektrický proud, který je po zesílení výstupním signálem detektoru. Nevýhodou těchto detektorů je omezená životnost výbojky.Základní vlastnosti popsaných detektorů uvádí tab. 3. 7. Dávkování vzorkuDávkovač je určen k zavedení vzorku na začátek chromatografické kolony do proudu nosného plynu. U laboratorních přístrojů se zkoumaný vzorek směsi plynů nebo kapalin dávkuje injekčními stříkačkami, ať už ručně, nebo automatickým mechanismem. V provozních plynových chromatografech se po­užívají buď několikacestné kohouty (obr. 14), nebo sada uzavíracích, nejčastěji solenoidových ventilů. V některých případech by mohl výsledek analýzy ovlivnit styk složek analyzované směsi s mazacím prostředkem kohoutu. U provozních chromatografů se často místo vícecestných kohoutů volí bezventilové (valveless) systémy. Protékající proudy směrují pneumatické odpory (clony, kapiláry). Bez ventilů se neobejdou, ale ventily jsou u nich situovány v místech, kde neovlivní složení směsi, především v místech s normální teplotou.8. TermostatTermostat zajišťuje dostatečně vysokou teplotu dávkovače, kolony a detektoru, aby byl vzorek udržen v plynném stavu. Pro určité druhy analýz se používá pracovní režim s proměnnou teplotou. Teplota se pak plynule mění v čase naprogramovaným způsobem.V provozních chromatografech se používají buď klasické vzdušné termostaty (air bath oven), nebo termostaty s přímým kontaktem kolony a vyhřívaného kovového bloku (airless oven nebo heat sink oven). U klasického vzdušného termostatu je kolona i topný prvek v tepelně izolované skříni spolu s ventilátorem, který zajišťuje oběh vzduchu a tím rovnoměrné rozdělení teploty v prostoru skříně. U termostatu s přímým kontaktem ohřívá topný prvek masivní kovový blok, na němž je navinuta kolona obklopená tepelnou izolací. Tepelná kapacita bloku zajišťuje rovnoměrnost a malé kolísání teploty. Kompaktnější provedení zajišťuje nižší tepelné ztráty. Větší tepelná kapacita kovového bloku ale nedovoluje rychlé změny teploty, a proto se tyto typy termostatu používají téměř výhradně pro izotermní režimy analýzy. Literatura:[1] GUIOCHON, G. a C. L. GUILLEMIN. Quantitative Gas Chromatography for Laboratory Analyses and On-Line Process Control. Elsevier, 1988.[2] POOLE, C. F. The Essence of Chromatography, Elsevier, 2012.[3] FOWLIS, I. A. Gas Chromatography. Wiley India Rt. Limited, 2008.[4] STEPHENS, E. R. Valveless Sampling of Ambient Air for Analysis by Capillary Gas Chromatography. JAPCA. 1989, 39(9), 1202 –1205. DOI: 10.1080/08940630.1989.10466612. Dostupné také z: http://dx.doi.org/ 10.1080/08940630.1989.10466612[5] KREISBERG, N. M. Development of an automated high-temperature valveless injection system for online gas chromatography. Atmos. Meas. Tech. Discuss., 2014. [7] Process Analytical Instruments Catalogue AP-01. Siemens AG, 2016.[8] GOKELER, U., F. MUELLER a U. GELLERT. A Miniaturized Process Gas Chromatograph – A Single Analyzer Module. Instrument Society of America, 2002. doc. Ing. Tomáš Bartovský, CSc., Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PrahaObr. 1. Průběh dělení směsi se dvěma složkami v chromatografické koloněObr. 2. Příklad chromatogramu τn– retenční čas složky n, (w1/2)n – šířka vlny v polovině výšky, An – plocha chromatografické vlnyObr. 