Интелигентно управление на индустриални двигатели

Интелигентните устройства са в основата на свързаните съвременни индустриални и производствени системи. Умните технологии за управление на промишлени двигатели са средство за генериране на данни, на чиято база операторите на съответните съоръжения могат да вземат навременни и информирани решения.

Концепцията за интелигентно управление на двигателите не е нова, но намира приложение във все повече технологични и производствени системи с популяризирането на платформи като Industry 4.0, IoT и индустриалния Ethernet. В резултат е налице огромен потенциал за постигане на енергийна и ресурсна ефективност, подобрена производителност и оптимизирана експлоатация на индустриалните системи, които включват различни по вид и устройство двигатели.

Т. нар. центрове за управление на двигатели (motor control centers, MCC) са базов елемент от модерните умни производства, добавяйки именно аспекта интелигентност към общите практики по експлоатация на индустриалното оборудване. Поддържайки широк диапазон от комуникационни възможности, тези устройства могат безпроблемно да се интегрират с разнообразни модели разпределени системи за управление на технологични процеси, програмируеми логически контролери и SCADA платформи от различни производители.

Интелигентните центрове за управление на двигатели (IMCC) са базирани на микропроцесор, който контролира силовите електронни устройства, използвани за управление на двигателя. Тези центрове могат да осъществяват непрекъснат мониторинг на работата на двигателя и своевременно автоматично да регулират въртящия момент спрямо моментното натоварване. Така се подобрява енергийната ефективност на двигателите, които работят при по-слаби натоварвания за дълги периоди от време. В резултат се генерират по-малко количество отпадъчна топлина, шум и вибрации. Основните функции на IMCC са управление и защита на двигателя, диагностика на неизправности и повреди, както и обезпечаване на fieldbus и Ethernet комуникацията.

Същност на концепцията

Интеграцията на интелигентни устройства, мрежови технологии и софтуер за мониторинг и управление в традиционните центрове за управление на двигатели СН и НН е добър пример за това как технологичният напредък може да доведе до подобряване на диагностиката, превантивната поддръжка, надеждността, гъвкавостта и безопасността на индустриалните двигатели и базираните на тях системи и съоръжения.

Интелигентните центрове за управление на индустриални двигатели съчетават възможности за управление на технологични процеси с “умни” устройства за управление работата на двигателите и моторите като защитни релета, интелигентни прекъсвачи и честотни задвижвания. Благодарение на това, тези системи подобряват производителността и спомагат за реализиране на значителни икономии на електроенергия в различни енергоинтензивни приложения и отрасли.

Възможностите за мрежово свързване на двигателите към останалото оборудване в индустриалните системи позволява непрекъснат мониторинг на критични параметри на всеки мотор или товар в системата, свързан към интелигентния център, създавайки предпоставки за прецизно управление на технологичните процеси.

Данните от мониторинга могат да послужат за база при осъществяването на превантивна поддръжка на съоръженията и така да спомогнат за увеличаване на жизнения им цикъл. Бързият и лесен достъп в реално време до тази информация и до най-скорошните доклади за неизправности и проблеми с оборудването опростява диагностиката и съкращава времената на престой и производствените прекъсвания.

Концепцията за интелигентно управление на двигатели съществува в практиката отдавна. Защитните релета с възможности за мрежова свързаност и “умните” устройства за управление работата на двигатели са утвърдени технологии, широко възприети в множество индустриални отрасли и с доказани предимства.

В допълнение към по-ниските разходи за инсталация и достъпа до данни от диагностиката на индустриалните двигатели, интелигентните центрове осигуряват информация за моментния статус и поведението на различни променливи в системата (агрегати, технологични процеси и методи, взаимовръзки, ограничения и др.) и възможности за прецизното им управление.

Диагностични инструменти

Посредством инструментите за диагностика на IMCC могат да се получат различни типове данни, включително: работен режим (локално/отдалечено управление), статус (включено/изключено), кодове за грешки, работна скорост, параметри на ток и въртящ момент, напрежение, времена на ускорение и забавяне, данни за конфигуриране и поддръжка и т. н.

В миналото центровете за управление на двигатели са включвали само електромеханични компоненти. Съвременните системи са благоприятствани от технологичното развитие на полупроводниковата електроника, интелигентните и програмируеми устройства, които могат много повече от това да включат или изключат даден двигател.

Модерните IMCC осъществяват мониторинг на тока на двигателя и топлинния капацитет, разполагат със защитни функции и функции за регистриране, локализиране и отстраняване на неизправности, като осигуряват детайлна диагностика с цел минимизиране периодите на престой. Тези интелигентни системи могат да се справят с различни проблеми и понижена ефективност във връзка с конфигурирането и обработката на данни, включително липса на надеждност и гъвкавост вследствие на архитектури тип “daisy chain”.

