Czujniki: podstawa monitoringu zużycia energii w czasie rzeczywistym

Monitorowanie zużycia energii elektrycznej łatwo sprowadzić wyłącznie do pomiaru zużycia prądu. To jednak zbyt duże uproszczenie, ponieważ w praktyce dużo ważniejsze jest zbieranie danych i analiza zużycia pokazujące, jak maszyna pracuje i w jakich momentach zaczyna zużywać energię. Tym bardziej, że czasem problemem może być po prostu nieszczelność układu pneumatycznego, zbyt długi czas pracy wentylacji, niestabilny proces albo przeciążenie napędu w określonym fragmencie cyklu.

Właśnie dlatego tak duże znaczenie mają czujniki procesowe rejestrujące stan procesów, urządzeń i otoczenia, począwszy od ruchu i obecności, przez temperaturę i ciśnienie, po położenie elementów oraz parametry mediów technologicznych, które bardzo często mają bezpośredni wpływ na pracę pomp, układów pneumatycznych, chłodzenia czy transportu cieczy. Jeżeli przepływ trwa pomimo postoju maszyny, ciśnienie zaczyna odbiegać od wartości zadanych, a poziom medium zmienia się w sposób niezgodny z założeniami procesu, system dostaje wyraźny sygnał, że gdzieś pojawia się strata, niepotrzebna praca układu albo problem wymagający analizy.

Czytaj też: Czujniki poziomu cieczy: od czujników pływakowych po pojemnościowe i ultradźwiękowe

Równie ważne są czujniki odpowiedzialne za zdalne monitorowanie stanu pracy maszyny: obecności detalu, położenia elementów, momentu wykonania ruchu lub przejścia do kolejnego etapu cyklu. Pozwalają zestawić dane procesowe z rzeczywistym przebiegiem pracy i sprawdzić, czy zużycie energii odpowiada stanowi produkcji i czy występuje, gdy układ pozostaje w gotowości, czeka lub pracuje jałowo. To właśnie dzięki temu ciągły monitoring zużycia energii pozwala pokazać zależności pomiędzy stanem maszyny a kosztami jej pracy.

Czytaj też: Przegląd czujników przemysłowych. Najważniejsze informacje i zastosowania

Coraz większą rolę odgrywa też sposób przekazywania danych. W przypadku rozwiązań wykorzystujących IO-Link czujnik może przesyłać nie tylko prosty sygnał, ale również pełne dane pomiarowe, informacje o własnym stanie i parametrach pracy. To o tyle ważne, że im więcej wiadomo o rzeczywistym zachowaniu procesu, tym łatwiej wychwycić wszelkie odchylenia, ocenić stabilność pracy i szukać miejsc, w których możliwa jest optymalizacja zużycia energii.

Monitoring energii elektrycznej: przesyłanie, gromadzenie i analiza danych

Sygnał z czujnika sam w sobie nie daje jeszcze odpowiedzi na pytanie, czy układ pracuje efektywnie. Potrzebne są urządzenia, które te dane zbiorą, uporządkują i zestawią z logiką procesu, czyli sterowniki PLC, moduły wejść i wyjść oraz systemy komunikacji stanowiące podstawę współczesnej automatyki przemysłowej.

Zasada działania jest dość prosta: sterownik odbiera sygnały z czujników, przetwarza je zgodnie z programem i na tej podstawie zarządza dalszą pracą układu. Z punktu widzenia zużycia energii umożliwia to powiązanie danych pomiarowych z konkretnym stanem maszyny, fazą cyklu, recepturą, zmianą produkcyjną albo typem wykonywanego zadania. Dopiero wtedy monitoring energii w przemyśle przestaje być statycznym odczytem, a staje się narzędziem do interpretacji.

Co więcej zgromadzone dane pozwalają obserwować trendy. Jeśli zużycie energii stopniowo rośnie, choć wydajność procesu pozostaje taka sama, może to oznaczać pogarszający się stan maszyny lub systemu, rozregulowanie parametrów albo nieefektywną pracę podsystemów lub maszyn. Umożliwia także szybkie wykrycie maszyny, która pobiera energię, gdy nie wykonuje żadnej produkcji. Właśnie tu widać ważną rolę systemów monitoringu przemysłowego, które zbierają dane z wielu punktów i prezentują je w postaci danych, wykresów trendów, zależności i alarmów związanych z odchyleniami procesu.

Bo, o ile czujnik rejestruje fakt, to sterownik i logika programu nadają mu znaczenie. W efekcie przemysłowy monitoring energii nie kończy się na informacji, że wzrosło zużycie energii, tylko zaczyna odpowiadać na ważniejsze pytanie: dlaczego wzrosło właśnie teraz i czy wynika to z normalnej pracy, czy z niewłaściwego zachowania systemu prowadzącego do niepotrzebnych strat.

Realna optymalizacja zużycia energii elektrycznej: nowoczesne systemy niskonapięciowe

Jest jeszcze jeden element systemu, o którym łatwo zapomnieć. Chodzi o rozwiązania niskonapięciowe: moduły pomiarowe, liczniki energii, zegary sterujące, przekaźniki, styczniki i pozostałą aparaturę wykonawczą. Ich rola polega porządkowaniu rozdziału energii, sterowaniu obwodami oraz odłączaniu odbiorów wtedy, gdy ich praca nie jest potrzebna.

