Industria europeană se află într-un proces de transformare. Noile obiective climatice, precum și incertitudinile și creșterile de prețuri în ceea ce privește combustibilii fosili accelerează din ce în ce mai mult tranziția energetică care a început deja. Inițiative precum All Electric Society solicită și promovează electrificarea tuturor industriilor. Presiunea asupra producției industriale este, de asemenea, în creștere.
Tranziția energetică nu se referă doar la electrificare, ci și la asigurarea faptului că energia electrică provine din resurse regenerabile. Obiectivul Uniunii Europene este ca energiile regenerabile să reprezinte 42,5 % din consumul total de energie în UE până în 2030. Cu toate acestea, această schimbare duce și la o creștere semnificativă a prețurilor la energia electrică. Potrivit portalului german de comparație Strom-Report, prețul mediu al energiei electrice în Europa este de 28,7 eurocenți pe kilowatt-oră, situându-se cu mult peste țările industrializate precum China (6,95 eurocenți/kWh) și SUA (18,14 eurocenți/kWh) într-o comparație internațională. Cu 39 eurocenți/kWh, Germania ocupă locul cinci în lume în ceea ce privește cele mai scumpe prețuri la energia electrică.
Această evoluție, combinată cu lipsa de muncitori calificați, reprezintă o povară și o provocare deosebită pentru companiile din industria de procesare cu consum intensiv de energie. Nu este neobișnuit ca, în consecință, fabrici sau întregi unități să fie închise. Sunt necesare măsuri eficiente pentru a asigura competitivitatea pe termen lung a industriilor de procesare din Germania și Europa. O abordare este digitalizarea sistematică a instalațiilor de producție și a infrastructurii asociate. În primul rând, aceasta permite monitorizarea și optimizarea proceselor, economisind astfel resurse. În al doilea rând, conectarea în rețea a generatoarelor și a sarcinilor permite controlul predictiv al distribuției energiei electrice în cadrul unității de producție. Inițiative precum Process X al NAMUR vizează, de asemenea, consolidarea conectării în rețea a companiilor pentru schimbul inteligent de materii prime. Energia excedentară sub formă de electricitate, dar și hidrogen sau abur, va fi oferită pe o piață digitală și va fi disponibilă pentru alte companii din cadrul unității.
Astfel de abordări se bazează pe date complete și actualizate. Acestea includ, de exemplu, date privind procesele din centrale, consumul actual de energie, utilizarea capacității generatoarelor și posibile întreruperi și probleme în rețeaua electrică – volume de date care nu sunt încă disponibile în prezent. Aceste date trebuie, de asemenea, prelucrate și analizate, în mod ideal în timp real și ținând seama de măsurile de protecție a datelor.
Pentru înregistrarea datelor se utilizează din ce în ce mai mult gateway-uri inteligente pentru contoare.
Contoarele inteligente sunt contoare de energie electrică, dotate cu funcții de comunicare. Acestea înregistrează consumul actual de energie și recuperarea energiei dintr-o clădire sau fabrică și transmit datele către actorii cheie, cum ar fi operatorii de puncte de măsurare, operatorii de rețele și furnizorii de energie. Acest lucru înseamnă că consumul poate fi înregistrat cu precizie, facturat în mod flexibil și că pot fi identificate economiile potențiale rezultate. Energia disponibilă poate fi, de asemenea, distribuită în mod inteligent. Rețeaua de energie electrică devine o rețea inteligentă.
Dar de ce ar trebui inteligența să se limiteze la rețeaua electrică? Numeroase alte surse de energie sunt utilizate în aplicații industriale, în special în industria chimică și farmaceutică. Gazul, aburul și hidrogenul pot fi, de asemenea, furnizate, distribuite și utilizate în mod inteligent. Similar cu rețeaua inteligentă, acest lucru creează un sistem energetic complex în care consumul curent și cantitățile disponibile sunt înregistrate în mod transparent. Dacă presiunea, debitul, temperatura și alte variabile de proces sunt înregistrate și analizate în plus față de valorile curentului și tensiunii, se poate descoperi un potențial cuprinzător de eficiență și optimizare.