При тях могат да са налице трудности с добавянето на нови работни единици, инцидентни прекъсвания на работните вериги, потенциални прекратявания на технологичните процеси и т. н.

Друг възможен проблем е и рискът от повреда на мрежовите кабели при издърпване или полагане на силови такива. В допълнение, предизвикателство се оказва и въвеждането на данни от конвенционалните системи за управление на двигателите в платформите за цялостно управление на технологичните съоръжения, както и последващото търсене на информация в базите данни поради огромния обем на информационните масиви. Интелигентните центрове, мрежово свързани с останалото оборудване и общата платформа за управление на процесите и съоръженията, значително улесняват тези задачи.

Функционални възможности

Предизвикателствата при мрежовата комуникация в индустриалните приложения и технологичните подобрения при управлението на двигатели, процеси и съоръжения създават потребност и предпоставки за интегриране на три ключови системни компонента при центровете за управление – хардуер, комуникационни средства и софтуер.

Интелигентните центрове от ново поколение разполагат с възможности за използване на отворени мрежи, разпределени I/O модули и електронни компоненти, които им помагат да осъществяват трите си основни функции. Това са: управление работата на двигателите посредством микропроцесор; комуникация чрез мрежови технологии; диагностика и защита.

В сравнение с конвенционалните решения, интелигентните центрове осигуряват равна или подобрена функционалност по по-икономичен начин. Така IMCC на практика са усъвършенствани центрове за управление на двигатели, които оптимизират стойността на системните компоненти в съответното приложение.

IMCC комбинират иновативни комуникационни възможности с интегрирана архитектура и интелигентни устройства за управление на двигателите в единно решение, създадено да защитава, управлява и свързва.

Наред с намаляване на оперативните разходи, IMCC спомагат и за консолидиране на управлението с информационните технологии и средствата за визуализация в системата. Това помага на процесни и производствени предприятия в различни индустрии по-бързо и адекватно да отговарят на пазарните изисквания, да оптимизират поддръжката на съоръженията си и да сведат до минимум престоите и свързаните с тях разходи.

Усъвършенствана интеграция

Стандартните MCC изискват сериозно вътрешно окабеляване при инсталация, задълбочено документиране и изчерпателно тестване в полеви условия. Интелигентните центрове, от друга страна, обикновено са предварително свързани и окабелени, както и предварително тествани, конфигурирани и програмирани, съгласно приложението, което ги прави готови за директно въвеждане в експлоатация.

Комуникационните възможности са в основата на IMCC. При тях традиционното вътрешно окабеляване е заменено от един-единствен комуникационен кабел. Обикновено всички свързани със системата двигатели разполагат с входни модули за мониторинг на устройства като превключватели, контактори, релета за претоварване и пилотни устройства. В допълнение, мрежов сканиращ модул или мрежово свързващо устройство осъществява връзката между центъра и платформата за управление на цялото съоръжение, като събира и разпределя данните от отделните устройства посредством центъра.

Предимства

Критичен аспект по отношение на безпроблемното въвеждане в експлоатация и последващото отстраняване на проблеми при центъра за управление и двигателите е детайлното документиране. Резултатите от него при конвенционалните центрове обаче често са непълни или разпръснати.

Интелигентните решения, от друга страна, позволяват достъп до цялата необходима документация в електронен вид на същото компютърно устройство, на което е инсталиран софтуерът за мониторинг на системата. Това дава на потребителите достъп в реално време до информация за статуса на интелигентния център за управление на двигателите, до необходимите CAD чертежи, ръководства, разписки за складови наличности на резервни части и т. н.

В допълнение към възможностите за редуциране броя и времетраенето на престоите, интелигентните центрове спомагат и за по-безопасна експлоатация на индустриалните съоръжения.

Опцията за отдалечено управление и достъп до информация за двигателите намалява риска от излагане на работниците на опасни напрежения, пускови токове и други рискови фактори на стандартната работна среда и при възникнали неизправности, застрашаващи здравето и живота им. Интелигентните центрове за управление обикновено задействат аларми и предупреждения при неизправна работа на двигателите и разполагат с инструменти за идентифициране на причините за изключвания и други проблеми. Налице са и функции за автоматично излизане от различни приложения и запазване на информацията в случай на нежелано изключване или друга повреда в системата.

Потребителите на интелигентни центрове за управление на индустриални двигатели съобщават за до 15% по-ниски инсталационни и експлоатационни разходи в сравнение с конвенционалните системи. Освен по-ниски първоначални разходи, IMCC позволяват и допълнителни спестявания от кабели, кабелни вериги, интерфейсно оборудване като клемни кутии, I/O модули и релета и др.

