Sterowanie nadrzędne pracą sprężarek

Niezawodna sprężarka to w efekcie bezawaryjna praca całej firmy, bo sprężone powietrze jest jednym z najważniejszych nośników energii. To właśnie jakość i ilość sprężonego powietrza odpowiadają za prawidłowe procesy technologiczne. Ma to kapitalne znaczenie przede wszystkim w zakładach o ruchu ciągłym.

Przyjrzyjmy się zatem elementom ryzyka w pracy sprężarek, bo to one decydują o pewności dostawy sprężonego powietrza. Liczyć się będzie przede wszystkim: ich rodzaj, niezawodność, stan techniczny, wielkość, stosowane materiały eksploatacyjne, ale też sposób zarządzania ich pracą. Wartości ciśnień załączania i wyłączania, czas pracy bez dociążenia, ilość załączeń, częstotliwość zmian cykli – te wszystkie elementy będą decydować o bezawaryjności i okresach eksploatacji międzyserwisowej. Są również ważne dla stopnia zużycia technicznego podstawowych elementów sprężarki: uszczelnień w zaworach, uszczelnień głównych, łożysk stopni sprężających i wielu innych.

Jeśli sterowanie pracą pojedyńczego urządzenia (lub ich grupy) odbywa się przy wykorzystaniu wyłącznie ich własnych układów sterujących: elektromechanicznych bądź – w nowszych sprężarkach – elektronicznych, wówczas w takim układzie każde urządzenie pracuje zupełnie niezależnie od pozostałych, w swoim zakresie ciśnień. Ale to sprawia, że w efekcie rośnie wielkość strat energii elektrycznej zużywanej w czasie pracy bez obciążenia. Rośnie także różnica ciśnienień, maksymalnego i minimalnego, utrzymywanych w sieci zakładowej, a co za tym idzie – często niestabilność zasilania odbiorników sprężonego powietrza. Drugim sposobem zarządzania pracą zespołu sprężarek jest użycie sterownika nadrzędnego. To on właśnie przejmuje kontrolę nad każdą ze sprężarek i dostosowuje tryb ich pracy do aktualnego ciśnienia w sieci. 

Co nam daje sterownik nadrzędny?

Jedynym rozwiązaniem, które pozwala na optymalne zarządzanie pracą zespołu sprężarek, jest sterownik nadrzędny. Może on, posiadając odpowiedni algorytm działania oraz informację o aktualnej wartości ciśnienia sprężonego powietrza w sieci, zarządzać pracą sprężarek, spełniając najlepiej podstawowe wymogi:

• oszczędność energii elektrycznej;
• zapewnienie odpowiedniego zasilania zakładu powietrzem;
• gwarancja najdogodniejszej pracy zarządzanym sprężarkom.

Trzeba wiedzieć, że proces sterowania nadrzędnego jest w 95 procentach przypadków oparty na reakcji na wielkość i tempo zmian ciśnienia technologicznego. Zmiany te natomiast to właśnie zapotrzebowanie na sprężone powietrze.

Na podstawie wielu lat moich doświadczeń w tej branży mogę wskazać oczywiste zalety takiego rozwiązania, jak choćby zmniejszenie kosztów wytwarzania sprężonego powietrza przez skrócenie pracy sprężarek, liczby jednocześnie załączanych urządzeń, zrównanie czasów serwisowych, stabilne utrzymanie wyznaczonego ciśnienia w sieci, a w efekcie zwiększenie niezawodności całego systemu. Tymczasem, mimo ewidentnych korzyści, stosowanie sterowników nadrzędnych wcale nie jest powszechne. Powód? Nikła wiedza o korzyściach takiego rozwiązania, używanie sprężarek pochodzących od różnych producentów lub o różnej konstrukcji, a także cena samego sterownika wraz z jego instalacją.