Valorile măsurate necesare pot fi înregistrate prin instalarea de unități terminale la distanță (RTU) în centrale electrice, puncte de distribuție și sisteme. RTU-urile constă într-o stație centrală inteligentă cu software corespunzător și diverse conexiuni fizice pentru integrarea datelor senzorilor din teren. Sarcina lor principală este de a introduce toate variabilele fizice măsurate în rețelele de comunicații digitale. Pentru a face acest lucru, datele trebuie adesea transmise pe distanțe lungi. RTU-urile trebuie să îndeplinească cerințele industriei și, prin urmare, să poată fi utilizate și în condiții adverse, cum ar fi temperaturi ridicate, vibrații sau atmosfere explozive.
Cu gama de produse de automatizare de la Beckhoff, RTU-urile pot fi implementate pentru a înregistra toate variabilele măsurate relevante. Se utilizează PC-uri încorporate din seria CX, software de automatizare TwinCAT și terminale EtherCAT pentru achiziția semnalelor. Spectrul larg de I/O permite integrarea completă a tuturor semnalelor electrice și de proces din teren. Modularitatea componentelor Beckhoff permite asamblarea flexibilă a RTU-urilor și adaptarea lor specifică la aplicația sau sarcina de măsurare respectivă.
Înregistrarea și calcularea energiei electrice
Potrivit ZVEI, energia electrică reprezintă aproximativ 30% din energia necesară în industrie. Cu o experiență de mulți ani în industria eoliană, Beckhoff oferă soluții complete pentru măsurarea și controlul puterii. Pentru a le integra în rețelele electrice existente ale industriei de procesare, portofoliul include transformatoare de curent cu miez divizat din seria SCL, ușor de modernizat. Sistemul de măsurare, format din trei transformatoare cu miez divizat de 333 mV, poate fi conectat direct la terminalul de măsurare a puterii EL3475 printr-o interfață RJ45. Terminalul EtherCAT detectează automat transformatoarele SCL conectate și setează raporturile și valorile caracteristice corespunzătoare. Acest lucru înseamnă că toate datele electrice relevante dintr-o rețea de distribuție pot fi înregistrate fără niciun efort de configurare.
Valorile măsurate furnizate pot fi apoi prelucrate și evaluate în continuare de funcțiile TwinCAT Power. De exemplu, sunt disponibile module pentru efectuarea de calcule optimizate în timp real ale valorilor RMS, armonicelor sau altor variabile. Sunt incluse, de asemenea, metode de determinare a frecvenței și o transformare instantanee Clarke/Park. Un controler pentru centrale electrice poate fi, de asemenea, implementat în conformitate cu standardul relevant. Toate modulele au interfețe standardizate, astfel încât rezultatele să poată fi integrate rapid și ușor în sisteme de nivel superior.
Înregistrarea datelor de proces care nu sunt legate de energie electrică
Pe lângă energia electrică, industria obține energia de care are nevoie prin intermediul altor mijloace. De exemplu, apa, gazul natural și hidrogenul constituie baze importante pentru procesele cu consum intensiv de energie. Pentru a monitoriza consumul și recuperarea în conformitate cu conceptul Process X, trebuie măsurate aspecte precum presiunea și debitul. Dispozitivele de câmp corespunzătoare sunt de obicei integrate printr-o buclă de 4–20 mA. În acest scop, portofoliul Beckhoff oferă terminale de intrare analogice EtherCAT, precum EL3182 sau EL3184. Acestea permit, de asemenea, comunicarea cu dispozitivele de câmp prin intermediul protocolului HART cunoscut. Astfel, senzorii pot fi parametrizați și întreținuți. În plus, Ethernet-APL face deja parte integrantă din portofoliul de terminale ca standard industrial viitor. Dispozitivele de câmp compatibile APL pot fi integrate în module utilizând EL6233. Dacă mediul o impune, conexiunea poate fi realizată și în mod intrinsec sigur prin intermediul terminalelor din seria ELX cu barieră de siguranță integrată.
Întreținerea și service-ul dispozitivelor de teren
Accesul la distanță atât la RTU, cât și la dispozitivele de teren conectate este esențial pentru a reduce lucrările de punere în funcțiune și întreținere. Tehnologii precum HART și Ethernet-APL oferă opțiuni în acest sens: în primul rând, senzorii pot fi accesați prin intermediul unor instrumente precum FDT/DTM, FDI sau serverul web în cazul dispozitivelor APL. În al doilea rând, parametrii suplimentari pot fi transferați ciclic și cu modele de informații standardizate către sistemele de gestionare a activelor. Blocurile funcționale necesare sunt disponibile și în TwinCAT în acest scop. Această abordare este descrisă în detaliu în Recomandarea NAMUR 175: Arhitectura deschisă NAMUR.
