Preventivní diagnostika v čistírně odpadních vod

Jejich služby využívají všichni, kdo jsou napojeni na kanalizační síť. Čistírny odpadních vod. Nepřetržitě, 24 hodin denně, čistí odpadní vody, aby mohly být bezpečně vráceny zpět do vodních toků. Předpokladem pro jejich správnou činnost je hladký průběh všech procesů čištění. Čistírna odpadních vod v Rotenburgu nad Fuldou (Německo) se potýkala s problémem: opakovaně vznikaly poruchy převodovky šnekového čerpadla určeného k čerpání vratných kalů do provzdušněné nádrže.

 
Čistírna odpadních vod (ČOV), která slouží městu Rotenburg nad Fuldou a přilehlé oblasti a je vlastněna komunálním podnikem Stadtwerke Rotenburg, byla navržena pro ekvivalent 34 000 obyvatel (obr. 1). V současné době je využívána pro zhruba 20 000 ekvivalentních obyvatel.
 
Odpadní voda po mechanickém vyčištění přitéká do aktivační nádrže, kde se mísí s recirkulovaným (vratným) kalem. Vzniká zde aktivovaný kal, který je přečerpáván do dosazovací nádrže, kde je v podobě jemných vloček separován od vyčištěné vody. Zahuštěný aktivovaný kal z dosazovací nádrže je recirkulován zpět na začátek aktivační nádrže. Aktivovaný kal – shluk mikroorganismů, většinou bakterií – v aktivační nádrži nastartuje proces biologického čištění odpadních vod.
 
Pro dopravu kalu z dosazovací do aktivační nádrže jsou v ČOV v Rotenburgu používána tři šroubová čerpadla (obr. 2). Ta musí za všech okolností zajistit spolehlivou dopravu kalu z dosazovací do aktivační nádrže. Aktivní kal z dosazovací nádrže se v žádném případě nesmí dostat do řeky Fuldy, protože by způsobil její biologické znečištění. Jako záloha jsou zde proto umístěna ponorná kalová čerpadla.
 
Vzhledem ke konstrukční chybě je maximální životnost převodovky pohonu dva a půl roku. Poškození převodovky je čistě mechanické: převodovka se vlivem poškození ložisek doslova rozpadne a musí být kompletně nahrazena.
 

Systém pro včasnou diagnostiku

Čistírnu odpadních vod má už od roku 1992 na starost inženýrská firma Willich. Tato firma pracuje s řídicí technikou Mitsubishi Electric. Znamená to, že v čistírně odpadních vod lze nalézt různé měniče, řídicí systémy, I/O moduly a operátorské stanice této značky, náležející k různým technickým generacím.
 
Pro odstranění problémů se šroubovými čerpadly navrhla firma Willich vlastníkovi čistírny nainstalovat diagnostický systém pro sledování stavu zařízení (CMS – Condition Monitoring System) se snímači vibrací FAG SmartChecks (obr. 3). Šlo současně o referenční projekt, na němž chtěly firmy Willich a Mitsubishi Electric ověřit možnosti využití tohoto systému v reálném provozu. Systém získává informace ze snímačů vibrací a vyhodnocuje každou odchylku, která by mohla signalizovat počínající poškození. Podle typu odchylky lze určit příčinu poškození, a problém tak může být rychle určen a vyřešen. Zabrání se tak cenově i časově náročné kompletní výměně převodovky. To má pozitivní vliv na snížení provozních nákladů i na zvýšení provozní spolehlivosti.
 
Od prvního nápadu k implementaci diagnostického systému uplynulo jen pár týdnů. K návrhu systému postačovala jediná návštěva na místě; instalace a uvedení do provozu potom byly otázkou jednoho dne. Po devíti měsících běžného provozu přišlo první varovné hlášení. Po dalších čtyřech měsících provozu převodovka opět zcela selhala. Dokumentace závady ale jasně ukázala, jaké odchylky od běžného stavu, které nakonec vedly k selhání celé převodovky, se objevily jako první. S podporou systému CMS je nyní nejen možné tyto příznaky včas identifikovat, ale dokonce i učinit taková opatření, aby se stav nezhoršoval. Druhou možností je sledovat postup poškození a odhadnout zbytkovou životnost převodovky, aby byla využita po maximální dobu. Nová převodovka může být objednána včas a vyměněna ještě před definitivním selháním. Díky tomu je možné výměnu naplánovat na dobu, kdy je to nejvhodnější, a plánováním údržby zkrátit celkovou dobu odstávky.
 

