Arhitectura de sistem pentru monitorizarea consumatorilor electrici industriali Coordonator Absolvent Conf.dr.ing. Grigore Stamatescu Cristina… [310823]

Universitatea POLITEHNICA București

Facultatea Automatică și Calculatoare

Departamentul Automatică și Informatică Industrială

LUCRARE DE DIZERTAȚIE

Arhitectura de sistem pentru monitorizarea consumatorilor electrici industriali

Coordonator Absolvent: [anonimizat].dr.ing. Grigore Stamatescu Cristina Nichiforov

2017

Cuprins

1. Introducere (de ex.: [anonimizat] a conținutului fiecărui capitol)…………………………………………………………………………………………………. 3

2. Prezentarea domeniului din care face parte lucrarea……………………………………………….. 5

3. Descrierea problemei abordate și a metodei de rezolvare propuse…………………………… 14

4. [anonimizat], echipamentelor, algoritmilor, experimen-telor etc. și a rezultatelor obținute ………………………………………………………………………. 25

4.1. Echipamente utilizate…………………………………………………………………………………. 30

4.2. Tehnologii software…………………………………………………………………………………….40

4.3 Rezultate obținute……………………………………………………………………………………….50

5. Concluzii și dezvoltări ulterioare ([anonimizat], [anonimizat], performanțelor etc.-, alte aspecte relevante) …………………………………………………………………………………………….. 59

7. Bibliografie……………………………………………………………………………………………………… 64

8. Anexe (cu fragmente de cod software sau/[anonimizat])

Introducere

Pentru ca într-o organizație (întreprindere, companie, etc), [anonimizat] o preocupare continuă și o prioritate. [anonimizat], estimarea prealabilă a costurilor pe care acestea le presupun și a profiturilor pe care acestea le asigură și găsirea celor mai convenabile surse de finanțare a proiectelor respective.

[anonimizat] „contur” dat, în interiorul căruia se desfășoară în mod organizat o [anonimizat] o cerință care derivă din necesitatea mai generală ca activitatea respectivă să aducă un beneficiu maxim celor care au investit bani pentru demararea ei. [anonimizat], constitue o parte a cheltuielilor totale implicate de buna desfășurare a activității prestate în interiorul „conturului” analizat. Ele reprezintă totalitatea efortului financiar pentru achiziționarea și/sau producerea în interiorul perimetrului a tuturor formelor de energie necesare proceselor de consum final. Reducerea lor contribuie la reducerea cheltuielilor totale și implicit la majorarea profitului obținut. În cazul în care în interiorul „conturului” analizat se desfășoară o [anonimizat]. În ultimă instanță, indiferent de natura activității desfășurate în conturul dat, mărimea și structura facturii energetice constitue premize ale analizei situației eficienței energetice în interiorul unui perimetru dat.

Conceptul de eficiență energetică capătă un caracter concret și un conținut, numai dacă este asociat unui contur bine definit în interiorul căruia se desfășoară o anumită activitate care implică, printre altele, consumul uneia sau mai multor forme de energie. În general se consideră că activitatea respectivă este cu atât mai eficientă sub aspect energetic cu cât pierderile de energie inventariate la nivelul „conturului” stabilit sunt mai mici. În cazul celor mai multe procese de consum final, definirea pierderilor de energie este complicată și nu poate fi susținută cu argumente unanim acceptate.

Asadar, calitatea puterii constituie o preocupare permanenta atat pentru furnizorul de energie cat si pentru consumator, indeosebi prin prisma beneficiilor aduse de mentinerea parametrilor in limitele specificate de standardele in vigoare. In cazul entitatilor industriale, o putere „curata” se traduce prin economii importante la facturile catre furnizorul de energie, precum si reducerea costurilor cu intretinerea echipamentelor industriale. Implementarea unui sistem modular performant are o importanta majora pentru scaderea consumului si reducerea pierderilor de energie electrica in cadrul consumatorilor industriali.

Odata cu cresterea costurilor energiei electrice, la consumatorii economici a devenit critica optimizarea consumului. In majoritatea activitatilor de productie, consumul energetic are o influenta foarte importanta asupra costurilor, implicit pentru fiecare organizatie este imperios necesara cunoasterea situatiei reale a consumurilor si eficienta acestora in.

Realizarea acestei cerinte presupune culegerea informatiilor privind consumurile de apa, energie termica, gaze naturale, apa industriala, abur tehnologic, aer comprimat, apa reziduala sau orice alta marime specifica activitatii beneficiarului si care implica consumuri de energie de diferite tipuri.