3. Základní součásti chromatografuObr. 4. Příklad uspořádání provozního plynového chromatografu (model PC5000 firmy ABB)Obr. 5. Druhy chromatografických kolonObr. 6. Schéma tepelně vodivostního detektoru (TCD)Obr. 7. Schéma detektoru s ionizací v plamenu (FID)Obr. 8. Schéma dusíko-fosforového detektoru (NPD)Obr. 9. Schéma detektoru elektronového záchytu (ECD)Obr. 10. Schéma ionizačního detektoru s heliem (HID)Obr. 11. Schéma detektoru s výbojem odděleným dielektrikem (DBDID)Obr. 12. Schéma plamenového fotometrického detektoru (FPD)Obr. 13. Schéma fotoionizačního detektoru (PID)Obr. 14. Schéma vzorkovacího kohoutu a) plnění vzorkovací smyčky, b) převod vzorku do kolonyObr. 15. Schéma vzorkovacího systému pro kapalinyTab. 1. Stacionární fáze pro plynovou chromatografiiStacionární fázeObchodní názevMaximální teplota (°C)Použitípolydimetyl siloxanOV-1, SE-30350obecně použitelné nepolární fáze, uhlovodíky, polynukleární aromatické sloučeniny, drogy, PCBpoly(fenymetyldimetyl)-siloxan (10% fenyl)OV-3, SE-52350metylestery mastných kyselin, alkaloidy, drogy, halogenované sloučeninyObr. 15. Schéma vzorkovacího systému pro kapalinypoly(fenylmetyl)siloxan (50% fenyl)OV-17250drogy, steroidy, pesticidy, glykolypoly(trifluoropropyldimetyl)-siloxanOV-21200chlorované a nitrované aromatické uhlovodíky, alkylované benzenypolyetylenglykolCarbowax 20M250volné kyseliny, alkoholy, étery, nasycené mastné kyseliny, glykolypoly(dikyanoallyldimetyl)siloxanOV-275240polynenasycené mastné kyseliny, pryskyřičné kyseliny, volné kyseliny, alkoholyTab. 2. Stacionární fáze pro kapilární kolony s pokrytými stěnami Stacionární fázeEkvivalentní plněná kolonaStruktura postranních řetězců polysiloxanuPolaritaPoužitíX-1OV-101, SE-30100% metylnepolárnírozpouštědla, ropné produkty, těkavé organické sloučeniny, nečistoty v ovzduší, aminy, drogyX-5SE-545% fenyl, 95% metylnepolárnípolycyklické aromatické uhlovodíky, složky parfémů, nečistoty v ovzduší, drogy X-1701, X-10OV-170114% kyanopropyl, 86% metyl, 50% fenylmírně polárnípesticidy, alkoholy, fenoly, estery, ketonyX-17OV-1750% fenylmírně polárnídrogy, estery, ketony, změkčovadla, organochlorové sloučeninyX-200, X-210OV-21050% trifluoropropyl, 50% metylpolárníselektivní pro sloučeniny s volnými elektronovými páry, steroidy, estery, ketony, drogy, alkoholy, freonyX-WAXCarbowax 20Mpolyetylenglykolsilně polárníalkoholy, metylestery mastných kyselin, rozpouštědla, mastné kyseliny, aminyTab. 3. Vlastnosti detektorů plynových chromatografůDetektorLOQ* (g/s)Rozsah linearityTeplotní rozsah (°C)Poznámkatepelně vodivostní (TCD)10–9104450nedestruktivní, citlivý k teplotě a průtokus ionizací v plamenu (FID)10–12107400destruktivní, výborná stabilitadusíko-fosforový (NPD)10–14105400modifikace detektoru FIDse záchytem elektronů (ECD)10–13103350nedestruktivní, rychle kontaminován, teplotně závislýplamenový fotometrický (FPD)10–12104 destruktivnífotoionizační (PID)10–12103 destruktivníionizační s heliem (HID)10–11104 destruktivní *) Mez stanovitelnosti (LOQ – limit of quantification) odpovídá koncentraci, při které je přesnost stanovení taková, že dovoluje kvantitativní vyhodnocení. Podle standardu IUPAC se v separačních metodách mez stanovitelnosti vyjadřuje jako desetinásobek šumu (směrodatné odchylky kolísání) základní linie. 