Nie wiem, więc nie chcę

W firmach, w których stacje sprężarkowe rozrastały się latami, a w razie potrzeby po prostu dostawiano kolejne urządzenia, najczęściej nikt nie myślał o optymalizacji pracy sprężarkowni. Schemat był prosty: brakuje powietrza – trzeba dostawić kolejną sprężarkę do systemu, a ciśnienie ustawić tak, by załączając się, uzupełniała już pracujące urządzenia. I to była cała modernizacja. Koszt w postaci sterownika nadrzędnego oraz wcześniej przygotowanej analizy kosztów wytwarzania sprężonego powietrza (związanego głównie z ich czasem pracy) był i często nadal jest traktowany jako niepotrzebny dodatek.

Kłopot w inności

Bywa że zastosowanie sprężarek od różnych producentów utrudnia instalację wspólnego sterownika. Dla wielu użytkowników przekonanych o zaletach sterowania nadrzędnego jest to nie lada problem. Różnice pomiędzy układami sterowania (np.: elektroniczne, elektromechaniczne) i rozwiązaniami różnych producentów powodują, że dostawca sterownika nie może wykonać podłączeń do sprężarek. Szczególnie trudne jest wykonanie podłączeń dla układów elektronicznych, przetwornikowych i chronionych kodami serwisowymi, kiedy producent lub jego przedstawiciel na naszym rynku nie są zainteresowani współpracą z użytkownikiem. Niestety, zdarza się tak coraz częściej, ponieważ zastosowanie sterowników elektronicznych w sprężarkach jest coraz popularniejsze.

Bariera cenowa

Koszt urządzenia sterującego bywa czasem największą barierą. Mimo spadku cen elementów elektronicznych i pojawiania się na rynku nowych producentów, sterowniki nadal nie są tanie. Koszt sterownika renomowanej firmy, spełniającego podstawowe funkcje, z możliwością współpracy z różnymi modelami sprężarek, wynosi nie mniej niż 8 tysięcy złotych.

Stawiamy wymagania

Aby zapewnić najdogodniejszą pracę zespołowi sprężarek i tym samym pewność stabilnych dostaw sprężonego powietrza do zakładu, należy postawić sterownikowi odpowiednie wymagania, realizowane przez jego algorytm. Bez względu na rodzaj, liczbę lub wielkość sprężarek, z uwzględnieniem specyfiki zakładu w postaci cyklu technologicznego, zmienności produkcji, zróżnicowania ciśnień itp., układ sterowania zawsze musi spełniać swoje podstawowe zadania:

• utrzymanie w sieci sprężonego powietrza stabilnego ciśnienia przy wykorzystaniu jak najmniejszej liczby sprężarek;
• zużycie jak najmniej energii,
• minimalizacja czasu pracy sprężarek – dotyczy to cyklu pracy bez obciążenia, kiedy pracujący silnik i zużywana energia nie zwracają się nam w postaci sprężonego powietrza, czyli generują czystą stratę;
• ograniczenie liczby załączeń sprężarek i tym samym odciążenie sieci zasilającej, zwiększenie czasu eksploatacji styczników i układów rozruchowych – szczególnie dla dużych mocy;
• kontrola czasu pracy każdego urządzenia dla realizacji funkcji równomiernego obciążenia pracą sprężarek, przy zachowaniu zastosowanych priorytetów;
• kontrola i sygnalizowanie stanów awaryjnych bądź okresów serwisowych każdego z urządzeń, dla zapewnienia szybkiej reakcji serwisowej oraz braku zakłóceń w produkcji sprężonego powietrza na potrzeby zakładu, planowanie czasu remontów;
• możliwość ustawienia różnych kryteriów dla sterownika w zależności np. od dnia tygodnia lub zmiany i różnic w zapotrzebowaniu;
• możliwość zachowania specyficznych wymagań użytkownika, związanych ze stosowaną przez niego technologią, rodzajem parku sprężarkowego lub innych;
• łatwość dokonywania zmian parametrów pracy sterownika (ciśnienia pracy, czasu pracy w cyklu bez dociążenia) bez konieczności ściągania specjalistycznego serwisu;
• niewrażliwość sterownika na błędy obsługi i możliwość rozregulowania układu.