To właśnie tu pojawia się praktyczna optymalizacja zużycia energii. Jeżeli system wie, że dany system powinien działać wyłącznie w określonych godzinach, zegar sterujący lub przekaźnik czasowy może automatycznie ograniczyć jego pracę. Jeżeli analiza danych pokaże, że wybrane obwody pobierają energię pomimo postoju linii, aparatura niskonapięciowa pozwala takie systemy odłączać. Jeśli natomiast w układzie napędowym potrzebna jest płynna regulacja, do gry wchodzą falowniki i softstarty, które są w stanie poprawić sterowanie silnikiem i lepiej dopasować jego pracę do rzeczywistego obciążenia.

W efekcie mamy do czynienia z systemem, w którym:

• Czujniki dostarczają informacji.
• Sterowniki oraz systemy nadrzędne zamieniają dane w wiedzę.
• Aparatura wykonawcza reaguje na posiadane informacje i wprowadza zmiany w działaniu układu.

Właśnie w takim modelu najlepiej widać, czym dziś naprawdę jest zarządzanie energią w przemyśle 4.0. To nie bezpodstawne hasło, ale połączeniem danych pomiarowych, komunikacji, logiki sterowania i świadomego zarządzania systemem w oparciu o dane.

Czytaj też: Co to jest i jak działa softstart?

Wniosek? Warto zainwestować w konkretne zastosowania

Jeśli spojrzeć na temat od strony wdrożenia, monitorowanie zużycia energii nie wymaga jednego „magicznego” urządzenia. Potrzebny jest zestaw komponentów, które współpracują w ramach jednego systemu. Na poziomie zbierania danych będą to m.in. czujniki prądu, czujniki procesowe i urządzenia komunikujące się przez IO-Link. W warstwie sterowania potrzebne są PLC i odpowiednio zaprojektowana logika programu, a wyżej system, który pozwoli te dane obserwować, archiwizować i interpretować.

W praktyce bardzo dobrze wpisują się w to także rozwiązania SICK, zwłaszcza tam, gdzie oprócz samego poboru energii liczy się kontrola parametrów procesu i stanu urządzeń. To o tyle istotne, że efektywność energetyczna produkcji wynika tak naprawdę ze zoptymalizowanego dostosowania procesu do rzeczywistego zapotrzebowania. Czasem największe oszczędności pojawiają się nie tam, gdzie wymieniono urządzenie na bardziej wydajne, ale tam, gdzie dzięki danym i ich odpowiedniej interpretacji wyeliminowano niepotrzebną pracę układu.

Właśnie dlatego monitoring energii w przemyśle warto opisywać jako część nowoczesnej architektury sterowania. Z tej perspektywy monitoring energii w przemyśle nie służy jedynie do raportowania kosztów. Staje się narzędziem, które porządkuje decyzje, ułatwia diagnostykę i wspiera działania oszczędnościowe i, co ważne, umożliwia prognozowanie i planowanie zużycia. Tym bardziej, że zachowanie systemu produkcji można po prostu zmierzyć, zrozumieć i stopniowo udoskonalić.

Najczęściej zadawane pytania

Co to jest efektywność energetyczna?

Efektywność energetyczna to zdolność do osiągania określonego efektu przy możliwie najmniejszym zużyciu energii. W przemyśle oznacza to takie prowadzenie procesu, aby maszyna lub instalacja wykonywała swoją pracę skutecznie i bez niepotrzebnych strat.

Jak monitorować zużycie energii?

W systemach automatyki przemysłowej najlepiej robić to całościowo, łącząc:

• pomiar sygnałów z czujników, sterowników i elementów wykonawczych,
• analizę zgromadzonych danych,
• sterowanie pracą maszyn oparte na wynikach analiz.

Czujniki zbierają informacje o przepływie, ciśnieniu lub stanie pracy maszyny, sterowniki porządkują te dane i odnoszą je do rzeczywistego przebiegu procesu, a aparatura niskiego napięcia, na przykład liczniki energii, przekaźniki, styczniki czy zegary sterujące, pomaga kontrolować obwody i wyłączać urządzenia wtedy, gdy nie są potrzebne. Dzięki temu można nie tylko zobaczyć, ile energii zużywa system, ale też zrozumieć, skąd to zużycie wynika i gdzie warto szukać możliwości optymalizacji.

Jaki jest najlepszy sposób monitorowania zużycia energii?

Najskuteczniejsze jest podejście, w którym pomiar energii łączy się z danymi procesowymi z czujników oraz logiką sterowania.

Czujniki dostarczają informacji o pracy maszyny, sterowniki pozwalają powiązać je z przebiegiem procesu, a odpowiednio dobrane elementy sterujące pomagają ograniczać niepotrzebną pracę podsystemów i maszyn oraz lepiej zarządzać energią w całym układzie. Dzięki temu system nie tylko wykrywa, gdzie pojawia się problem, ale też ułatwia jego rozwiązanie.