XTS v „hygienickém designu“ pro kompaktní a vysoce flexibilní transportní řešení

Hygienická verze transportního systému XTS z nerezové oceli od firmy Beckhoff otevírá široké spektrum nových aplikací, a to především v potravinářském a farmaceutickém průmyslu a také obecně v oblasti zpracování a plnění tekutin. Umožňuje optimální čištění s vysokým stupněm ochrany IP 69K, disponuje velmi dobrou chemickou odolnost a nemá žádné skryté rohy, hrany nebo zářezy. Verze v hygienickém provedení nabízí obrovský potenciál pro inovace ve zmíněných průmyslových odvětvích. Výhodou standardního systému jako vysoce flexibilního řešení pro motion aplikace je snadné čištění, což umožňuje optimalizaci procesu a maximální využitelnost výrobní linky i v případě velmi přísných požadavků na hygienu.   V XTS je mechanika nahrazena softwarovou funkcionalitou, která umožňuje vysoký stupeň flexibility při implementaci zcela nových strojních konceptů. Výsledkem je skutečnost, že aplikace s náročnými environmentálními podmínkami, kde se jedná o manipulaci s potravinářskými, farmaceutickými anebo kosmetickými výrobky a rovněž i výroba nátěrů a laků, mohou tento nový hygienický design skvěle využít.   Výhody pro výrobce strojů i koncové uživatele   Díky výraznému snížení strojírenských požadavků na strojní konstrukci lze stroje vybavené XTS vyrobit s mnohem menšími rozměry, nižší hmotností a menším množstvím kabeláže. Kromě toho jsou v porovnání s konvenčními řešeními tyto systémy mnohem flexibilnější, výroby je rychlejší a údržba snadnější. A proto mohou nyní konstruktéři nabídnout menší, výkonnější a efektivnější stroje, přičemž koncový uživatel také ocení výhody plynoucí z menších rozměrů, vyšší produktivity a rychlejšího přestavení stroje na jiný výrobek. Tyto výhody budou zejména patrné v prostředí s vysokými hygienickými nároky, protože snadné čištění je jednou z nejvyšších priorit. S XTS v hygienickém provedení, která se mnohem snadněji čistí ve srovnání se složitějšími mechanickými systémy, lze běžné čištění včetně čištění spojeného s přestavením na jiný produkt – což XTS optimálně splňuje – provádět daleko rychleji. A to není vše: až do současnosti bylo prakticky nemožné z důvodu vysokých požadavků na čištění v mnoha aplikacích vůbec použít jakékoliv mechanické řešení. Hygienická verze XTS nyní umožní i automatizaci mnoha z těchto procesů.   Vyvinut na základě úzké spolupráce s EHEDG   Hygienické provedení XTS bylo vyvinuto v úzké spolupráci s Evropským uskupením pro hygienické strojírenství a projektování (EHEDG). V důsledku toho splňuje veškeré požadavky na certifikaci systému podle třídy EL I AUX. Mezi nejdůležitější vlastnosti tohoto nerezového provedení patří vysoká třída ochrany IP 69K, což zaručuje nejvyšší možný stupeň ochrany proti vniknutí prachu a vody. Kromě toho vykazuje velmi dobrou chemickou stabilitu, přičemž povrchy jsou schopny odolat povrchově aktivním činidlům, kyselým i zásaditým čisticím prostředkům, různým druhům alkoholů a dezinfekčních prostředků, a dokonce i peroxidu vodíku. Mechanické součástky, použité v XTS jsou vyrobeny z nerezové oceli V4A, těsnění a kryty z velmi odolných plastů. Kromě toho jsou všechny spoje mezi jednotlivými součástkami chráněny vysoce kvalitním elastickým spárovým těsněním proti vniknutí nečistot a kapalin. Po instalaci tvoří komponenty XTS společně se strojem rovnoměrný a hladký povrch, který je ve všech oblastech snadno dostupný, což umožňuje velmi snadné čištění. Tyto vlastnosti mají také pohyblivé segmenty s válečky umístněnými v takové vzdálenosti od pevné části, že mezeru lze čistit například i prstem. Válečky jsou utěsněny proti ose takovým způsobem, že je možné spolehlivě zabránit vniknutí nečistot a možnému úniku mazadla ložisek.  Popisek k obrázku:  Verze z nerezové oceli s třídou ochrany IP 69K nyní otevírá XTS nové možnosti použití v oblastech, s vysokými požadavky na hygienu. 