Spełnienie tych wszystkich wymagań (lub nawet ich części) jest możliwe wyłącznie przy zastosowaniu odpowiednio zaprogramowanych sterowników elektronicznych, które w czasie pracy otrzymują ze sprężarek odpowiednie dane do realizacji swojego programu. Różnorodność w konstrukcji sprężarek, ich własnych układów sterowania, przy jednoczesnej chęci zrealizowania przedstawionych zadań powoduje, że raczej trudno mówić o jednym, uniwersalnym rozwiązaniu do wszystkich stacji sprężarkowych lub różnych modeli. Choć takie uniwersalne rozwiązania są na rynku, niestety zazwyczaj nie spełniają podstawowych, wymienionych powyżej kryteriów. Najczęściej spełniają wyłącznie rolę „troszkę inteligentniejszego wyłącznika ciśnieniowego”. Należy bowiem zwrócić uwagę na fakt, że każdy sterownik musi odpowiednio komunikować się ze współpracującymi sprężarkami, wykorzystywać w swoim programie płynące od nich informacje, a zarazem realizować swój cel. 

Aby wybrać odpowiedni sterownik, musimy określić ważne kryterium: jakie sygnały i informacje pochodzące od sprężarek są wykorzystywane przez dany sterownik.

W poszukiwaniu wzoru

Aby wybrać odpowiednie urządzenie spośród oferowanych na rynku i przez dostawców sprężarek, musimy określić ważne kryterium: jakie sygnały i informacje pochodzące od sprężarek są wykorzystywane przez dany sterownik. Dla zminimalizowania liczby załączeń i zużycia energii, program sterujący musi wykorzystywać informacje o aktualnym stanie sprężarki (praca/postój/zatrzymanie awaryjne), ale także rozróżniać tryb pracy (dociążenie/bez dociążenia). Jeśli dodatkowo sterownik może dysponować informacją o czasie, jaki pozostał do zatrzymania silnika (w trybie pracy bez dociążenia) – wówczas możemy mówić o idealnej komunikacji urządzenia nadzorującego ze sprężarkami. Oczywiście, rozumując w sposób odwrotny – sterowniki, które nie wykorzystują w swym działaniu informacji pochodzących bezpośrednio ze sprężarek, nie będą w stanie sprawnie działać jako element optymalizujący w pełni pracę sprężarek.

Przykładem takiego rozwiązania jest jeden z powszechnie dostępnych, uniwersalnych sterowników. Nie korzysta on bowiem z informacji o aktualnym stanie współpracujących z nim sprężarek. W ten sposób, przy spadku ciśnienia w sieci i konieczności uruchomienia sprężarki, sterownik, nie „widząc” urządzenia pozostającego w pracy bez dociążenia, uruchamia z postoju kolejną sprężarkę – działając wyłącznie według algorytmu wykorzystującego zasadę utrzymania równomierności liczby załączeń sprężarek. Przy takim rozwiązaniu zakład ponosi wymierne straty energetyczne: po pierwsze jedna sprężarka z pracującym silnikiem nie wytwarza sprężonego powietrza, po drugie obciąża się sieć zasilającą niepotrzebnym rozruchem kolejnego silnika o znacznej mocy. Przytoczony przykład ma jeszcze jedną wadę, nie jest w stanie zliczać czasu pracy sprężarek w sytuacjach, gdy nie pozostają one pod jego kontrolą. Zastosowany w nim licznik czasu rzeczywistego zlicza czas wyłącznie teoretyczny. Gdy sprężarka zostanie ustawiona w tryb pracy ciągłej, to jej rzeczywisty czas pracy nie jest już rejestrowany i nie będzie brany pod uwagę w dalszym działaniu sterownika. Zastosowanie tych „uniwersalnych” urządzeń niejednokrotnie nie daje użytkownikowi żadnej korzyści. Bywa natomiast, że pogarsza pracę sprężarek.

Właściwy algorytm

Możliwości komunikacyjne sterownika i sprężarek nie są jednak jedynym wykładnikiem poprawności działania tego urządzenia. Sercem, a raczej mózgiem układu jest odpowiedni algorytm działania, który, wykorzysta wszystkie opisane i pozyskane ze sprężarek informacje. Musi także uwzględnić pewne cechy specyficzne zakładu: np. możliwość zróżnicowania ciśnień pomiędzy wydziałami, liczbę i wielkość sprężarek, strukturę i sposób zużycia sprężonego powietrza. Tylko przy spełnieniu tych wymogów może zoptymalizować pracę nadzorowanej sprężarkowni.

