Czynniki wpływające na okres użytkowania rozdzielnic silnikowych

Artykuł ten to pierwsza część dwuczęściowego cyklu, część druga pojawi się w wydaniu lipcowym.

Utrzymanie Ruchu infrastruktury elektroenergetycznej w zakładzie produkcyjnym stanowi swoiste wyzwanie. Instalowane w przemyśle maszyny i urządzenia są narażone na oddziaływanie ekstremalnych warunków środowiska – wysokiej temperatury, brudu, chemikaliów, a także nierzadko są wadliwie używane i wykorzystywane do maksimum. W obecnych warunkach powiedzenie „nie naprawiaj, jeśli się nie zepsuło” – nie ma już zastosowania, przeciwnie jest kosztownym błędem. 

Pojawienie się nowych systemów, prowadzących proces produkcyjny w sposób płynny, wysoce wyrafinowanych układów automatyki i sterowania oraz zarządzania magazynowaniem i dostawami do produkcji na zasadzie „dokładnie – na czas” zwiększyło zarówno poziom skomplikowania, jak i znaczenie tych, jeszcze niedawno prostych, systemów. Osobom odpowiedzialnym za produkcję zależy teraz bardzo na niezawodności.  

Oczekiwany okres użytkowania

Jak to jest z oczekiwaną trwałością urządzeń elektrycznych? Cykl życia produktu trwa od chwili jego zainstalowania do momentu, w którym dalsza konserwacja urządzenia przestaje być opłacalna. Ten okres może zależeć od wielu czynników, takich jak konstrukcja urządzenia, stopień obciążenia, warunki środowiska pracy i inne. Rysunek poniżej ilustruje kilka zależnych czynników, które mają bezpośredni wpływ na czas użytkowania konkretnego urządzenia.

Prosta rozdzielnica silnikowa (MCC – Motor Control Center), stosowana w przeszłości, może się już nie nadawać do dzisiejszych potrzeb. W latach osiemdziesiątych konstrukcja rozdzielnicy silnikowej była stosunkowo prosta – w zasadzie była to zwykła tablica rozdzielcza z szeregiem elektromagnetycznych rozruszników oraz odłączników bezpiecznikowych. Te funkcje pozostają niezmienione również dzisiaj, lecz są rozbudowane.  

Współczesna technika

Szybki rozwój techniki zmienił sposób sterowania, metody zabezpieczania i łączenia oraz powiązania między procesami produkcyjnymi czy innymi systemami stosowanymi w zakładach. 

Rozważmy kilka obecnie stosowanych podstawowych sposobów sterowania silnikami. 

• Stara, podstawowa konfiguracja oczywiście pozostaje. Ręczne odłączniki i elektromagnetyczne styczniki, wyposażone w elementy wyczuwania przeciążeń, są w dalszym ciągu powszechnie stosowane, a ich wygląd i sposób działania nie uległ wielkim zmianom na przestrzeni ostatnich 30 lat. 
• Łączone układy rozruszników zawierają w jednej obudowie (lub module) rozrusznik oraz zabezpieczenie nadprądowe. Ponadto w skład urządzenia wchodzi sprzężony wyłącznik bezpieczeństwa, zabezpieczający operatora. 
• Układy scalone to nowa moda, służąca do łączenia i przenoszenia obciążenia, lecz stosowana w starych rozrusznikach elektromagnetycznych, wyposażonych w tyrystory. Chociaż zespoły te wykonują taką samą funkcję jak zwykłe styczniki mechaniczne, to układ sterowania związany z tymi urządzeniami jest teraz zdecydowanie bardziej złożony. Obecne rozwiązania wymagają znajomości elektroniki stosowanej w elektronicznych systemach sterowania.
• Chyba największym osiągnięciem technicznym ostatnich 30 lat jest falownik, czyli przetwornica częstotliwości prądu przemiennego. Opracowanie tego wyrobu pozwoliło na zastosowanie normalnego, synchronicznego silnika indukcyjnego w sytuacjach wymagających sterowania prędkością obrotową silnika przy pełnej wartości momentu obrotowego. Przed nastaniem ery falowników do sterowania prędkością silnika stosowano mocno rozbudowane systemy prądu stałego.
• Ręczna, statyczna regulacja prędkości została osiągnięta dzięki silnikom komutatorowym  z przesuwnymi szczotkami. 
• Urządzenia do płynnego rozruchu wykorzystują teraz elektronikę umożliwiającą uzyskanie płynnego przyspieszania silnika, dzięki czemu ani zasilacz, ani przewód zasilający nie są narażone na obciążenia skokowe, typowe dla rozruchu starszych modeli. 
• Nowe, programowalne urządzenia zabezpieczające zastąpiły stare, silnie nagrzewające się elementy, występujące w wielu różnych typach sterowników. Obecne urządzenia pozwalają na wielostopniowe zabezpieczenia i ułatwiają regulację. 
• Do tych wszystkich czynników dodać jeszcze należy czynnik „E” (powszechnie stosowany skrót od angielskiego słowa „enable”). Zetknięcie zaawansowanej techniki z wymaganiami gospodarki finansowej, wyrażającymi się wykonywaniem większej pracy przy zaangażowaniu mniejszych środków, spowodowało konieczność zapewnienia szybkiej i niezawodnej komunikacji. Konieczność uzyskiwania natychmiastowych informacji o stanie urządzeń czy procesu wytwórczego, zbierania informacji i ich przetwarzania oraz podejmowanie decyzji  w oparciu o analizy, spowodowało wprowadzenie nowych możliwości do nowoczesnych zakładów produkcyjnych. Obecnie wszystko odbywa się pod hasłem komunikacji, automatyzacji i komputeryzacji.

