SIEMENS&CHEMTEC industry water&energy
art@chemtecindustry – photo kristýna šestáková
Kapitola 1 Bezpečná a minimální energie pro čištění odpadních vod malých ČOV vzorový projekt ČOV Mikulčice Kapitola 2 ČOV Liberec vzorový projekt využití koncepce TIA pro optimalizaci spotřeby elektrické energie Kapitola 3 Napájení centrální napájení SŘTP 24V DC přes DC UPS v redundantním provedení Kapitola 4 Spotřebiče část 1 – motorové vývody ET200S pro malé spotřebiče část 2 - SIRIUS&SIMOCODE pro velké spotřebiče část 3 - SINAMICS pro řízené spotřebiče Kapitola 5 Měření SENTRON PAC
SIEMENS&CHEMTEC industry water&energy
Kapitola 1
Bezpečná a minimální energie pro čištění odpadních vod malých ČOV vzorový projekt ČOV Mikulčice – ČOV do 5.000 EO kombinovaný chod zařízení střední příkon
nemá význam optimalizovat
biologické čištění [usazovací nádrže] denitrifikace nitrifikace dosazovací nádrže [regenerace kalu] čerpání kalu
trvalý chod zařízení malý příkon velký podíl balených jednotek
mechanické předčištění
vhodné optimalizovat
minimum možností pro optimalizaci kalové hospodářství kombinovaný chod zařízení střední příkon velký podíl balených jednotek
čerpací stanice
řízený chod zařízení velký příkon
dmychárna
řízený chod zařízení velký příkon
ideální optimalizovat
podíl spotřeby na celkové spotřebě ČOV 100kW mechanické předčištění do 5% čerpací stanice do 15% dmychárna do 50% biologické čištění do 15% kalové hospodářství do 10% ostatní do 5%
©CHEMTEC industry čerpací stanice odpadní vody Spotřebu energie jednotlivých čerpadel se vyplatí sledovat s ohledem na její možné zvýšení způsobené zanesením čerpadel nečistotami. Vyplatí se to zvláště v případě, kdy je stanice umístěna před mechanickým předčištěním kde je riziko zanesení větší. Pro sledování spotřeby je vhodné použít SIMOCODE.
mechanické předčištění Typické zařízení, které nemá význam z hlediska úspory energií řešit. Obvykle je dodáváno jako balená jednotka, s trvalým nebo přerušovaným chodem, který nelze ovlivnit žádným optimalizovaným algoritmem. Řídicí systém získává obvykle z této jednotky pouze informace o jejím provozu.
optimalizace spotřeby elektrické energie u míchadel je u malých ČOV bezpředmětná.
©CHEMTEC industry
biologické čištění – denitrifikace, nitrifikace U malých ČOV lze obvykle optimalizovat z hlediska spotřeby energie pouze provoz dmychadel. Pro provádění případné optimalizace energie je ve většině případů k dispozici pouze měření obsahu kyslíku v aktivované směsi a omezené řízení výkonu dmychadel. Dmychadla jsou na každé ČOV největším spotřebičem elektrické energie, proto se jim vyplatí vždy věnovat vyšší pozornost. Technické řešení umožňující minimální optimalizaci vyžaduje sledování spotřeby každého dmychadla zvlášť. Ideálním řešením je i řízení výkonu každého dmychadla zvlášť. Pro sledování spotřeby energie je vhodné použít SIMOCODE, pro řízení výkonu společně se sledováním spotřeby pak SINAMICS.