Nová řešení pro nové trhy a průmyslová odvětví

Ve světě roste potřeba automatizace v podstatě v každém odvětví, elektronický průmysl nevyjímaje. V případě výroby elektroniky jde o potřebu zvýšit úroveň automatizace z důvodu rostoucího počtu nových produktů, stále rychlejšího tempa vývoje výrobků a krátkých životních cyklů, což v součtu vyžaduje velkou flexibilitu výroby. Zajistit ji mohou nová řešení „šitá na míru“. Podle zprávy IFR (International Federation of Robotics) bylo v roce 2014 na každých 10 000 pracovníků v automobilovém průmyslu v Německu 1 100 robotů, zatímco v obecném průmyslu (general industry) to bylo jen 147 robotů. V roce 2013 se prodalo 9 373 průmyslových robotů v elektronickém průmyslu (který je součástí obecného průmyslu). Pro srovnání: automobilový průmysl objednal ve stejném období téměř 60 000 robotů. Zpráva také dokumentuje velké regionální rozdíly. V Číně je např. poměr v obecném průmyslu jedenáct robotů na každých 10 000 pracovníků. Obr. 1. Robotizace má při výrobě elektroniky velký potenciál Čísla jasně ukazují nevyužitý poten­ciál pro moderní a na budoucnost orientovanou automatizaci v elektronickém průmyslu. Toto odvětví se stále chová jako dřímající obr. Nicméně prognózy uvádějí, že se tento stav v krátkodobém až střednědobém výhledu změní. Například společnost Morgan Stanley předpokládá v Číně roční nárůst ve využívání robotů o více než 10 %. V důsledku rostoucích mezd v téměř každé zemi a zvyšujících se požadavků na kvalitu jsou automatizace výroby a efektivní vy­užití robotů nevyhnutelné i v elektronickém průmyslu. Moderní automatizace řeší specifické problémy výroby elektroniky. V minulosti byly řady výrobků stejné po celá léta. V současnosti jsou typy produktů modifikovány již po několika měsících. Životní cykly výrobků jsou stále kratší a kratší. Co je žádané dnes, nemusí být moderní zítra. Toto rychle se měnící prostředí vyžaduje mimořádně vysoký stupeň flexibility. Výrobci musí pokrývat rozšiřující se škálu typů produktů a účinně kompenzovat výkyvy ve velikosti výrobních šarží. Automatizace výroby jen pro určitý typ výrobku by byla nerentabilní. Vzhledem k této velké flexibilitě a modularitě se očekává takové řešení automatizace výroby, které dovolí využívat výrobní systémy jednoduše a individuálně pro různé úkoly: např. montáž, testování a kontrolu, manipulaci s materiálem a obsluhu strojů, a umožní zkrátit neproduktivní doby a rychle reagovat na změny ve výrobních sekvencích. Flexibilita – základní požadavek elektronického průmyslu Společnost KUKA si klade za cíl nabídnout v každém odvětví robotizaci a automatizaci „na míru“. V elektronickém průmyslu je využití takových systémů nevyhnutelné. Základním faktorem při rozhodování, zda automatizovat, je návratnost investice, protože vynaložené prostředky se musí vrátit během několika let či měsíců. Roboty KUKA mohou být v provozu po dobu delší než dva nebo tři roky, nicméně koncepce výroby elektroniky je následující: existuje jen málo dlouhodobých investic, ideální jsou investice do konkrétních snadno modifikovatelných projektů. Obr. 2. Robot KR 3 Agilus splňuje zvláštní požadavky výroby v odvětví 3C – počítače, komunikační technika a spotřební elektronika S ohledem na to společnost KUKA vyvinula nejnovější člen řady malých robotů KR Agilus (obr. 1): KR 3 Agilus. Nejrychlejší šestiosý robot ve své třídě zvládá plnit úkoly nejen v elektronickém průmyslu, ale i mimo něj (např. manipulace, testy komponent, balení atd.), ale také splňuje zvláštní požadavky pro odvětví 3C (počítače, komunikace a spotřební elektronika). Jeho dosah 540 mm umožňuje automatizaci v buňkách s rozměry 600 × 600 mm. Kromě manipulace s malými díly a úloh pick and place je vhodný i pro montážní operace. Existuje