Odpowiedni projekt i zastosowanie 

Droga wiodąca do zapewnienia dużej żywotności każdego rodzaju urządzenia zaczyna się na długo przed jego zainstalowaniem. 

Nazbyt często przy projektowaniu całych systemów czy planowaniu zastosowania konkretnego urządzenia nie zostają uwzględnione niektóre aspekty ograniczające żywotność urządzeń. Ograniczenia mogą mieć postać fizycznej przeszkody, która uniemożliwia prawidłowe wykonywanie zabiegów konserwacyjnych. Mogą one również dotyczyć niewłaściwego zastosowania danego rodzaju wyrobu. Większość producentów oferuje teraz szeroki wachlarz odmian swoich wyrobów, tak aby można było dobrać urządzenie najbardziej odpowiednie do konkretnego zastosowania w zakładzie produkcyjnym. 

Inżynier ruchu w zakładzie jest ważnym członkiem zespołu zajmującego się projektowaniem nowych rozwiązań. Jest to osoba, która może zapewnić komunikację pomiędzy fazą projektowania a zastosowaniem urządzenia i utrzymaniem go w ruchu. To on najtrafniej oceni wpływ zastosowanego  rozwiązania na produkcję. To przecież do inżyniera utrzymania ruchu dzwoni się o trzeciej rano, kiedy pojawiają się problemy w produkcji.

Aby ustrzec się przykrych niespodzianek, proponujemy postępowanie według czterech niżej wymienionych zasad. 

Wybór techniki

To pierwszy krok. Należy wybrać właściwy sposób sterowania silnikiem, odpowiedni dla danej linii produkcyjnej czy też całego procesu technologicznego. 

• Czy to dla nowej linii, czy dla nowego systemu automatyki, istnieje możliwość wybrania takiego rozwiązania, które będzie wydajne, niekłopotliwe w utrzymaniu i ekonomicznie efektywne.
• Sama wymiana rozdzielnicy sterowania silnikami na istniejącej linii produkcyjnej stanowi poważne wyzwanie. Nowe elementy muszą być kompatybilne z pozostałymi urządzeniami i systemami sterowania, co może wymusić zainstalowanie technicznie starszej wersji.
• Bardzo ważna jest również kwestia części zamiennych. W większości zakładów produkcyjnych przechowuje się znaczną liczbę części zamiennych. Należy się zastanowić, na ile posiadane obecnie stany magazynowe części zamiennych wystarczą do zapewnienia ciągłości ruchu nowego urządzenia oraz co trzeba będzie dodatkowo zakupić. Sporządzając budżet dla nowego przedsięwzięcia, należy uwzględnić koszt dodatkowych części zamiennych, szczególnie podczas obliczania okresu rzeczywistej amortyzacji sprzętu. 

   

  Rozdzielnica interfejsem operatora

Po wybraniu najlepszego rozwiązania należy zastanowić się nad tym, w jaki sposób MCC będzie się łączyć z innymi składowymi częściami systemu.

• Niezwykle ważną sprawą jest właściwy dobór zabezpieczeń nadprądowych. Urządzenia zabezpieczeń nadprądowych muszą być dobrane w taki sposób, aby mały problem na początku linii zasilającej nie powodował dużego problemu na dalszym jej odcinku. Należy zatem dokonać przeglądu wartości prądów ustawionych na zabezpieczeniach, począwszy od końca odgałęzień, przechodząc w kierunku źródła zasilającego rozdzielnicę. Podczas tego przeglądu trzeba ewentualnie skorygować ustawienia zabezpieczeń nadprądowych od wartości najmniejszych poprzez zbiorcze pośrednie, aż do największego na początku linii zasilającej.
• Równie ważne jak właściwy dobór zabezpieczeń nadprądowych jest poprawne ustawienie parametrów pracy regulatorów, tj. wartości opóźnień czasowych i nastaw wartości zadanych dla wszystkich kluczowych, regulowanych parametrów systemu. Spokojne działanie przy optymalnej prędkości jest zdecydowanie pożądane, tak jak płynne uruchamianie lub zatrzymywanie danego działania. Do takiej koordynacji należy dążyć, bo ona zapewni wysoką wydajność linii produkcyjnej. 
• Do tego dochodzi potrzeba sprawnej komunikacji między elementami systemu i wizualizowanie przebiegu procesu. W dzisiejszych warunkach pracy jest rzeczą niezwykle ważną, aby operator był natychmiast informowany o stanie urządzeń lub też o zmianach, od których ten stan zależy. 