În multe zone de afaceri, un set de sarcini electrice, cum ar fi: motoare, iluminatul, dispozitive de încălzire, dispozitive de răcire, mașini etc., pot fi interconectate electric la unul sau mai multe circuite, fiecare dintre aceste circuite putând fi monofozate sau trifazate. Obținerea consumului total de energie poate fi obținută cu ușurință prin citirea contorului de energie furnizat de furnizorul de energie. Contorul de energie este, în mod normal, interconectat electric între panoul de alimentare și furnizorul de energie.

În multe situații, este de dorit să se monitorizeze consumul de energie al sarcinilor individuale sau grupurilor de sarcini. Utilizarea contoarelor de putere permite o monitorizare eficientă a consumului de energie al sarcinilor particulare. De asemenea, un set de contoare de energie permite o măsurare eficientă a diferitelor sarcini, clădiri sau grupuri de sarcini pentru a atribui și monitoriza consumul de energie. De exemplu, măsurarea puterii poate fi utilizată pentru a atribui costurile de energie diferitelor clădiri, departamente sau centre de cost. Metoda tradițională de monitorizare a unei astfel de utilizări a energiei este de a instala un contor de energie într-o locație apropiată de sarcina electrica în sine. Pentru a instala un contor de energie tipic pe o sarcină trifazată, un senzor de curent este localizat în jurul fiecărui fir din cele trei faze și o conexiune de tensiune este interconectată electric la fiecare fir.

Din nefericire, este dificil să se interconecteze un număr semnificativ de contoare de energie și, în special, conexiunile de tensiune la fire, în special dacă interconectarea la fire nu este ușor disponibilă. În plus, este dificil să se interconecteze ieșirea contoarelor de energie, dacă există, cu o rețea de calculatoare din cauza necesității de a furniza cabluri de comunicații sau alte canale de comunicații fără fir la fiecare dintre contoarele de energie situate la distanță. De asemenea, instalarea contoarelor de energie necesită cheltuieli semnificative pentru ca tehnicianul să găsească o locație potrivită în apropierea fiecărui dispozitiv, pe lângă cheltuielile ulterioare de întreținere a contoarelor de energie instalate.

Ceea ce se dorește, prin urmare, este un sistem eficient de monitorizare a puterii. Prin utilizarea acestor sisteme de monitorizare se asigura citirea automata a datelor de la echipamentele specializate de masura si contorizare, stocarea datelor in baze de date, prelucrarea datelor si transformarea lor in informatii precum si afisarea informatiilor obtinute sub forma de rapoarte.

Sisteme de monitorizare a consumurilor energetice

Monitorizarea consumurilor de purtători de energie (combustibili, energie electrică și termică, frig, aer comprimat, etc) nu constă doar în simpla măsurare sau înregistrare a cantităților și eventual a parametrilor de livrare în scopul verificării facturării. Concepția sistemului de monitorizare (măsură, achiziție, transmitere, stocare și prelucrare centralizată a datelor) trebuie adaptată atât necesităților controlului facturării cât și analizei periodice a evoluției consumului de energie în raport cu principalii factori de influență.

Trebuie subliniat încă de la început faptul că numărul și calitatea aparatelor de măsură, precum și prezența și complexitatea sistemului automat în care acestea sunt integrate nu compensează lipsa de preocupare și de organizare a factorului uman pentru urmărirea consumurilor de energie, pentru analiza evoluției acestora și în final nu pot asigura reacția de autoreglare în absența acestuia.

Instalarea unor noi aparate de măsură și/sau conectarea lor la o rețea de achiziție automată sau semiautomată poate fi realizată fie cu forțe proprii, fie de către o companie specializată. Dezvoltarea întregului sistem de monitorizare al organizației trebuie gândită în perspectivă și trebuie să se integreze în strategia generală.

Sistemele de monitorizare a consumurilor energetice furnizeaza o solutie completa pentru managementul energiei. In acest scop, impun utilizarea celor mai moderne tehnologii de masurare, comunicatie si tratare a informatiei. Spre exemplu, in domeniul electric ele trebuie utilizate in cadrul punctelor de schimb dintre companiile producatoare, de transport, de distributie a energiei electrice si consumatorii comerciali si industriali.