Развитие на пазара

Актуален доклад на агенцията за маркетингови проучвания Industry Arc, посветен на глобалния пазар на интелигентни центрове за управление на двигатели, сочи, че приходите от продажби на такива решения са надвишили 3 млрд. щатски долара в световен мащаб през 2017 г. и ще продължават да нарастват с комбиниран годишен темп на растеж от 8,6% до 2023 г. Основни потребители на IMCC са Северна Америка и латиноамериканските държави, вследствие на огромния брой индустриални клъстери, мащабното промишлено производство и високото ниво на автоматизация в тези региони. Европа също е сред отбелязващите стабилен ръст пазари на интелигентни центрове за управление на двигатели, сочи още проучването.

Друго изследване в областта, проведено от Mordor Intelligence, оценява глобалния пазар на IMCC на 1,67 млрд. щатски долара през 2018 г. и прогнозира ръст до близо 2,9 млрд. през 2024 г. Сред основните предимства на тези системи, посочвани от потребителите, са възможностите за лесна унифицирана обработка на големите обеми данни, генерирани от логическите контролери, стартерите и другите устройства за управление работата на индустриалните двигатели.

Една от основните причини за ръста в продажбите на такива системи през последните години според пазарните анализатори е повишаването на нивото на автоматизация в редица индустрии в паралел с нарастващите разходи за труд и недостига на квалифицирани кадри. Като ключов ефект от технологичното развитие в областта експертите посочват повишаването на издръжливостта в индустриални условия на отделните компоненти на IMCC (електромеханични релета, автоматични прекъсвачи, електронни устройства, честотни управления и т. н.) и реципрочното разширяване на приложенията на тези решения във все повече отрасли от тежката индустрия.

Прогнозният жизнен цикъл на един интелигентен център за управление на индустриални двигатели при сегашното ниво на развитие на интегрираните технологии е от порядъка на 20 години, а възможностите за подмяна само на дефектирали или повредени компоненти в съчетание с множеството ползи превръщат тези системи в разумна и атрактивна инвестиция, сочи още докладът.

Технологични тенденции

Според анализаторите от Industry Arc е налице глобален натиск към индустриалните предприятия непрекъснато да намаляват оперативните си разходи, като същевременно оптимизират ефективността и качеството и подобряват безопасността за персонала. Ето защо много компании инвестират в средства за автоматизация и мрежови технологии за управление, мониторинг и обработка на данни на ниво предприятие или цялостно съоръжение.

Интеграцията на ниво устройство посредством цифрова комуникация спомага за използване в пълна степен на потенциала на електронните устройства за управление, инсталирани в съвременните промишлени инсталации. Наблюдават се непрекъснати технологични подобрения при средствата за мониторинг на състоянието на ниво устройство и при комуникациите, които направиха възможна цялостната интеграция на устройства, системи и технологии на ниво завод.

Енергията е един от най-критичните ресурси в индустрията днес, а огромният потенциал за реализиране на икономии посредством оптимизирано управление на промишлените двигатели превръща IMCC в поле за непрекъснати иновативни разработки. Маркетинговите специалисти от Industry Arc добавят, че във все повече отрасли е налице изискване за единни комуникационни мрежи, което улеснява възприемането на интелигентните центрове във все повече индустриални приложения.

Приложения

По данни на Frost & Sullivan, близо половината от използваната от индустриалните производители в САЩ енергия през последните години е за експлоатация на оборудване, като двигателите и задвижванията са сред най-големите консуматори. Това доказва нарастващата нужда от ефективни решения за управление на индустриалните двигатели. Свързаните производствени звена на редица глобални компании по цял свят ускоряват въвеждането на IMCC в много развиващи се пазари, включително и в Европа.

Сред най-обещаващите клиентски индустрии са петролният и газовият сектор. Анализаторите очакват бум в търсенето в Германия, САЩ и Япония през следващите 5 години наред с нарастващата степен на автоматизация и ръста на високотехнологичните приложения в производствения сектор и управлението на технологични процеси.

Интелигентните центрове за управление на двигатели намират широко приложение и в автомобилната индустрия, железопътния транспорт, корабостроенето и конструирането на други транспортни средства.

Сред отраслите, в които IMCC са приложими, са и: минното дело и рудодобивът, енергетиката, химическата индустрия, хартиено-целулозната промишленост, пречистването на питейни и отпадъчни води, хранително-вкусовата и бутилиращата индустрия и др.

Основен сектор на развитие е ВЕИ енергетиката и по-конкретно вятърната енергия, където са налице множество финансови стимули, мотивиращи въвеждането на такива технологии в енергийния микс на локално и глобално ниво. Интелигентните центрове за управление на двигатели са сред решенията, съкращаващи периода за възвращаемост на една такава технология, поради значителните възможности за намаляване на собствената консумация на двигателите на вятърните турбини и генериране на повече енергия за съхранение.