Nawet najbardziej wyszukana technologia oraz zastosowane elementy elektroniczne i mikroprocesorowe nie będą działać same. Potrzebne jest jeszcze poprawnie napisane oprogramowanie. Z pewnością dla stworzenia odpowiedniego algorytmu niezbędna jest wiedza, dotycząca cech konstrukcyjnych samych sprężarek czy działania ich układów sterowania. Jednakże równie istotne jest uwzględnienie liczby, a przede wszystkim wielkości sprężarek, pojemności sieci zasilającej wraz ze zbiornikami wyrównawczymi. Takie dane są niezbędne do prawidłowego określenia, jakiej wielkości sprężarka powinna być uruchamiana w danym momencie. Jeśli dodatkowo sterownik ma za zadanie uwzględnić specyfikę danego zakładu (na przykład preferencje użytkownika co do kolejności załączania sprężarek, zmienność poboru powietrza, różnice w ciśnieniach w poszczególnych działach, zmiany dobowe w technologii itp.), to okazuje się, że wśród gotowych rozwiązań nie będzie stosownego urządzenia. Każdy zakład, każda stacja sprężarek ma swoje cechy szczególne. Twórcy oprogramowania do sterowników uniwersalnych bądź specjalizowanych do współpracy z konkretnym rodzajem sprężarek, nie będą w stanie przewidzieć i założyć tak znacznej liczby zmiennych decyzyjnych. Chęć sprostania znacznej liczbie ogólnych założeń potęguje ilość linii programowych, wymusza zastosowanie mikroprocesorów o większych zdolnościach obliczeniowych, zwiększa liczbę przewidywanych wejść i wyjść sygnałowych – to wszystko bardzo jednoznacznie przekłada się zaś na końcową cenę sterownika, który można uznać za uniwersalny. Ponadto musimy pamiętać, że w krajach Europy koszt pracy wysoko wyszkolonego programisty jest bardzo wysoki. Te wszystkie cechy powodują, że producenci sterowników muszą szukać rozwiązań kompromisowych, więc niepozbawionych mniejszych bądź większych wad.

Idealny sterownik

W ostatnich latach wzrosła dostępność i spopularyzowały się wszelkie urządzenia do sterowania i automatyzacji procesów. Wielość producentów – w tym także kilku polskich, różne wielkości, modele, parametry techniczne, łatwość montażu, modułowość, szeroki wybór akcesoriów dodatkowych, niska cena, dostępność oprogramowania i bibliotek – to wszystko dało narzędzia, dzięki którym niezawodność cyklu produkcji uległa poprawie. Dlatego tam, gdzie w pracy firmy sprężone powietrze jest strategiczne, stworzenie sterownika o unikalnym, ale dopasowanym do potrzeb sprężarek i zakładu rozwiązaniu i oprogramowaniu wydaje się być najlepszym, a nawet jedynym rozwiązaniem. Szczególnie gdy w zespole sprężarek mamy urządzenia pochodzące od różnych producentów lub o różnych cechach ich własnych układów sterowania, rozwiązanie polegające na zastosowaniu sterownika swobodnie programowalnego wydaje się być uzasadnione. Przy wykorzystaniu tych elementów można z powodzeniem wykonać układ także dla sprężarek różnych producentów, rodzajów (np. połączenie sprężarek tłokowych ze śrubowymi bądź łopatkowymi) i wykonań (elektroniczne, elektromechaniczne).

Zastosowanie takich powszechnie dostępnych elementów ma jeszcze jedną istotną zaletę: łatwą wymianę lub naprawę uszkodzonych części. Nie musimy wówczas korzystać z usług specjalistycznego i kosztownego serwisu, zakładowe służby utrzymania ruchu zazwyczaj bez problemów mogą samodzielnie analizować pracę układu, wykrywać nieprawidłowości i usterki oraz szybko je usuwać. Odpowiednio zaprojektowany układ połączeń sterownika i sprężarek wraz z oprogramowaniem stworzonym na indywidualne potrzeby zakładu musi skutkować realizacją wszystkich przedstawionych wcześniej wymagań stawianych dobrym sterownikom. Korzyścią dla zakładu jest zmniejszenie zarówno kosztów wytwarzania sprężonego powietrza, jak i zdecydowane podniesienie niezawodności sprężarek poprzez ich bardziej optymalne wykorzystanie i poprawienie często trudnych warunków pracy.