Sistemele de contorizare furnizeaza informatii folosite pentru a eficientiza operatiunile din cadrul companiilor si pentru a imbunatati gestiunea energiei, implementand cele mai noi tehnologii in domeniul monitorizarii si managementului energetic intr-un sistem cu o arhitectura deschisa.

Aceste sisteme ofera posibilitatea de a monitoriza si analiza productia, distributia si consumul energiei si de a identifica metode potentiale de reducere a costurilor.

Un astfel de sistem trebuie sa indeplineasca urmatoarele cerinte:

sa fie capabil sa monitorizeze cateva sute de marimi analogice electrice (curenti, tensiuni, factor de putere) si neelectrice (temperaturi, presiuni, viteze, debite); valorile analogice provin fie de la senzori sau traductoare, fie de la buclele de reglaj locale.

sa poata urmari zeci sau sute de marimi digitale (de exemplu starea comutatoarelor electrice);

frecventa de citire a canalelor de intrare sa fie suficient de mare. Se considera ca performantele minime pe care trebuie sa le asigure un sistem de monitorizare sunt citirea parametrilor energetici la interval de maxim o secunda si citirea parametrilor de stare ai procesului la maxim 10 secunde. Frecventa citirilor trebuie, bineinteles, corelata cu parametrii dinamici ai procesului monitorizat si cu caracteristicile formei de energie utilizata.

sa stocheze valorile marimilor de intrare pe o perioada destul de mare.

sa emita semnale de alarmare operatorul in caz de avarie sau de depasirea unor limite prestabilite in proces, sau in cazul unui defect in cadrul sistemului de monitorizare.

sa poata prelucra, pune sub o forma utilizabila pentru operator si afisa marimile monitorizate intr-un mod cat mai avantajos, usor de interpretat (tabele de valori, desene, grafice, histograme etc.)

Pe langa aceste cerinte generale se mai pot enumera altele cum ar fi:

sa permita identificarea pierderilor din instalatia monitorizata, avariilor sau consumatorilor paraziti;

sa permita analiza consumului separat pe fiecare parte componenta a instalatiei monitorizate (sectii, consumatori individuali importanti etc);

sa asigure citirea electronica a datelor;

in anumite situatii se impune asigurarea citirii simultane a tuturor punctelor de masurare;

posibilitatea de afisare centralizata la dispecerat a valorilor masurate;

asigurarea citirii tuturor consumurilor intr-un singur sistem;

sa respecte cerintele impuse unui sistem deschis, astfel incat sa fie posibila dezvoltarea sistemului si extinderea ulterioara.

Pentru automatizarea si optimizarea activitatilor de productie, s-a dovedit necesara, in majoritatea cazurilor, utilizarea unor sisteme de monitorizare globale, cu caracter distribuit, care sa cuprinda intregul ansamblul al procesului supravegnheat. Un astfel de sistem are inevitabil o structura ierarhica (mai multe sisteme de calcul, cu diferite functii, cuplate in retea) si un caracter distribuit (dispozitivele de masura si de control sunt repartizate pe o suprafata considerabila).

Sisteme de monitorizare si evaluare a eficientei energetice

Managementul energiei se rezumă numai la resursele energetice și are ca obiectiv valorificarea lor optimă. Punerea în practică a conceptelor de management al energiei este în primul rând atractivă sub aspect economic. Reducerea facturii energetice a unei organizații în condițiile în care efectul său util și deci și încasările rămân neschimbate asigură majorarea beneficiului și o poziție mai puternică pe piață.

Într-o întreprindere industrială în perimetrul căreia se desfășoară o activitate care aparține categoriei consum final de energie, creșterea eficienței energetice presupune aplicarea tehnicilor și procedurilor de management al energiei la consumator (DSM = demand side management). Tehnicile și procedurile DSM urmăresc valorificarea cu eficiență maximă a energiei intrate sub diverse forme în mod organizat și contra cost în perimetrul respectiv.

Monitorizarea si evaluarea continua a eficientei energetice (Monitoring and Targeting (M&T)) reprezinta un sistem structurat de management al consumurilor energetice din cadrul unui sistem socio-economic. Prin aceasta se urmareste realizarea controlului si gestiunii consumurilor de energie.

Orice metoda de evaluare a eficientei utilizarii energiei trebuie sa realizeze urmatoarele cerinte:

sa stabileasca o metoda unitara de evaluare a performantelor in ceea ce priveste utilizarea energiei;

sa permita responsabilizarea financiara a utilizatorilor din interiorul sistemului respectiv;

sa permita determinarea cheltuielilor minim posibile din punct de vedere tehnic pentru toate regimurile de functionare.