   

  Uważne instalowanie i obsługa ruchu 

Również i na tym etapie pojawiają się problemy, które mogą w znacznym stopniu wpłynąć na żywotność okresu technicznego wyposażenia. Niektóre dotyczą też działań niezbędnych do wykonania przed zainstalowaniem urządzenia. 

• Czy sprzęt był dobrze zabezpieczony przed wysyłką? To może zweryfikować tylko inspekcja zewnętrzna, która oczywiście powinna mieć miejsce przed przyjęciem urządzeń. Podczas dokonywania inspekcji zalecana jest obecność przedstawiciela producenta. Zwlekanie z odkrywaniem problemów do czasu zainstalowania urządzenia może prowadzić do wielu nieprzyjemnych sytuacji, może również wpłynąć na harmonogram oddania tego urządzenia do użytkowania. 
• Urządzenia należy przechowywać w suchym, bezpiecznym otoczeniu. Zbytnia wilgotność lub kondensacja pary wodnej mogą i spowodują korozję izolatorów, wyłączników oraz elementów elektroniki układów automatyki i sterowania. Duża wilgotność sprzyja osadzaniu się kurzu i pyłu, które mogą nawet zacząć przewodzić prąd. Niektóre z tych problemów nie występują od razu, ale pojawiają się później w postaci awarii. 
• Trzeba usunąć wszystkie blokady i zabezpieczenia założone na urządzenia na czas ich transportu. 
• Osoby instalujące urządzenie powinny być dokładnie zaznajomione z zaleceniami producenta. Należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby opiłki  metalu i inne zanieczyszczenia nie dostały się do miejsc łączenia urządzeń czy ich elementów. Zabezpieczenie wewnętrznych części urządzeń rozdzielczych podczas ich instalowania pozwoli na wyeliminowanie niebezpiecznych zagrożeń. Bardzo ważne jest też pilnowanie używanych narzędzi. Klucz pozostawiony na szynie czy w przedziale może spowodować tragiczny wypadek i obrażenia ciała. Po zakończeniu pracy należy sprawdzać, czy nie brakuje jakiegoś narzędzia. Umieszczone w niewłaściwym miejscu narzędzia lub metalowe części już nie raz były przyczyną nieszczęścia.
• Osoby odpowiedzialne za obsługę i utrzymanie ruchu urządzeń w zakładzie nie zawsze biorą udział w ich instalowaniu. Jednak bardzo ważne jest, aby pracownicy znali zasady prawidłowego instalowania urządzeń równie dobrze jak podwykonawcy czy personel wykonujący te prace. Osoby instalujące powinny uważnie przeczytać instrukcje instalowania i obsługi. Nie wolno niczego robić na siłę. Jeśli nie ma pewności, jak należy wykonać określoną czynność, należy porozumieć się z producentem i poprosić go o wskazówki. 
• W zależności od poziomu skomplikowania urządzeń, dobrze jest zapewnić odpowiednie szkolenie zakładowym ekipom obsługi części elektrycznej oraz osobom odpowiedzialnym za obsługę techniczną sprzętu i jego naprawy. 

   

  Testy porównawcze 

Jest to niezwykle ważny etap oddawania urządzeń do eksploatacji. Należy skontaktować się z producentem i upewnić się, że jego przedstawiciel będzie obecny podczas próbnych testów urządzenia czy oddawania go do eksploatacji ciągłej. Ten problem może stanowić część wynegocjowanego kontraktu. Jeśli tak nie jest, to kilka złotych zainwestowanych na tym etapie może zaoszczędzić tysiące w późniejszym czasie. Starannie należy dobrać skład osobowy zespołu przeprowadzającego testy oraz nadzorującego te działania.

• W skład zespołu powinien wchodzić kierownik projektu, inżynier produkcji oraz inne osoby odpowiedzialne za instalowanie i/lub utrzymanie ruchu, a ponadto przedstawiciele producenta (jeśli zachodzi taka potrzeba). Zazwyczaj testy próbne obejmują oddzielne testy każdego urządzenia przed funkcjonalnym testowaniem całego systemu oraz sprawdzaniem, czy uzyskuje się wyznaczone parametry wydajności. 
• Należy upewnić się, czy wszystkie programowalne parametry i opóźnienia czasowe są odpowiednio ustawione, a regulatory funkcjonują we właściwy sposób. 
• Należy sprawdzić dobór zabezpieczeń nadprądowych i ustawienia wartości prądów. 
• Wszystkie nastawy i parametry regulacyjne dla każdego elementu automatyki muszą być udokumentowane. Zapisy powstałe podczas testów (np. z rejestratorów i raportów) powinny stać się wyraźnie zdefiniowanym pakietem w głównym pliku dokumentów systemu.  

Doug Sandberg jest dyrektorem operacyjnym w firmie ASCO Services, świadczącej usługi dla OEM. Wcześniej pracował jako elektryk, serwisant oraz kierownik serwisu.

Artykuł pod redakcją Józefa Czarnula