Дигитализацията променя ролята на индустриалните задвижвания
Бекир Бекиров, ръководител на бизнес направление "Електрозадвижване" на АББ България
В последните години честотните регулатори все по-често се използват не като самостоятелен компонент, а като част от цялостна автоматизирана система. Какви са основните предизвикателства при интеграцията им с PLC, SCADA и индустриални Ethernet мрежи и как АББ адресира тези изисквания?
През последните години наблюдаваме съществена промяна в ролята на честотния регулатор. Ако преди десетина години основната му задача беше да регулира скоростта на двигателя, днес той се превръща в интелигентен източник на данни и важен елемент от дигиталната архитектура на предприятието. Все по-често клиентите не търсят просто управление на електродвигател, а прозрачност на процесите, възможност за предиктивна поддръжка и интеграция с платформи за анализ на производствени данни.
Основното предизвикателство вече не е физическото свързване към PLC или SCADA система, а осигуряването на надежден обмен на данни между множество устройства и различни комуникационни платформи. Днес в една съвременна производствена линия могат едновременно да присъстват PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP, OPC UA и облачни приложения за мониторинг. Затова от особено значение е използването на стандартизирани комуникационни протоколи, които позволяват на задвижванията да обменят както команди за управление, така и подробни диагностични данни.
В тази посока ABB активно развива OPC UA функционалността в своето портфолио. Тя позволява от честотния регулатор директно да бъдат достъпни параметри като мощност, въртящ момент, токове, история на алармите и събитията, като информацията може да бъде използвана едновременно от PLC, SCADA, edge устройства или cloud платформи. Това намалява натоварването върху индустриалната мрежа и улеснява внедряването на концепции като condition monitoring и predictive maintenance.
Много добър пример са водоснабдителните системи и пречиствателните станции, където десетки помпи работят в различни режими денонощно. В подобни приложения задвижването може да предоставя информация за натоварването на двигателя, броя стартирания, енергийната консумация и механичното състояние на агрегата. Това позволява обслужването да бъде базирано на реалното състояние на оборудването, а не на предварително зададени интервали. За операторите това означава по-малко непланирани спирания и по-висока надеждност на критичната инфраструктура.
Друг все по-важен аспект е киберсигурността. С увеличаващия се обмен на данни между производствените и корпоративните мрежи защитата на индустриалните активи става критична. Поради тази причина новите поколения комуникационни решения на ABB са разработени така, че да осигуряват защитена и контролирана комуникация между различните нива на автоматизацията.
Какви са особеностите при избора на честотен регулатор за приложения с променлив въртящ момент спрямо такива с постоянен въртящ момент и къде най-често се допускат грешки още на етап проектиране?
Една от най-често срещаните грешки е да се разглежда честотният регулатор като универсално устройство, което може да бъде избрано единствено по мощността на двигателя. В действителност правилният избор започва с разбирането на товара и неговия работен профил.
При приложения с променлив въртящ момент, каквито са центробежните помпи и вентилаторите, консумираната мощност намалява значително при редуциране на оборотите. Именно затова тези приложения често предлагат най-голям потенциал за енергоспестяване чрез регулиране на скоростта. В много случаи намаляването на оборотите само с няколко десетки процента води до съществено намаляване на енергийното потребление на системата. Такива решения се използват широко във ВиК сектора, HVAC системите и енергоемките производствени процеси.
Съвсем различна е ситуацията при приложения с постоянен въртящ момент като конвейери, дробилки, смесители, екструдери и кранове. Там двигателят трябва да осигурява необходимия момент независимо от скоростта. Ако това не бъде отчетено при избора, съществува риск честотният регулатор да бъде недооразмерен, особено при тежки пускови режими или циклични натоварвания. В практиката това често води до ограничения в производителността или до нежелани изключвания при претоварване.
Друга типична грешка е разглеждането на двигателя и честотния регулатор като отделни компоненти. Съвременният инженеринг изисква те да бъдат оценявани като единна задвижваща система. Необходимо е да се анализират работният цикъл, характеристиката на товара, възможните претоварвания, условията на охлаждане и изискванията към динамиката на процеса. Именно затова в ABB използваме специализирани инструменти за оразмеряване, които позволяват симулиране на реалния работен профил още преди оборудването да бъде инсталирано.
Особено при индустрии като минно-добивната, циментова промишленост и металургия правилното оразмеряване още на етап проект често определя надеждността и енергийната ефективност на инсталацията за следващите 15-20 години.
Хармониците и качеството на електроенергията често остават на заден план при модернизацията на производствени линии. До каква степен съвременните задвижвания могат сами да допринесат за решаването на тези проблеми и кога са необходими допълнителни решения?
В практиката много предприятия инвестират сериозни средства в повишаване на енергийната ефективност, но често подценяват ефекта на хармониците върху електрическата мрежа. Това е разбираемо, защото последствията рядко се появяват веднага. В началото всичко изглежда, че работи нормално, но с увеличаването на броя задвижвания в системата започват да се наблюдават необясними изключвания, загряване на трансформатори, проблеми с кондензаторни батерии, смущения в измервателната техника или нестабилна работа на резервни дизелови генератори. Именно поради това темата за качеството на електроенергията трябва да бъде разглеждана още на етап проектиране, а не след появата на проблемите.