Analiza eficienței energetice într-un perimetru dat începe cu analiza internă, care urmărește mai multe aspecte importante pentru situația existentă la momentul inițial în interiorul conturului analizat :

mărimea și structura facturii energetice;

reacția personalului la mărimea facturii energetice;

starea tehnică, complexitatea și modul de funcționare ale sistemului de monitorizare a consumurilor de energie în ansamblul său

După precizarea situației inițiale și a caracteristicilor generale ale activității desfășurate în interiorul conturului analizat se poate trece la întocmirea unui audit energetic preliminar.

Auditul preliminar permite:

stabilirea naturii și ordinului de mărime al consumului pentru fiecare dintre tipurile de purtători de energie;

constatarea existenței sau inexistenței unei eventuale relații între volumul și structura activității prestate și respectiv mărimea și structura facturii energetice;

obținerea unuia sau mai multor indicatori sintetici globali pe baza cărora organizația primește un calificativ referitor la eficiența cu care utilizează energia.

Informatiile folosite pentru realizarea acestui audit sunt, in general, urmatoarele:

valorile consumurilor energetice (in unitati fizice si financiare) pe ultimele 12 luni; daca este posibil se recomanda defalcarea acestora pe principalii consumatori;

schemele de distributie ale principalilor agenti energetici;

valorile productiei pe ultimele 12 luni, detaliata pe articole si sectii;

schemele fluxurilor tehnologice;

date tehnice referitoare la principalele utilaje consumatoare de energie.

Evaluarea globală a eficienței energetice a organizației analizate nu permite însă stabilirea unor măsuri sau soluții concrete prin care se poate corecta sau îmbunătăți situația existentă. Cu ocazia analizei interne și a întocmirii auditului energetic preliminar se pot detecta unele deficiențe legate de funcționarea sistemului de monitorizare (lipsa sau precizia insuficientă a unor aparate de măsură, lipsa unor informații privind anumite consumuri de energie, imperfecțiuni apărute la transferul datelor), etc.

Asadar, obiectivele acestui audit sunt:

determinarea consumurilor care trebuie monitorizate pe baza analizelor anuale si a economiilor realizabile;

determinarea zonelor de responsabilitate (stabilirea responsabilitatilor in cazul unor cheltuieli nejustificate cu energia);

estimarea costurilor globale ale sistemului (incluzand echipamentele si soft-urile specializate necesare).

Parametrii de performanta al utilizarii energiei sunt stabiliti prin corelarea dintre consumul de energie si alte marimi care il influenteaza (de exemplu cantitatea de produse realizate in perioada specificata). Rezultatul acestei analize il reprezinta legile de determinare a valorilor limita (sau obiectiv) pentru consumuri – actiune numita „targeting”.

Pe baza acestui audit, se trece la implementarea unei solutii de monitorizare si evaluare a eficientei energetice. Urmatorul pas ar fi alegerea si montarea echipamentelor de masura in vederea îmbunătățirii eficienței energetice.

Cea mai simpla solutie (in anumite situatii chiar singura aplicabila) dar si cea mai scumpa o reprezinta alegerea unor contoare ca echipamente de masurare. Acestea au performante foarte bune si prezinta avantajul ca, pentru echipamentele moderne, nu ridica nici un fel de probleme conectarea acestora la sistemele informatice (dispunand de iesiri numerice). In anumite situatii se pot utiliza diferite tipuri de traductoare si placi de achizitie in asociere cu programe specializate, solutie mai ieftina dar mai greu de aplicat si cu erori mai mari.

Un al treilea pas in definirea eficientei energetice ar fi culegerea datelor de catre sistemul de monitorizare. Principalele date care trebuie culese de catre sistemul de monitorizare sunt urmatoarele:

consumurile de agenti energetici;

valorile productiei;

valorile factorilor de mediu (temperaturi etc.)

alte date auxiliare.

Frecventa colectarii datelor este variabila, fiind preferata colectarea automata. In general nu se recomanda colectarea unor date care nu pot fi prelucrate. Trebuie tinut cont ca frecventa citirilor poate influenta calitatea analizei. Asadar, exista trei metode principale de colectare a datelor:

manuala;

utilizarea unui cititor automat (data logger – echipament portabil de dimensiuni reduse);

utilizarea unui sistem de achizitie.

