Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Stlačený vzduch je v průmyslu nepostradatelný, ať v procesní výrobě, nebo např. v balicích linkách. Nejsou-li však pneumatické systémy důsledně monitorovány, může docházet k únikům stlačeného vzduchu a tlakovým ztrátám. Aby bylo možné vyhovět potřebám technologických procesů a operací na množství stlačeného vzduchu, je v takovém případě nutné zvýšit výkon kompresoru. Tím rostou náklady a snižuje se efektivita výroby.
K tomu, aby bylo možné na pneumatické systémy dohlížet, je třeba mít přístup k aktuálním údajům o tom, kolik stlačeného vzduchu jednotlivé stroje nebo zařízení spotřebují. Všechny podniky napříč obory chtějí zvyšovat efektivitu výroby a snižovat spotřebu energií. Aby dosáhly udržitelnosti provozu svých strojů a linek, zavádějí monitoring pneumatických systémů, sledování úniků a měření spotřeby stlačeného vzduchu.
Ideální je, jsou-li monitorovací systémy plně digitalizované: data sbíraná z výrobní haly se na místě předzpracují a předávají do cloudu, kde jsou vstupem pro cloudové systémy managementu energie celého podniku.
Společnost Emerson nabízí předem připravenou sestavu komponent pro sledování systémů stlačeného vzduchu určenou pro montáž do stávajícího zařízení, která umožňuje podrobnou analýzu spotřeby stlačeného vzduchu v reálném čase, snadno se instaluje, uvádí do provozu a používá.
Rozváděčová sada pro sledování pneumatických systémů tak poskytuje podnikům možnost rychle a snadno získat přehled o skutečné spotřebě energie a lépe kontrolovat spotřebu s rozlišením od jednotlivých strojů až po celé linky, od jednoho výrobního úseku až po několik závodů. Na základě nepřetržitého sledování pneumatických systémů v reálném čase mohou pracovníci obsluhy odhalit odchylky, které vedou ke ztrátám v důsledku úniků stlačeného vzduchu, a také zlepšit efektivitu procesů přesným automatickým nastavením pneumatických obvodů.
Úspora energie pomocí detekce úniků v raném stadiu
Přístup k datům z pneumatických systémů v reálném čase umožňuje výrobním podnikům činit informovaná rozhodnutí a přijímat smysluplná opatření, která pomáhají zlepšovat efektivitu výrobních procesů a udržitelnost provozu. Vezměme si jako příklad typický výrobní závod, v němž se přibližně 20 až 30 % celkové spotřeby energie vynakládá na výrobu stlačeného vzduchu. Bez sledování pneumatických systémů v nich vznikají ztráty až 30 % vynaložené energie. K těmto ztrátám dochází z několika důvodů, včetně úniků způsobených poruchami spojů trubek a hadic, ztrátou těsnosti systému vlivem vibrací a běžného opotřebení součástí a nedostatečnou optimalizací provozu strojů a zařízení (obr. 1).
Průběžné sledování umožňuje provozovatelům odhalit úniky a další odchylky již v raných fázích. Řešením problémů s pneumatickými systémy dříve, než narostou, mohou společnosti ušetřit 20 až 30 % stlačeného vzduchu.
K výpočtu možných ročních úspor elektrické energie D mohou společnosti použít tento postup:
- B = A × 0,3, kde A je množství elektrické energie spotřebované podnikem za rok a B je elektrická energie vynaložená na výrobu stlačeného vzduchu,
- C = B × 0,25, kde C je elektrická energie ztracená vlivem tlakových ztrát v pneumatických systémech,
- D = C × 0,25, kde D je roční úspora elektrické energie.
Například firma, která má roční spotřebu 100 MW·h, tak může ročně uspořit přibližně 1,9 MW·h. Výpočet může posloužit k hrubému odhadu návratnosti investice do systému monitorování stlačeného vzduchu.
Včasné detekce úniků stlačeného vzduchu
Zařízení pro sledování pneumatických systémů automatizují a digitalizují jednotlivé kroky nepřetržité smyčky „vidět, rozhodnout, jednat“ (see, decide, act; obr. 2).