řízení pomocí SINAMICS ovládání pomocí SIMOCODE
řízení pomocí SINAMICS
©CHEMTEC industry biologické čištění – usazování a čerpání kalů U malých ČOV lze obvykle optimalizovat z hlediska spotřeby energie pouze čerpání vratného a přebytečného kalu. Malá ČOV obvykle neobsahuje usazovací nádrže a není prováděna interní recirkulace a regenerace kalu. Na čerpání vratného kalu je z hlediska spotřeby vždy nutné použít čerpadla řízená frekvenčním měničem. Čerpání přebytečného kalu je optimální se sledováním spotřeby. Tu totiž ovlivňuje hustota kalu a tudíž lze nalézt optimum čerpání také přes sledování spotřeby energie. Pro sledování spotřeby energie je vhodné použít SIMOCODE, pro řízení výkonu společně se sledováním spotřeby pak SINAMICS.
balená jednotka
©CHEMTEC industry kalové hospodářství Zařízení kalového hospodářství nemá z hlediska úspory energií význam optimalizovat. Strojní odvodnění kalů je prakticky vždy dodáváno jako balená jednotka jejíž funkci zajišťuje lokální řídicí systém. Pokud to investiční prostředky umožňují, je vhodné osadit přívod energie do podružného rozváděče balené jednotky zařízením pro sledování její spotřeby. Spotřeba energie těchto jednotek však nebývá z hlediska spotřeby celé ČOV významná. Zvýšená spotřeba zařízení může indikovat zhoršení stavu strojnětechnologického zařízení balené jednotky. Pro sledování spotřeby energie je vhodné použít SENTRON PAC.
©CHEMTEC industry
sdružené napětí [V]
fázové napětí [V]
činný výkon [kW]
fázový proud [A]
jalový výkon [kvar]
frekvence sítě [Hz]
zdánlivý výkon [kVA]
účiník [%]
optimalizace spotřeby
bilance spotřeby
sledování spotřeby elektrické energie Základní zařízení pro sledování spotřeby elektrické energie je instalováno na hlavním přívodu ČOV. Výhodou je datové propojení zařízení s řídicím systémem, které umožňuje získávání všech hlavních údajů o spotřebovávané energii potřebných pro bilance a optimalizaci spotřeby energie. Bilance spotřeby jsou prováděny dle požadavků provozovatele minimálně denně a měsíčně. Zařízení umožňuje díky sledování okamžitých hodnot všech elektrických veličin kompletní diagnostiku napájecí sítě. Pro sledování spotřeby energie je vhodné použít SENTRON PAC.
Kapitola 2
ČOV Liberec vzorový projekt využití koncepce TIA pro optimalizaci spotřeby elektrické energie
2006…2008 – rekonstrukce ČOV Firma CHEMTEC industry byla v roce 2006 vybrána na realizaci systému řízení ČOV Liberec. Ve výběrovém řízení mohla vyhrát pouze díky navrženému technickému řešení zapadajícímu do koncepce TIA firmy SIEMENS. Toto technické řešení umožnilo výrazně snížit náklady na realizaci díla a tím dosáhnout nejnižší dodavatelské ceny v soutěži. Realizace trvala 2 roky a byla úspěšně dokončena v roce 2008. V rámci zakázky nebylo bohužel možné realizovat optimalizaci spotřeby elektrické energie.
TIA na ČOV Liberec Co znamená koncepce TIA firmy SIEMENS? TIA nebo-li Totally Integrated Automation je souhrn technických řešení zajišťujících integraci veškerých elektrotechnických zařízení (část mar, asřtp a elektro) do jednoho celku. Pronikání částí mar a elektro do systému řízení přináší výhody především ve snížení investičních a provozních nákladů a dále pak ve zvýšení spolehlivosti celého systému řízení (redundance napájení, řízení a komunikací mezi jednotlivými komponenty řídícího systému). Největší úspory jsou dosahovány v montážích. Délky pokládaných kabelů klesnou na 50%. Velikosti rozváděčů klesnou na 50% velikosti navrhované v klasickém řešení. Tím lze zabezpečit vyšší krytí rozváděčů (IP65). Rozvaděče je pak možné umístit blíže technologii a tím dojde ke zkrácení kabelů, což vede následně ke snížení rušení, zvýšení spolehlivosti v závislosti na externích přepětích atp..