In continuare, cel de-al patrulea pas ar fi analiza datelor. Prima etapa a stabilirii valorilor obiectiv in ceea ce priveste consumul de energie este stabilirea, pentru fiecare centru de gestiune a energiei, a marimilor care influenteaza decisiv valorile consumului de energie, si deci care vor trebui monitorizate. Aceste marimi se numesc variabile.

Scopul etapei de analiza o reprezinta stabilirea unei functii care da dependenta consumurilor energetice de valorile variabilelor. Aceste functii pot avea expresii simple (de exemplu liniare) sau mai complexe, in functie de specificul sistemului monitorizat.

Analiza datelor poate fi realizata manual (foarte dificil atunci cand numarul de variabile este mare), utilizand foi de calcul sau folosind un software specializat pentru exploatarea sistemelor de monitorizare. Ultima solutie este cea mai simpla dar presupune existenta unui personal specializat.

In urma analizei datelor colectate de catre sistemul de monitorizare se pot elabora o serie de rapoarte si grafice de consum.

In etapa de exploatare se realizeaza colectarea in mod continuu a marimilor monitorizate si compararea consumurilor cu valorile-obiectiv. In acest scop se realizeaza urmatoarele operatii:

in fiecare centru de gestiune se inlocuiesc valorile variabilelor in functia stabilita la etapa anterioara, obtinand valorile consumurilor obiectiv;

valorile consumurilor masurate sunt comparate cu valorile consumurilor obiectiv;

se stabileste localizarea punctelor in care consumurile depasesc consumurile obiectiv si se cauta masurile pentru reducerea consumurilor in aceste puncte.

Aceste operatii sunt realizate in mod continuu. la anumite intervale de timp. Rapoartele pot fi prezentate in general sub forma grafica (cu un impact vizual si o usurinta de interpretare foarte ridicata dar precizie mai scazuta) sau tabelara (cu o precizie mai buna deoarece cuprind valorile numerice).

Un ultim pas ar fi identificarea si aplicarea masurilor de reducere a consumurilor energetice pe baza tutoror informatiilor obtinute de la sistemul de monitorizare. Un sistem M&T nu urmareste doar evaluarea performantelor energetice la nivelul unei unitati, ci si instaurarea unui sistem de folosire a acestor informatii in scopul stabilirii unor masuri concrete de reducere a consumurilor energetice.

Functii ale sistemelor de monitorizare a energiei

Printre cele mai importante si cele mai folosite functii ale acestor sisteme de monitorizare a energiei, mentionam urmatoarele:

Citirea datelor de la echipamentele de achizitie specifice

Citirea datelor se face in mod direct de la echipamentele specializate, cum ar fi: contoare, placi de achizitie sau diferite sisteme de achizitie). Datele achizitionate pot fi: date de facturare, curbe de sarcina, parametri de configurare, informatii de stare (evenimente, alarme ,etc), informatii privind calitatea energiei, marimi de instrumentatie caracteristice fiecare faza sau totale (frecventa, putere, tensiune, curent, factor de putere).

Transmiterea datelor catre o baza de date si stocarea acestora

Datele citite de de catre sistemele de achizitie trebuie sa fie disponibile in scopul realizarii unor analize a consumurilor de energie. In acest scop, acestea sunt achizitionate si transmise catre o baza de date in scopul stocarii pe diferite perioade de timp. Acest lucru implica utilizarea un sistem de operare si a unui protocol de comunicatii care sa permit operarea in timp real. Baza de date poate exista pe aceeasi statie de lucru pe care se realizeaza achizitia sau pe o alta statie conectata in retea. Aceste sisteme de achizite presupun in general, crearea de configuratii compacte (toate activitatile fiind de cele mai multe ori executate pe un singur calculator).

Exportul datelor achizitionate in fisiere

Sistemele de acest tip ofera pe langa posibilitatea achizionarii datelor si posibilitatea exportului acestora in fisiere de tip text sau alt format. Fisierele exportate pot fi utilizate in alte aplicatii/programe software in scopul analizei datelor in vederea asigurarii optmizarii functionarii sistemului.

Prelucrarea datelor, generarea si tiparirea rapoartelor

Sistemul poate oferi cateva tipuri predefinite de rapoarte configurabile de utilizator, in forme intuitive si simplu de interpretat ca de exemplu tabele si grafice. De asemenea, in cadrul acestei functii rapoartele pot fi realizate, generate si transmise in mod automat pe diferite cai utilizatorilor. Rapoartele pot cuprinde: informatii generale, curbe de sarcina, marimi de instrumentatie, analize ale costurilor, informatii legate de evenimente anormale, predictii, etc.