mnoho dalších oblastí použití tohoto robotu – např. u spojovacích procesů, jako jsou pájení a lepení, ale také šroubování. Automatizace může decentralizovat globální produkci V současné době se pracovní zátěž v globálně působícím elektronickém průmyslu dělí následovně: výzkum a vývoj jsou stále realizovány v Evropě a ve Spojených státech, výroba v Asii. Elektronika vyrobená v USA, Japonsku a Německu je poměrně drahá, proto se vyrábí převážně v Číně. Mnoho renomovaných značek zde má subdodavatele pro jednotlivé výrobní kroky, nebo dokonce pro celý výrobní proces, např. v oblasti 3C. Díky automatizaci výroby je nyní možné nadále efektivně vyrábět i v Číně, a to navzdory rostoucím mzdám. Avšak část operací ve výrobním procesu může být vrácena zpět do Evropy a USA. Roboty nyní umožňují realizovat velmi flexibilní, inteligentní a nákladově efektivní řešení a tím roste jejich užitečnost pro lokální řešení automatizace. V souladu s decentralizací produkce jednotlivých výrobců se tak může zrodit spousta různých atraktivních nápadů a může být vyvinuto velké množství zajímavých obchodních modelů. V budoucnu takovýto postup umožní nové a decentralizové výrobní koncepty a závody na výrobu elektroniky mimo Asii. Čína však stále zůstane i v budoucnosti hlavní výrobní základnou elektronického průmyslu.  (KUKA Roboter CEE GmbH)  

IMU neboli integrované měření utilit

Dobré hospodaření s energiemi přináší úspory a kromě toho firmám umožňuje naplnit zákonnou povinnost spojenou s normou ČSN EN ISO 50001 Systémy managementu hospodaření s energií – Požadavky s návodem k použití. Odpovědí na potřeby energetického managementu budov je služba Integrované měření utilit, kterou poskytuje společnost Pražská energetika (PRE).  Úvod PRE poskytuje zákazníkovi veškerou součinnost při řešení jeho energetických potřeb a problémů. Spolu s partnerem, společností ZPA Smart Energy, přináší spojení dlouholetých zkušeností z oblastí energetiky a měření elektrické energie, elektroniky, elektrotechniky a řídicích systémů v podobě služby IMU – Integrovaného měření utilit. Tento produkt řeší otázku hospodárného nakládání s různými formami energie. Mezi cílové skupiny využívající IMU patří nejen firemní zákazníci různých velikostí a zaměření, ale také obce, města a orgány státní správy či školy. Své uplatnění služba najde i v logistických či obchodních parcích a na všech místech, kde je třeba mít spotřebu energie pod kontrolou nebo s informacemi o energetickém chování dál pracovat.  Jak služba IMU funguje? V rámci služby IMU techničtí pracovníci PRE zákazníkovi pomohou specifikovat jednotlivé potřeby, zmapovat prostředí daného odběrného místa a vytvořit návrh infrastruktury potřebné pro splnění všech požadavků (obr. 1). Při realizaci zajistí dodávku potřebných komponent a zprovozní a oživí celou infrastrukturu. Díky IMU následně budou zákazníci moci sbírat data o spotřebě jednotlivých utilit – elektřiny, vody, plynu, tepla i chladu, evidovat je a prezentovat. Služba zákazníkům nabídne také provozní informace, jako jsou např. aktuální hodnoty tlaku, teploty, vlhkosti či provozních motohodin. Obr. 1. Architektura služby IMU  Systém IMU odečítá hodnoty snímačů a měřidel v automatizovaném režimu v intervalech stanovených zákazníkem. Odečtená data jsou zobrazena v různých režimech náhledu, které jsou zákazníkovi přístupné odkudkoliv ve webovém prostředí. Data jsou zabezpečena v souladu se standardy PRE a normy ČSN ISO/IEC 27001 (Informační technologie – Bezpečnostní techniky – Systémy mana­gementu bezpečnosti informací – Požadavky). Ochranu dat zvyšují také různé úrovně uživatelských oprávnění. Náhled na data tak může být v jiném provedení pro provozního energetika a v jiném pro management společnosti. Prezentace