Inteligentní snímače generují varovná hlášení

Diagnostický nástroj doplněný v řídicím systému Melsec Q diagnostikuje na základě signálů ze snímačů vibrací FAG Smart-Check stav mechanických částí převodovky. V případě potřeby dokáže monitorovat i stav elektrických zařízení. Přímý přenos hodnot charakteristických proměnných umožňuje komunikační protokol SLMP, implementovaný v řídicích systémech Melsec L a Melsec Q. Na pohony jednotlivých šroubových čerpadel jsou namontovány snímače vibrací, které poskytují informace o všech změnách provozního stavu, jež vybočují z nastavených mezních hodnot.
 
S počínající poruchou je spojen také nárůst teploty. Systém sleduje nejen hodnotu teploty, ale zejména rychlost její změny. Například poškození ozubeného kola převodovky se nejprve projeví změnou vibrací, kterou nepostřehne ani zkušená obsluha. Teprve po několika měsících začne být poškození slyšitelné. Po několika týdnech začne růst teplota motoru, což je neklamná známka, že do kompletního selhání zbývá už jen několik dní. Změna vibrací detekovaná snímačem je tedy prvním varováním, že se děje něco špatného.
 
Instalaci systému pro sledování stavu zařízení usnadňuje funkce autotuningu: systém sám určí hodnoty vibrací odpovídající běžnému provozu. Systém je schopen také určit nejpravděpodobnější příčinu poruchy a řídicímu systému nebo dálkovému systému údržby ji sdělit v textové podobě: např. poškozené ložisko, nevyváženost, nesouosost nebo nedostatek maziva. Systém rozeznává tři stavy: běžný provoz, stav výstrahy a alarm, podle toho, zda jsou odchylky od běžných hodnot nevýznamné, malé nebo velké. Potom je na rozhodnutí operátora, aby požádal o servisní zásah okamžitě, do 24 hodin nebo se rozhodl počkat na plánovanou odstávku. Stav zařízení indikují také LED přímo na snímači vibrací: zelená svítí v běžném stavu, žlutá ve stavu výstrahy, kdy je třeba uvažovat o zásahu údržby, a červená ve stavu alarmu, kdy je nutný okamžitý zásah.
 
Mikroprocesor, jenž je součástí jednotky FAG SmartCheck, nejen vyhodnocuje měřené hodnoty a přiřazuje jim kódy pravděpodobných příčin a závažnosti odchylek, ale také ukládá naměřené hodnoty pro pozdější vyhodnocení. Uložené hodnoty je možné z jednotky přečíst prostřednictvím webového serveru integrovaného v řídicím systému Melsec Q, jenž je součástí systému CMS.
 

Překážky jsou tu proto, aby se překonávaly

Systém CMS se skládá ze tří jednotek FAG SmartCheck od firmy Schaeffler FAG, směrovače 4005CD od firmy eWon a řídicího systému Melsec System Q od firmy Mitsubishi Electric (obr. 4). Mitsubishi Electric a Schaeffler FAG spolupracují v rámci e-F@ctory Alliance už od roku 2010; eWon se stala partnerem aliance o rok později.
 
Kompaktní jednotka FAG SmartCheck sleduje vibrace pohonu čerpadla, ale systém CMS může zaznamenávat také hodnoty dalších provozních veličin, např. teploty, rychlosti nebo tlaku, které mu předává provozní řídicí systém Melsec, a dávat je do souvislosti s vibracemi. Díky tomu se daří odhalovat počínající poruchy již ve velmi raném stadiu a účinně tak zabraňovat neplánovaným odstávkám.
 
Pro přesnou analýzu vibrací potřebuje FAG SmartCheck znát aktuální hodnoty z měniče frekvence, který řídí pohon čerpadla, aby zajistil požadovaný průtok. V čistírně odpadních vod v Rotenburgu však měniče nejsou namontovány na pohonech, ale v rozváděči společně s řídicím systémem Melsec, který je ovládá, a to přibližně 50 m od čerpadel. „Co teď?“ ptali se technici, kteří systém instalovali. Na místě totiž nebyla umístěna žádná průmyslová sběrnice. Byl tam však nevyužitý sedmižilový signálový kabel. Technici tedy použili tento kabel, aby jím propojili řídicí jednotku diagnostického systému s provozním řídicím systémem, který řídí tři měniče frekvence regulující otáčky pohonů šroubových čerpadel. Protože přímé připojení měničů frekvence k diagnostickému systému nebylo možné, jsou hodnoty potřebných proměnných čteny ne přímo z měničů, ale ze současného provozního řídicího systému, který jim je nadřazen. Hodnoty jsou převáděny na analogový výstup a signálovým kabelem vedeny k diagnostickému systému. Zde je řídicí systém Melsec Q převádí do podoby vhodné pro mikroprocesor inteligentních snímačů FAG Smart-Check. A komunikační problém je vyřešen – bez toho, že by bylo třeba instalovat další kabel. Hodnoty otáček z měničů jsou v FAG SmartCheck porovnávány s hodnotami měřených vibrací. Řídicí systém Melsec Q, který je součástí systému CMS, v tomto případě vlastně nic neřídí: jeho úlohou je zajistit komunikaci mezi měniči a snímači vibrací, vyhodnocovat měření, vybavovat výstražná hlášení a alarmy, jsou-li překročeny nastavené meze, a předávat informace nadřazenému systému řízení provozu a údržby.
 