Ponieważ napisanie właściwego algorytmu pracy dla sterownika nadrzędnego wymaga wiedzy dotyczącej zarówno samego zakładu, jak i sprężarek – ich cech konstrukcyjnych; najlepsze korzyści są osiągane przy ścisłej współpracy służb utrzymania ruchu z firmami, które specjalizują się w tworzeniu układów sterowania i automatyki w branży pneumatycznej. Należy tu podkreślić, że nie wystarczy dobra, kompetentna firma zajmująca się procesami sterowania. W zakładach o ruchu ciągłym, gdzie w stacjach sprężarkowych są zainstalowane urządzenia o znacznych mocach – każdy, nawet niewielki błąd w opracowaniu algorytmu będzie przekładać się na setki tysięcy złotych strat w kosztach energii elektrycznej. Ten najdroższy nośnik energii, jakim jest sprężone powietrze, wymaga, szczególnej dbałości o koszt jego wytworzenia (ale także zużycia), dlatego tak istotna jest dobra współpraca przy układaniu algorytmu działania pomiędzy służbami energetycznymi zakładu i profesjonalną firmą działającą w obrębie sterowania w pneumatyce. Przygotowanie szczegółowej analizy, wyciągnięcie odpowiednich wniosków i opracowanie programu powinno być zadaniem wspólnym. 

Układ sterowania powinien być odpowiednio dobrany do warunków sprężarkowni i specyfiki technologicznej w danym zakładzie.

Liczymy koszty

Postarajmy się oszacować koszty przedsięwzięcia polegającego na wykonaniu własnego układu sterowania nadrzędnego dla zespołu sprężarek. O cenie końcowej decydować będzie głównie: wielkość zastosowanego sterownika oraz koszt jego oprogramowania. Wielkość sterownika jest związana głównie z liczbą sprężarek i ilością sygnałów pobieranych ze sprężarki. W praktyce należy przyjąć, że dla poprawnego algorytmu niezbędna jest informacja o: stanie sprężarki (postój/praca), trybie pracy (dociąż/odciąż), dostępności dla sterownika. Dlatego jednemu urządzeniu należy przypisać od 3 do 5 wejść dyskretnych. Z drugiej strony dla sterowania każdą ze sprężarek (załączanie/odłączanie) potrzebne będzie zazwyczaj 2 do 3 wyjść dyskretnych. Dodatkowo sterownik musi otrzymywać sygnał z przetwornika ciśnienia – umieszczonego w miejscu o reprezentatywnej dla zakładu wartości ciśnienia chwilowego.

Taka minimalna wersja sterownika umożliwiającego współpracę z zespołem do 3 sprężarek może powstać w oparciu o dostępne mikrosterowniki swobodnie programowalne, wyposażone we własny zegar wewnętrzny, zasilacz, wyświetlacz, minimum jedno wejście analogowe i kilkanaście wejść/wyjść dyskretnych. Przeciętny koszt takiego aparatu mieści się w granicach od 500 do 800 złotych. Możliwość zaprogramowania do około 300 linii programowych w pełni odpowiada potrzebom algorytmu współpracy ze sprężarkami o jednakowej wielkości.

Do ceny modułu sterownika należy jeszcze doliczyć ewentualne koszty przetwornika ciśnienia i drobnej aparatury połączeniowej. W sumie koszty materiałowe powinny zamknąć się w kwocie od 2000 do 2500 złotych – co jest wartością znikomą w porównaniu z osiągniętymi korzyściami.