Accesul mai multor utilizatori la informatiile prelucrate

In general, sistemele de acest tip permit accesul mai multor utilizatori locali sau aflati la distanta. Accesul lor este restrictionat, in sensul in care fiecare are o parola de acces si de asemenea, anumite drepturi de acces la functiile si datele oferite de sistem.

Generarea de alarme vizuale si acustice

Utilizatorii care au acces la sistem pot fi informati continuu de aparitia unor evenimente privind: comunicatia cu echipamentele de achizitie, schimbarea starii de functionare normala a acestor echipamente, detectarea unor evenimente, erori aparute in retea, aparitia unor probleme de functionare a celorlalte echipamente existente in cadrul sistemului de monitorizare, etc.

Configurarea tuturor elementelor componente ale sistemului

Sistemul ofera instrumente pentru configurarea elementelor componente: sisteme de achizitie, contoare inteligente, cai de comunicatie, baza de date, rapoarte, plan tarifar si utilizatori. Accesul la aceasta functie este permis eventual doar administratorilor de sistem.

Sincronizarea echipamentelor

Sistemul permite sincronizarea echipamentelor in functie de o referinta.

Avanatajele implementarii sistemelor de monitorizare a energiei

Instalarea unui sistem informatizat de monitorizare și evaluare continuă a eficienței energetice tip M&T (Monitoring and Targeting) are ca scop îmbunătățirea si menținerea nivelului eficienței energetice într-o organizație.

Asadar, printre avantajele implementarii sistemelor de monitorizare a consumurilor energetice mentionam urmatoarele:

crearerea posibilitatii de urmarire corecta a indecsilor de consum asigurand rezolutie, simultaneitate, perioade de esantionare sau intervale de timp reduse intre citiri;

permiterea realizarii unor bilanturi energetice corecte si concrete, obtinerea curbelor de sarcina si crearea in acest fel a premiselor ce vor duce la stabilurea unor masuri pentru o eventuala eficientizare;

permiterea realizarii de calcule de consumuri energetice global si pe produs;

gama marimilor masurate si monitorizate poate fi adaptata profilului unei instalatii specifice;

datele citite si achizitionate ajung in statiile de lucru ale utilizatorilor sistemului care au responsabilitati in urmarirea evolutiei consumurilor, permitand asadar informarea corecta a acestora in timp real;

sistemele pot fi dotate de asemenea si cu aparate de comanda a elementelor de executie; in acest fel dispecerul poate lua decizii de actionare ale unor elemente de executie.

Exemplu de arhitectura de sistem pentru monitorizarea consumatorilor electrici industriali

Un sistem de monitorizare reprezintă un caz particular, care trebuie să corespundă cerințelor efective ale diferitelor instalații ce trebuie supravegheate. Pentru implementarea unei astfel de aplicații, se porneste de obicei de la un sistem de monitorizare “standard”, ce conține diferite module de bază, hardware și software, și se realizează in perimetrul in care se gasesc echipamentele/instalatiile concrete, specifice unui consumator industrial.

Pentru aplicatia ce este prezentata in aceasta lucrare perimetrul in care s-a instalat sistemul de monitorizare a constat intr-o hala mica de productie a unor echipamente de automatizare cu o activitate moderata. Printre consumatorii care s-au regasit in hala de productie se numara: un CNC, motoare de curent continuu si alternativ, convertizoare de frecventa, diferite scule-unelte pentru electrica si electronica, masini de taiat si gaurit, iluminat, calculatoare.

In figura 2 este prezentata o schema de principiu a arhitecturii sistemului de monitorizare a consumatorilor electrici industriali.

Pe scurt, diagrama este alcatuita din simbolurile urmatoarelor echipamante: un automat programabil Siemens din familia Simatic S7-1200, un modul specializat de „energy metering” marca Siemens, ecran de vizualizare Siemens familia Simatic TP700, si de asemenea un calculator pe care ruleaza o aplicatie software pentru programarea automatului si pentru achizita si stocarea datelor masurate. De asemenea, pe diagrama este ilustrat si tipul de comunicatie folosit intre echipamente si anume Profinet, a a carui culoare specifica este verde.

Descrierea echipamentelor si tehnologiilor soft utilizate

Echipamentele utilizate sunt echipamente industriale care, in cazul aplicatiei prezentate in aceasta lucrare, au fost integrate sub forma de echipament didactic indeplinind toate masurile de siguranta (Fig.3.).