Když byl systém naistalován, ukázalo se, že přenos informací z diagnostického systému do počítače řízení údržby prostřednictvím původní infrastruktury není bez problémů. Proto je využíván směrovač (router) eWon 4005CD, který informace z diagnostického systému do počítače řídicího systému údržby přenáší spolehlivě prostřednictvím bezdrátového Ethernetu.
 
Pro přístup zvnějšku nabízí eWon funkci Talk2M s integrovanou VPN (Virtual Private Network). S jejím použitím může integrátor systémů konfigurovat a zobrazovat hodnoty z řídicího systému Melsec Q a jednotek FAG SmartCheck. Informace jsou exportovány do webového rozhraní a přístupné z prohlížeče Microsoft Internet Explorer. Prostřednictvím tohoto webového prohlížeče má společnost Willich snadný a rychlý přístup k řídicím systémům čistírny odpadních vod, kdykoliv to potřebuje (obr. 5).
 

Zlepšení celkové efektivity

Inteligentní snímače FAG SmartCheck jako součást sady OEE Control Pack od Mitsubishi Electric významnou měrou přispívají ke zlepšení celkové efektivity provozu, ať jde o výrobní závod nebo čistírnu odpadních vod. V případě čistírny odpadních vod není kritériem maximalizace zisku, ale zajištění kontinuálního provozu bez výpadků a odstávek. Ukazatel celkové efektivity OEE je úzce svázán s ukazatelem energetické efektivity. Systém CMS např. dokáže odhalit postupující opotřebení, jehož důsledkem je růst spotřeby elektřiny na pohon zařízení. OEE Control Pack lze vhodně kombinovat se sadou Energy Control Pack a snižovat tak spotřebu energie na provoz zařízení.
 
OEE Control Pack má široké možnosti použití. Například v čistírně odpadních vod v Rotenburgu je používán pro plnicí čerpadla, provoz aktivačních nádrží, všechny pohony větších výkonů a také pro kogenerační jednotku. Rovněž inteligentní snímače vibrací FAG SmartCheck mají rozsáhlé možnosti využití, nejen u pohonů čerpadel, ale také pro ventilátory, kompresory, obráběcí stroje, separátory a odstředivky. Spolehlivě detekují všechny změny, které vznikají opotřebením nebo jinými vlivy. „Výborné výsledky, jichž jsme dosáhli v čistírně odpadních vod v Rotenburgu, nám umožňují snáze vysvětlit přednosti systému CMS se snímači FAG SmartCheck našim dalším zákazníkům,“ říká Michael Böttner, technik společnosti Willich.
 
Systém CMS od Mitsubishi Electric také vede k lepší ochraně životního prostředí, protože pomáhá, aby aktivní kaly zůstaly tam, kam patří, a neznečistily řeku Fuldu.
 
[Tisková zpráva Mitsubishi Electric Europe B.V., Německo, prosinec 2014.]
(Mitsubishi Electric)
 
Obr. 1. Čistírna odpadních vod v Rotenburgu nad Fuldou je dimenzována na ekvivalent 34 000 obyvatel
Obr. 2. Šroubová čerpadla různých velikostí umožňují optimalizovat provoz podle objemu zpracovávané odpadní vody
Obr. 3. Snímače vibrací FAG SmartCheck jsou namontovány na pohonech všech tří čerpadel aktivního kalu
Obr. 4. Rozváděč instalovaný přímo u čerpací stanice aktivních kalů obsahuje řídicí systém Melsec Q a směrovač eWon
Obr. 5. Data jsou exportována prostřednictvím webového rozhraní a zobrazována na počítači údržby v dispečinku nebo kdekoliv jinde na světě