Oprogramowanie

Ważne jest stworzenie oprogramowania do sterownika. Jeśli założenia programowe zostają wspólnie stworzone przez użytkownika i wyspecjalizowaną firmę (doświadczoną w procesach automatyzacji i pneumatyce), która przygotowuje i instaluje program – wówczas koszt oprogramowania do opisanego sterownika nie powinien przekroczyć 2000 złotych. Oczywiście w przypadku gdy przygotowywany algorytm będzie obejmować większą ilość zmiennych decyzyjnych (np. zróżnicowanie ciśnień, wpływ procesu technologicznego, przygotowanie wizualizacji itp.) wartość przygotowania oprogramowania będzie się zmieniać. Podsumowując, za 4500 złotych mamy w pełni funkcjonalny i zainstalowany sterownik, którego działanie w pełni uwzględnia zarówno potrzeby zakładu, jak i wymagania optymalizacji pracy zespołu sprężarek. Możliwości takiego sterowania są zdecydowanie większe niż powszechnie stosowanych i uniwersalnych rozwiązań. Osiągnięte zaś korzyści z pewnością zwrócą się w bardzo krótkim czasie. Przykładem może być zastosowanie takiego rozwiązania w zakładzie pracującym z trzema sprężarkami o mocach zaledwie po 18,5 kW. Po przejściu na pracę ze sterownikiem nadrzędnym, posiadającym oprogramowanie ściśle przystosowane do danego rodzaju sprężarek i charakteru pracy zakładu, dzienne oszczędności energetyczne sięgnęły 46,0 złotych, czyli około 15 tysięcy złotych w skali rocznej – koszt kolejnej sprężarki.

Dla użytkowników o większych wymaganiach bądź tych, którzy w procesie sterowania muszą uwzględniać większą liczbę parametrów albo wraz ze sprężarkami sterować dodatkowymi elementami (np. wentylacja sprężarkowni, sterowanie zasilaniem odpowiednich wydziałów, różnicowanie ciśnień, zmiana algorytmu działania w zależności od technologii, wizualizacja pracy sprężarkowni, archiwizacja itp.) zastosowanie najprostszych sterowników może okazać się niewystarczające. Wówczas stosowane są sterowniki, których cena zaczyna się od około 3000 złotych (w zależności od ilości i rodzaju sygnałów wejścia/wyjścia). W tym też przypadku koszt oprogramowania może się znacznie zwiększyć i trudno tu o jakiekolwiek przybliżenia. Jednak założywszy, że koszt standardowego sterownika pochodzącego od renomowanego dostawcy sprężarek to nie mniej niż 6000 złotych, to w tej cenie (lub nawet nieznacznie większej) z pewnością będzie możliwe wykonanie własnego, rozbudowanego sterownika, o znacznie większych możliwościach i z opcją wizualizacji.

Podsumujmy: posiadanie nadrzędnego układu sterowania przynosi wymierną korzyść finansową, pod warunkiem jednak, że jest to układ odpowiednio dobrany do warunków sprężarkowni i specyfiki technologicznej w danym zakładzie. Nakłady finansowe na zainstalowanie dobrego układu, spełniającego indywidualne oczekiwania i potrzeby, są stosunkowo niewielkie, szczególnie przy rosnących kosztach energii elektrycznej oraz coraz szerszym dostępie do elektronicznych elementów sterujących i wykonawczych. Nie ma żadnych przeszkód, aby dowolny układ powstał dla praktycznie dowolnej sprężarkowni. Zaś obniżenie kosztów instalacyjnych jest możliwe dzięki własnemu zaangażowaniu użytkownika. Jednocześnie warto pamiętać, że w celu wyboru najbardziej odpowiedniego sterownika lub jego oprogramowania warto konsultować się i współpracować z firmami specjalizującymi się w zagadnieniach sprężarek i sprężonego powietrza. To właśnie takie firmy będą mogły stworzyć najbardziej odpowiedni algorytm, który później, zapisany w sterowniku, przyniesie korzyści i zysk użytkownikom.

UR

Tomasz Górczyński ukończył Politechnikę Warszawską ze specjalnością Urządzenia i Systemy Energetyczne. Od 1996 roku zajmuje się techniką systemów sprężonego powietrza, jego wytwarzaniem, procesami sterowania i automatyki w pneumatyce. Jest właścicielem firmy Technika Systemów Sprężonego Powietrza SC Warszawa.

Autor:

Tomasz Górczyński