„Energy Meter Training Case” este un echipament compact si puternic de monitorizare a tuturor parametrilor ce tin de reteaua de energie electrica; este potrivit pentru utilizarea in aplicatii industriale sau comerciale, in cazul in care este necesara contorizarea si monitorizarea energiei electrie utilizate. Acest contor inteligent poate fi folosit ca un simplu dispozitiv de monitorizare cu ajutorul caruia se pot masura peste 200 de parametri caracteristici sau ca parte a unui sistem de control industrial, in automatizarea cladirilor inteligente sau ca parte a unui sistem global de monitorizare a energiei. Contorul poate inregistra si afisa simultan diferiti parametri.

Trusa didactica ilustrata in figura 3 are in componenta, pe langa elementele de conectica (borne si conectori de siguranta pentru realizarea legaturilor electrice, pentru accesul la intrarile/iesirile digitale/analogice ale automatului programabil si pentru accesul la interfetele de comunicatie ale acestuia si ale HMI-ului) si urmatoarele echipamente industriale:

PLC Siemens SIMACTIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) si modul SM 1238 Energy Meter

Seria S7-1200 este o linie de automate programabile (PLC) care poate controla o varietate de aplicații de automatizare. Designul compact, costul scăzut și un set de instrucțiuni puternice fac ca automatele programabile din seria S7-1200 sa reprezinte o soluție perfectă pentru controlul unei game largi de aplicații. În general, un PLC de acest tip este utilizat pentru a controla procese simple cu un număr redus de intrări/ieșiri. Criterii esențiale sunt: numărul mic de intrări/ieșiri, spațiul minim ocupat, timp de răspuns rapid și un cost redus.

Deoarece automatul S7-1200 este unul compact, acesta ofera 14 intrări digitale, 10 iesiri digitale si 2 intrari analogice,1 iesire analogica standard integrate si de asemenea, modul de comunicatie Profinet integrata.

Scopul principal al acestui echipament fiind monitorizarea energiei, la automatul programabil S7-1200 s-a adaugat un modul auxiliar specializat pentru aceasta functie; este vorba de SM 1238 Energy Meter 480 VAC. Intrucat eficiența energetică este din ce în ce mai importantă pentru industrie, iar creșterea prețurilor energiei, creșterea presiunii pentru îmbunătățirea profitabilității și creșterea nivelului de conștientizare a protecției climei reprezintă motive importante pentru reducerea costurilor cu energia și monitorizarea consumului de energie s-a creat acest modul specializat usor de integrat si de utilizat. Modulul SM 1238 este proiectat pentru implementarea la nivel de mașină într-un sistem cu PLC S7-1200. Modulul poate înregistra peste 200 de valori diferite de măsurare specifice energie electrice (tensiuni, curenti, puteri, energii, factor de putere, frecventa,unghi de faza etc.). Folosind valorile măsurate furnizate de modulul SM 1238, se pot determina cererea si consumul de energie. De asemenea, se pot stabili prognozele și eficiența consumului din valorile măsurate. Monitorizare valorilor de putere si energie sunt relevante pentru gestionarea și întreținerea consumatorilor.

Panou de vizualizare SIMATIC HMI TP 700 COMFORT

Deoarece vizualizarea a devenit o componentă standard pentru majoritatea modelelor de mașini industriale, panourile SIMATIC HMI oferă dispozitive cu ecran tactil pentru operatii de bază pentru controlul și monitorizarea diferitelor task-uri.

TP 700 COMFORT este un dispozitiv de inalta performanta, cu ecran color, tactil, de rezolutie mare, cu diagonala de 7 inch, butoane mecanice, interfete de comunicatie Profinet si Profibus, protectitie IP65, Windows CE 6.0.

Configurarea si programarea atat a automatului programabil SIMATIC S7-1200, cat si a ecranului HMI TP 700 s-a realizat in mediul de programare specific Siemens, Totally Integrated Automation (TIA) Portal instalat pe calculator. TIA Portal integreaza atat pachetele software de bază (STEP 7, WinCC, SINAMICS Startdrive, etc.) pentru configurarea PLC-urilor, HMI-urilor, convertizoarelor de frecventa, dar și noile funcționalități precum managementul energiei, toate într-o singură interfață intuitiva si prietenoasa cu utilizatorul.