Ve fázi „vidět“ snímače průtoku vzduchu měří hodnoty veličin, jako jsou objemový průtok, tlak a teplota vzduchu, a pomocí softwarových aplikací, např. Compressed Air Manager od společnosti Emerson, počítají klíčové parametry provozu systému.
Ve fázi „rozhodnout“ snímače odesílají shromážděná data do edgeové komunikační brány, která je průběžně agreguje a předává analytickému softwaru v cloudu. Aplikace v cloudu dává data do kontextu, prezentuje je jako statistiky a trendy a poskytuje tak přehled o aktuální spotřebě a jejím vývoji v čase. Ze zaznamenaných dat se navíc vytvářejí podrobné analýzy, které poskytují informace o spotřebě energie, ale také umožňují vypočítat dobu nečinnosti stroje. Je tak možné spočítat, kolik procent celkové doby je pneumatický systém pod tlakem, přestože je stroj zastaven. Pracovníci obsluhy mohou tyto informace využít k rychlému rozhodování a přijetí nejvhodnějších opatření.
Ve fázi „jednat“ může analytický software sdílet shromážděné informace s rozličnými platformami, např. systémy SCADA nebo MES. Pracovníci obsluhy a týmy údržby mohou tyto informace využít ke zkrácení prostojů strojů, plánování zákroků údržby při opravě netěsností a optimalizaci nastavení spotřebičů.
Zlepšení efektivity procesů prostřednictvím optimalizace pneumatických systémů
Průběžné sledování pneumatických systémů může výrobcům rovněž pomoci výrazně snížit náklady na údržbu, omezit neplánované prostoje o 20 % a zlepšit celkovou efektivitu zařízení (OEE) o 5 až 10 %.
V průměru 76 % společností testuje úniky stlačeného vzduchu ve svých zařízeních ručně. To často vyžaduje, aby každý stroj byl pravidelně kontrolován servisním oddělením třetí strany nebo zkušenými interními pracovníky. Tyto pravidelné audity mohou stát v průměru u složitější linky až milion korun ročně, a to z důvodu investic do servisu, vybavení a školení. Ovšem úniky se v mezidobí mezi kontrolami mohou nerušeně rozvíjet a narůstat.
Oproti tomu systém průběžného sledování úniků stlačeného vzduchu dokáže nepřetržitě měřit průtok vzduchu v reálném čase, identifikovat odchylky v jejich počátečních fázích a zasílat pracovníkům upozornění, aby mohli zakročit. Díky nepřetržitému přístupu k informacím o stavu pneumatického systému mohou pracovníci obsluhy sledovat parametry, které se odchylují od základních hodnot, zkoumat možné problémy, plánovat údržbu a rychle řešit malé problémy dříve, než se z nich stanou velké. Automatizovaná detekce úniků tak může ve srovnání s ručními audity firmám ušetřit značné množství času a nákladů na údržbu a také minimalizovat poruchy a z nich plynoucí prostoje.
Řešením možných problémů v okamžiku jejich vzniku mohou společnosti zvýšit dostupnost strojů a následně i celkové hodnoty efektivity zařízení (OEE). Většina balicích linek běžně pracuje s průměrnou hodnotou OEE kolem 65 %. To znamená, že je zde velká příležitost pro zlepšení a zvýšení produktivity. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je použití sledování spotřeby stlačeného vzduchu k optimalizaci nastavení pneumatických zařízení, např. pohonů.
Každé pneumatické zařízení má optimální poměr průtoku vzduchu a tlaku. Jestliže je tento poměr správný, procesy probíhají efektivně a účinně. Je-li do zařízení přiváděno příliš velké množství vzduchu, plýtvá se energií. Je-li do zařízení přiváděno příliš málo vzduchu, procesy probíhají neefektivně a může se zhoršit kvalita výrobků. Na základě údajů získaných ze sledování spotřeby stlačeného vzduchu může obsluha vhodně vyvážit nastavení pneumatických zařízení.
Rychlé a snadné zahájení dohledu nad pneumatickými systémy
Na základě inovací v oblasti digitálních technologií je sledování pneumatických systémů snazší než kdy dříve. Namísto propojování snímačů a softwaru od různých dodavatelů a navrhování rozsáhlejšího systému „na vlastní pěst“ je výhodnější použít jediné ucelené řešení.