Transmiterea datelor către sistemele centrale
Conectarea în rețea a stațiilor distribuite reprezintă o provocare pur și simplu din cauza distanțelor care trebuie acoperite. De exemplu, conexiunile cu fibră optică pot fi utilizate pentru a proteja împotriva interferențelor electromagnetice pe distanțe lungi. OPC UA și protocoalele de telecontrol dezvoltate de și pentru industria eoliană s-au impus ca protocoale de comunicare. Cu TwinCAT, Beckhoff oferă funcții pentru programarea modelelor de date în conformitate cu IEC 60870 sau IEC 61850. Sunt disponibile și blocuri software pentru comunicare prin OPC UA. Noile concepte de digitalizare, cum ar fi Module Type Package (MTP), pot fi utilizate și pentru integrarea stațiilor distribuite într-un nivel superior de control sau monitorizare. O stație oferă funcțiile sale sub formă de servicii. Aceste servicii pot fi apoi apelate de un sistem de control. Standardul MTP reprezintă, prin urmare, un nivel suplimentar de abstractizare între valorile măsurate efectiv și unitatea de evaluare. Software-ul de automatizare TwinCAT dispune, de asemenea, de numeroase module pentru integrarea MTP.
Managementul sistemelor distribuite
Vor fi necesare actualizări software periodice pe durata de viață a RTU-urilor. Pe de o parte, reglementările legale privind calculul se pot modifica. Pe de altă parte, vor trebui implementate noi funcții. Aplicațiile containerizate, care pot fi implementate cu Linux®, sunt o opțiune logică pentru a permite instalarea rapidă și ușoară a acestor modificări. Cu CX8290 sau CX9240, Beckhoff oferă PC-uri încorporate bazate pe Linux® care sunt deosebit de potrivite pentru utilizarea în RTU-uri. Sistemele cunoscute din lumea IT realizează administrarea și gestionarea containerelor software și le distribuie stațiilor. TwinCAT poate fi utilizat și cu funcțiile ca aplicație container.
Exemple de aplicații
RTU-urile oferă o gamă largă de opțiuni de aplicare. Ele pot fi utilizate în clădiri industriale conectate în rețea pentru a analiza consumul de energie și a descoperi potențialul de optimizare. Sistemele de încălzire și ventilație, precum și consumul de apă și energie electrică sunt deosebit de relevante în acest caz. Toate valorile măsurate sunt reunite într-un sistem central de control pentru fiecare clădire și calculate în consecință. Datele privind consumul sunt apoi transmise prin intermediul unor protocoale industriale, cum ar fi BACnet sau Modbus.
Un alt caz de utilizare rezultă din abordarea prezentată de NAMUR: Procesul X. Valorile de consum și alimentare ale instalațiilor dintr-un complex chimic pot fi evaluate pentru toți producătorii. Energia excedentară dintr-o etapă de producție, de exemplu căldura de proces sau gazele chimice, poate fi cuplată direct la alte procese consumatoare. Pentru aceasta, este esențială conectarea instalațiilor și a valorilor măsurate curente printr-un nivel central cunoscut sub numele de camera de date.
În cele din urmă, numărul tot mai mare de contoare inteligente instalate menționat mai sus arată cât de importantă devine monitorizarea rețelelor de electricitate și gaze. Generatoare, stații de distribuție și sarcini: toate componentele unei rețele energetice trebuie conectate în rețea și monitorizate. Aceste variabile trebuie monitorizate nu numai în rețeaua generală, ci și în cadrul unui parc chimic.
Pe cât de diverse sunt aplicațiile și valorile măsurate care trebuie înregistrate, pe atât de diversificat este portofoliul modular Beckhoff, care permite configurarea unor RTU-uri adecvate pentru fiecare scenariu. Datele sunt înregistrate în siguranță, procesate corespunzător și transmise mai departe. Deschiderea controlului bazat pe PC oferă un avantaj major în acest sens: interfețele diverse permit nu numai înregistrarea tuturor semnalelor de măsurare obișnuite, ci și transmiterea ușoară a datelor către sistemele centrale. Tehnologia Beckhoff este, prin urmare, ideală și pentru proiecte de modernizare, cum ar fi cele necesare pentru crearea de structuri de rețele inteligente în industria de procesare.
KREATRON AUTOMATION SRL