Aplicatia pentru achizitia si vizualizarea datelor

Dupa cum s-a mentionat in subcapitolul anterior, configurarea si programarea echipamentului s-a realizat in mediul de programare TIA Portal. Pentru obtinerea tuturor functionalitatilor modului SM 1238 precum si a evolutiei valorilor marimilor de instrumentatie ce au fost monitorizate in timp real de la dispozitivul de masurare a energiei electrice s-au folosit blocuri specifice.

Intrucat echipamentul utilizat este unul industrial si scopul lui este sa fie utilizat in medii de acest tip pentru monitorizarea si eficientizarea consumului energetic, si totodata, desi performanta modulului specializat SM 1238 Energy Meter si a echipamentului in sine este foarte mare, acesta nu ofera posibilitatea masurarii si monitorizarii valorilor instantanee specifice unei retele electrice (cosφ, distorsiunea armonica totala pe cutent/tensiune, reziduu deformant, s.a., in general parametri calculati pentru armonica fundamentala). Aceste valori instanatanee specifice sunt utilizate in special pentru analiza calitatii retelei, iar pentru a obtine astfel de valori este nevoie ca viteza de citire a dispozitivului sa fie mare si durata unui ciclu de citire sa fie de 20 milisecunde. In cazul echipamentului utilizat pentru aplicatia prezentata in aceasta lucrare, un ciclu de masurare/citire a datelor din registri de catre modulul SM 1238 dureaza conform specificatiilor tehnice, minim 50 milisecunde (aceasta duratala se poate modifica) la care se mai adauga si durata ciclului de citire a CPU-ului automatului programabil care depinde si de dimensiunea codului scris.

Parametrii care au fost masurati/monitorizati sunt urmatorii: tensiuni intre fiecare faza si nul, tensiuni intre faze, curent pe fiecare faza si curent total, putere activa/reactiva/aparenta pe fiecare faza si totala, energie activa/reactiva/aparenta pe fiecare faza si totala, factor de putere, frecventa.

In figurile ce urmeaza vor fi prezentate cateva capturi semnificative ale ferestrelor HMI-ului, cu toti parametrii monitorizati in timp real.

In plus fata de aceasta functionalitate, aplicatia software ofera facilitatea plotarii in timp real a unor grafice cu evolutia in timp a parametrilor monitorizati, astfel putandu-se face o analiza vizuala a evenimentelor din retea pe o anumita perioda de timp. De asemenea, pentru o analiza mai amanuntita si mai relevanta a evolutiei parametrilor monitorizati, aplicatia ofera posibilitatea scrierii in fisier de tip text (.txt sau .csv) a acestor valori la o perioada de esantionare incepand cu 100 milisecunde. In figura de mai jos este ilustrata o captura a ferestrei HMI-ului in care este exemplificata aceasta functionalitate, iar in Anexa X modul in care aceasta a fost realizata.

Prelucrarea datelor si rezultatele obtinute

Pentru obtinerea unui set de date suficient de consistent, perioada in care s-au inregistrat acestea a fost de o saptamana (5 zile lucratoare si 2 zile de week-end). Valorile parametrilor monitorizati au fost scrise in fisier cu o perioada de esantionare de 10 secunde, astfel s-a obtinut un set de date cu aproximativ 60.000 de valori pentru fiecare parametru monitorizat.

Prelucrarea datelor s-a realizat in mediul de programare Matlab 2016a, iar tool-urile mai speciale utilizate au fost: „System Indetification Toolbox” si „Neural Network Toolbox”.

Pentru a putea fi folosite intr-o maniera mai eficienta, datele brute achizionate au fost in primul rand filtrate. Metoda de filtrare folosita a fost utilizarea unui filtrul de mediere. Filtrele de mediere inlocuiesc valoarea curenta cu o valoare medie a vecinilor acesteia. Aceste filtre mai sunt cunoscute sub denumirea de filtre de netezire (smoothing) intrucat netezesc detaliile (variatiile bruste de intensitate dintre valorile vecine). Aceste filtre de netezire sunt echivalentele bidimensionale ale filtrelor trece-jos. Filtrul de mediere este o tehnică de filtrare digitală neliniară, utilizată adesea pentru a elimina zgomotul dintr-o imagine sau dintr-un semnal. O astfel de reducere a zgomotului este o etapă tipică de pre-procesare pentru îmbunătățirea rezultatelor prelucrării ulterioare.

Pe baza setului de date filtrate, s-au trasat diferite grafice si curbe de consum, dupa cum urmeaza sa fie ilustrate.