Rozváděčová sestava pro sledování pneumatických systémů (obr. 3) je předem připravená sada komponent, která obsahuje veškerý hardware a propojený software. Díky tomu ji lze snadno nastavit, nakonfigurovat a uvést do provozu. Stejně jednoduše lze při rozšíření systému připojit, nakonfigurovat a zprovoznit další inteligentní snímače průtoku vzduchu, takže řešení je také vysoce škálovatelné.
Společnost Emerson při vývoji svého řešení zvolila přístup Floor to Cloud. Systém monitoringu zahrnuje snímače průtoku vzduchu Aventics AF2, které sbírají data v celé výrobní hale, dále edgeovou komunikační bránu PACSystems a pokročilý cloudový software, který převádí data na přehledné informace. Jakmile edgeová brána shromáždí, zpracuje a ověří data, mohou být informace a přehledy předány nadřazeným systémům, jako jsou systémy MES nebo SCADA, a to prostřednictvím standardizovaných rozhraní, např. OPC UA.
Součástí rozváděčové sady je i průmyslový napájecí zdroj SolaHD pro stabilní a bezpečné napájení jednotlivých součástí a switch PoE (Power over Ethernet), který napájí snímače průtoku vzduchu prostřednictvím stávajícího ethernetového kabelu.
Základním prvkem sledování pneumatických systémů je softwarová aplikace. Aplikace Compressed Air Manager od společnosti Emerson má standardizované rozhraní využívající OPC UA, které umožňuje výměnu dat se systémy třetích stran. Aplikace je předem nainstalována na edgeové bráně, bez problémů se propojuje se snímači průtoku AF2 a umožňuje jejich automatickou parametrizaci a konfiguraci. Centralizovaný ovládací panel zobrazuje jak spotřebu vzduchu jednotlivých strojů, tak celkovou spotřebu vzduchu v rámci linky nebo celého zařízení. Uživatelé mohou sledovat klíčové ukazatele výkonnosti (KPI) a hodnoty, jako je průtok vzduchu, jeho tlak, náklady na energii a emise CO2, stejně jako dobu nečinnosti stroje a spotřebu stlačeného vzduchu v klidovém stavu, když se stroj nepoužívá.
Pomocí aplikace Compressed Air Manager mohou uživatelé přímo přistupovat k připojeným snímačům průtoku AF2 a číst z nich data z libovolného místa. Díky tomu mohou společnosti nepřetržitě sledovat údaje o spotřebě vzduchu, trendy a náklady od úrovně jednotlivých strojů až po celou linku nebo zařízení a poskytovat týmům okamžité informace, které umožňují neustálé zlepšování provozu. Tímto způsobem mohou společnosti zvýšit úspory elektrické energie, plnit cíle iniciativ v oblasti udržitelnosti a snížit náročnost údržby a auditů pneumatických systémů. Aplikace se neustále vyvíjí a uživatelé budou moci využívat současné funkce i budoucí aktualizace.
Větší viditelnost pro lepší výsledky
Integrovaná rozváděčová sada zrychluje a usnadňuje první krok ke sledování pneumatických systémů. Sada je připravená k okamžitému použití a je možné ji snadno a rychle uvést do provozu. Zajištěno je napájení a připojení snímačů, skříň rozváděče zajišťuje potřebnou ochranu proti vlivům prostředí a není třeba ani žádné náročné nastavení softwaru.
Použitím sady pro sledování pneumatických systémů mohou výrobci získat větší přehled o zařízení, zlepšit účinnost procesů, snížit náklady na elektrickou energii a v důsledku toho dosáhnout vyšší udržitelnosti a produktivity.
Hendrik Priemer, produktový manažer pro aplikace IIoT a automatizaci strojů ve polečnosti Emerson
Obr. 1. Modelový příklad neefektivního využití stlačeného vzduchu (zdroj: Hannover Research)
Obr. 2. Sada pro sledování pneumatických systémů využívá k automatizaci a digitalizaci detekce úniků cyklus „vidět, rozhodnout, jednat“
Obr. 3. Rozváděčová sada od společnosti Emerson obsahuje edgeovou bránu PACSystems, průmyslový napájecí zdroj SolaHD, I/O a switch pro připojení až deseti průtokoměrů AF2; součástí je také softwarové řešení Compressed Air Manager