dat si zákazník zvolí v textové či grafické podobě, vše podle přání (viz ukázka na obr. 2). Výstupní sestavy je možné upravovat a data rovnou importovat do zákaznických systémů k dalšímu zpracování. Obr. 2. Profil patnáctiminutové spotřeby na elektroměru x/5 na odběrném místě s viditelným navýšením spotřeby ve večerních hodinách  IMU zákazníkům pomůže odhalit možnosti úspor a zvýšení efektivity hospodaření s energiemi (obr. 3). Navíc poskytuje prostředky ke splnění požadavků vyplývajících z normy ČSN EN ISO 50001 podle zákona o hospodaření s energií (zákon 103/2015 Sb., kterým se mění zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů, a zákon č. 634/2004 Sb., o správních poplatcích, ve znění pozdějších předpisů), jenž ukládá snižovat náklady a emise skleníkových plynů prostřednictvím systémového přístupu k managementu energií. Obr. 3. Porovnání čtyř odběrných míst ve dvou po sobě jdoucích měsících, zobrazeno po týdnech  Závěr Služba IMU se snaží reagovat na podněty zákazníků společnosti PRE a implementuje další nové funkce vhodné např. pro analýzu spotřeby nebo energetické audity. Více informací zájemci najdou na adrese www.premereni.cz/imu, nebo na telefonu 733 143 143.   (PREměření, a. s)     

Společnost Omron představila nové průmyslové mobilní roboty

Společnost Omron představila svou první produktovou řadu průmyslových mobilních robotů – LD Platform. Mobilní roboty LD jsou efektivní a cenově výhodný prostředek pro manipulaci se zbožím v rozlehlých výrobních provozech. Jedinečné mobilní roboty této řady jsou navrženy tak, aby nepřetržitě a spolehlivě přepravovaly materiál, a rovněž se umí samy navigovat i ve velmi dynamicky se měnícím prostředí.  Mobilní robotické platformy LD (obr. 1), ideální pro manipulaci se zbožím ve skladištích, distribučních centrech a výrobních závodech, zvládnou přepravu kusů o hmotnosti až 130 kg. V porovnání s tradičními automaticky naváděnými vozidly se mobilní roboty Omron umí samy navigovat v přirozeném prostředí podniku. Nejsou nutné žádné cenově a časově náročné úpravy infrastruktury, nejsou třeba podlahové magnety, naváděcí pásy nebo laserové závory, které se vyskytují u klasických automaticky naváděných vozidel. Body doručení lze u mobilních robotů LD snadno měnit a dosáhnout tím flexibilního rozvržení závodu. Mobilní roboty LD od firmy Omron tak doplňují tradiční automatizaci, např. dopravníkové pásy, a umožňují dosáhnout podstatně větší flexibility. Mobilní roboty LD jsou opatřeny systémem samočinné navigace, který spolehlivě pracuje i v prostředích, kde se nepřetržitě pohybují lidé, palety, vozíky či vysokozdvižné vozíky a jsou stále vyprazdňovány a přemisťovány regály. Platforma robotu je vybavena senzory a vestavěným řídicím systémem, které jí dovolují vyhnout se překážkám a zvolit si nejlepší cestu. To také umožňuje bezpečný provoz mezi lidmi, popř. i spolupráci s nimi. Z robotů lze vytvářet skupiny (až sto robotů na jednu skupinu), které jsou centrálně řízeny softwarem Enterprise Manager 1100, jenž spolupracuje se systémy pro správu závodu nebo skladu (např. MES nebo WMS). Součástí nové řady je LD Cart Transporter (obr. 2), autonomní tahač vozíků. Cart Transporter obsahuje zařízení pro automatické zapojení vozíku a dokáže přizpůsobit svou příjezdovou cestu tak, aby se vozík automaticky připojil k tahači. Díky tomu je Cart Transporter ideálním řešením pro doplňování zásob u výrobních a montážních linek nebo pro vyřizování objednávek e-shopů v distribučních centrech. Další informace: https://industrial.omron.cz/cs/products/mobile-robot. [Tisková zpráva Omron Electronics spol. s r. o. Leden 2017.] (Bk) Slovníček Platforma LD: základní část mobilního robotu. Skládá se z podvozku s koly, pohonů, nosných prvků