Добрата новина е, че съвременните задвижвания вече могат да адресират голяма част от тези предизвикателства. През последните години се наблюдава преход от подхода „инсталирай задвижването и добави филтри при необходимост" към философията „не създавай проблема изобщо". Именно това стои в основата на решенията с Active Front End технология и Ultra-Low Harmonic архитектура, при които ограничаването на хармониците е интегрирано в самото задвижване. При такива системи типичните стойности на THDi са около 3%, което позволява покриване на най-строгите препоръки на IEEE 519 без необходимост от външни хармонични филтри или специални трансформатори.
Особено важно предимство е, че тези решения не подобряват единствено качеството на електроенергията. Те подпомагат по-ефективното използване на трансформаторите, намаляват загубите в електрическата мрежа и осигуряват фактор на мощността близък до единица. За предприятия с високи инсталирани мощности това може да има пряко отражение върху експлоатационните разходи и свободния капацитет на съществуващата електрическа инфраструктура.
Разбира се, има и ситуации, в които допълнителни решения остават необходими. Това обикновено се наблюдава при големи индустриални комплекси с множество нелинейни товари, системи за непрекъсваемо захранване, мощни токоизправители, пещи или комбинация от стари и нови технологии. В подобни случаи е необходим цялостен анализ на мрежата, за да се определи дали са необходими допълнителни пасивни или активни филтри, компенсация на реактивната мощност или други мерки за подобряване на качеството на електроенергията.
Пример за това могат да бъдат металургичните предприятия, минната индустрия или големите водоснабдителни съоръжения, където едновременно работят десетки двигатели със значителна мощност. Там правилният анализ на хармониците често се оказва също толкова важен, колкото и изборът на самото задвижване. В крайна сметка най-добрият резултат се постига, когато енергийната ефективност, качеството на електроенергията и надеждността на процеса се разглеждат като една обща система, а не като отделни инженерни задачи.
Какви са стратегическите приоритети на АББ през следващите години и в кои продуктови направления, технологии или индустриални приложения ще бъдат насочени основните усилия на компанията?
Ако трябва да се обобщи посоката на развитие на ABB Motion през следващите години с няколко думи, те биха били енергийна ефективност, декарбонизация и дигитализация на индустрията. Тези три направления все по-често се преплитат и днес трудно можем да говорим за конкурентоспособност без да разглеждаме едновременно производителността, разходите за енергия и устойчивото развитие. ABB последователно развива своето портфолио именно в тази посока, като целта е да помага на индустрията да произвежда повече с по-малко ресурси и по-нисък въглероден отпечатък.
Една от основните области остава повишаването на ефективността на електрозадвижващите системи. Това не е случайно, тъй като електродвигателите са сред най-големите консуматори на електроенергия в индустрията. Според данните на ABB значителна част от световното електропотребление се преобразува именно в механично движение чрез електродвигатели, което означава, че дори малки подобрения в ефективността могат да имат огромен ефект върху разходите и емисиите.
В тази връзка особено внимание се отделя на новото поколение високоефективни двигатели. През последната година ABB разшири значително портфолиото си от IE6 SynRM двигатели, които използват магнитно свободна синхронна релуктантна технология. Освен че осигуряват още по-висока ефективност, тези решения не използват редкоземни материали и се вписват отлично в тенденцията към по-устойчиви производствени практики и кръгова икономика.
Паралелно с това виждаме засилен акцент върху модернизацията на съществуващи инсталации. В редица индустрии значителна част от оборудването продължава да работи надеждно от механична гледна точка, но вече не отговаря на съвременните изисквания за ефективност и гъвкавост. Именно тук решения като MV Titanium™ показват нов подход към задвижванията Ср.Н., позволявайки на предприятията да запазят значителна част от съществуващата инфраструктура и същевременно да преминат към управление на скоростта, по-ниско енергопотребление и намалени емисии. Тази концепция е особено актуална за отрасли като добивната промишленост, водния сектор, енергетиката и тежката индустрия, където инвестиционните цикли са дълги, а непрекъсваемостта на процесите е критична.
Друг ясно изразен приоритет е дигитализацията на жизнения цикъл на оборудването. Все повече предприятия очакват не просто двигатели и честотни регулатори, а възможност за непрекъснат мониторинг на състоянието, анализ на енергопотреблението и прогнозиране на потенциални повреди. Данните от оборудването постепенно се превръщат в също толкова ценен ресурс, колкото и самата произведена енергия или продукция. Именно затова ABB инвестира в решения за condition monitoring, енергийни обследвания, интелигентна диагностика и услуги, които позволяват на клиентите да вземат решения на базата на реални експлоатационни данни.
От гледна точка на българската индустрия тези тенденции имат особено значение. През следващите години предприятията ще бъдат под все по-силен натиск да намаляват енергийните си разходи и въглеродния си отпечатък, като същевременно повишават производителността си. Това означава, че решенията за модернизация на задвижващи системи, внедряване на високоефективни двигатели, управление на енергопотреблението и дигитален мониторинг ще се превръщат от конкурентно предимство в необходимост. Именно в тези направления се очаква да бъдат концентрирани голяма част от усилията и инвестициите на ABB Motion и в бъдеще.