pro upevnění nástavby, baterie, laserových a ultrazvukových snímačů, gyroskopu a řídicího systému LD Core, který obsahuje veškerý software potřebný k navigaci a konektory pro připojení signálů i napájení nástavby. Nástavba: cokoliv, co je neseno platformou. Může to být krabice nebo paleta, zařízení pro automatické připojení transportního vozíku (u zařízení LD Cart Transporter) nebo robotické rameno určené k manipulaci s transportovaným materiálem. Nástavba často zahrnuje také operátorský panel. Transportní vozík: mechanický čtyřkolový vozík (cart) určený k přepravě krabic a palet s materiálem. LD Core: průmyslový počítač vestavěný do platformy LD. Běží na něm software ARAM (Advanced Robotics Automation Management), který zpracovává údaje ze všech snímačů platformy, SetNetGo, který komunikuje s aplikací řídící celou flotilu robotů (Enterprise Manager), a MARC (Mobile Adept Robot Controller), který zpracovává údaje z gyroskopu a snímačů polohy v pohonech, komunikuje se systémem ARAM, určuje polohu robotu a řídí pohony, včetně bezpečnostního zastavení před překážkou. Autonomní inteligentní vozidlo: (AIV – Autonomous Intelligent Vehicle); v tomto případě platforma s nástavbou, tedy kompletní mobilní robot, který může přemisťovat materiál, polotovary, zboží apod. Enterprise Manager 1100: software, který řídí provoz celé flotily (až stovky) mobilních robotů. Obr. 1. Platforma mobilního robotu LD od firmy Omron Obr. 2. LD Cart Transporter, autonomní tahač manipulačních vozíků  

Nejrychlejší značení na světě pomocí JET3up RAPID

Vysoký stupeň automatizace má za následek zvýšenou produktivitu výroby. Avšak značicí systémy někdy nedokážou s touto rychlostí držet krok a celý proces zpomalují. Proto firma Leonardo technology uvedla na trh tiskárnu Leibinger JET3up RAPID (obr. 1). Je to jediná průmyslová inkoustová vysokorychlostní tiskárna na světě pracující na hranici fyzických možností: rychlost značení je až 1 000 m/min (60 km/h). To je víc, než kdybyste jeli v obci autem a tiskli přitom na obrubník souvislý text. Značení mimořádnou rychlostí 1 000 m/min Tato mimořádná rychlost je důležitá především při značení kabelů, hadiček, trubek apod. Tisk je přitom jasně čitelný na různých površích materiálů (obr. 2). JET3up RAPID dokáže zvýšit efektivitu produkce o až 40 % ve srovnání s jinými vysokorychlostními inkoustovými tiskárnami dostupnými na světovém trhu a zvýšit tak zisky výrobním společnostem – o to přece jde.        Proč je tisk s JET3up RAPID na hranici fyzických možností Tisk s JET3up RAPID je na hranici fyzických možností jak v oblasti mechaniky tekutin, tak v oblasti elektroniky. Musí se vypořádat s vlivem elektrostatického pole i turbulencí vzduchu. Nabíjecí matrice pro kapičky inkoustu totiž nejenže generuje napětí odpovídající poloze kapičky, ale za pomoci vysokorychlostní kamery snímající průlet kapičky vzduchem toto napětí ještě i dolaďuje. Kompenzuje totiž turbulence vznikající průletem kapičky vzduchem, které ovlivňují pohyb kapičky letící za ní. Je to, jako když jede cyklista z kopce za druhým cyklistou: vzhledem k menšímu odporu vzduchu ve vzduchovém úplavu jej dojíždí, až jej předjede. Proto se kompenzuje let kapiček správným načasováním a nabíjením. JET3up RAPID pracuje na limitu ne technických možností, ale fyzických vlastností omezujících maximální rychlost tisku, proto je tak výjimečná a světově jedinečná. Zájemci se o tom mohou přesvědčit na vlastní oči. Tiskárna bude značit na veletrhu Amper 2017 ve stánku firmy Leonardo technology č. 7.12 v hale V. Kontakt na firmu je v inzerátu na str. 1. (Leonardo technology s. r. o.)www.LT.cz Obr. 1. Vysokorychlostní inkoustová tiskárna Leibinger JET3up RAPID Obr. 2. Ukázky značení tiskárnou Leibinger JET3up RAPID