Referenční řešení TIA na ČOV Firma CHEMTEC industry navrhla pro řízení ČOV Liberec zařízení obsahující prvky z koncepce TIA, které respektovalo zadání zakázky. Nebylo možné navrhnout ideální řešení. Bylo to dáno předchozí koncepcí řízení s více CPU, kterou bylo nutné dodržet. V rámci koncepce TIA byla navržena částečná integrace zařízení elektro (použití integrovaných motorových vývodů, integrace frekvenčních měničů a integrace ovládacích prvků), dále pak použití distribuovaného procesního řízení s využitím V/V jednotek a v neposlední řadě i integrace části zařízení mar (analytika od firmy Hach-Lange) do řídícího systému. Nemohly být využity prvky integrovaného řízení s redundantními CPU a přenosem dat a integrovaného redundantního napájení.
Koncepce TIA připravila zařízení ČOV téměř ideálně na provedení budoucí
optimalizace spotřeb elektrické energie.
W
Výhody koncepce TIA
TIA na ČOV Liberec filtrace
W - V/V modul (ET200S, ET200pro,…) RP - repeater PROFIBUS DP W Ex - V/V modul Eex ia W pneu - V/V modul ET200pro-pneu
centralizace řízení – vyšší spolehlivost – nižší pořizovací náklady
centralizace napájení
W
– nižší provozní náklady na údržbu – nezávislost na vnějším napájení
integrace zařízení elektro
W
– nižší náklady na údržbu – nižší pořizovací náklady
integrace zařízení mar – nižší náklady na údržbu – nižší pořizovací náklady – kvalitnější procesní informace
W
biologické linky
W CPU W
W
CPU RP
dmychárna
Zde navržené řešení je ideálním z hlediska koncepce TIA. Skutečné řešení muselo být přizpůsobeno původnímu řešení řízení s PLC SAIA, které bylo postaveno na bázi řízení pomocí více PLC. Celou ČOV v současné době řídí 8 CPU v provedení bez redundance, které mezi sebou přenášejí značné množství procesních dat.
CPU
W CPU
RP
CPU
trafostanice
2x redundantní CPU W
CPU
RP
CPU W
zpracování kalu
hrubé předčištění mikroCPU řídí ČSOV
W
mikroCPU řídí zahuštění a odvodnění kalu W W Ex, W pneu
W Ex, W pneu
CPU W
kalové a plynové hospodářství
W
dešťové zdrže W
hrubé předčištění
Postup při optimalizaci spotřeby elektrické energie 1.krok – osazení měření spotřeby na přívody podružných rozváděčů biologických linek a dmychárny 2.krok – zahájení záznamu dat o spotřebách 3.krok – osazení měření dalších veličin snímači Hach-Lange na biologickou dvojlinku s největší spotřebou 4.krok – úprava řídicího systému, zpracování algoritmů pro optimalizaci, zavedení dálkové správy řídicího systému 5.krok – roční sledování optimalizace 6.Krok – osazení měření na zbylé dvojlinky další analytika Hach-Lange
ovládání míchadel denitrifikace
průtok recirkulace
obsah kyslíku v nitrifikaci
průtok na odtoku
©CHEMTEC industry
využití PROFIBUS DP
řízení množství vzduchu do nitrifikace
řízení recirkulace
řízení vratného kalu
průtok vratného kalu
Důvody proč je ČOV Liberec dobře připravena pro řízení biologického čištění s ohledem na optimalizaci spotřeby elektrické energie 1. biolinky jsou osazeny všemi prvky potřebnými pro řízení technologie s možností získání informací o spotřebách přes PROFIBUS DP 2. řídicí systém je díky koncepci TIA s PROFIBUS DP připraven pro případné doplnění spotřeb vybraných spotřebičů 3. díky osazení biolinek snímači Hach-Lange připojenými v rámci projektu TIA na PROFIBUS DP je velice jednoduché jejich rozšíření 4. použitý aplikační SW v koncepci procesního řízení TIA je velice jednoduše rozšiřitelný o optimalizační moduly spravované dálkovou správou
Dmychárna ČOV Liberec je osazena 4ks dmychadel o celkovém příkonu 660kW. Dmychadla 12M1.2 a 12M1.4 jsou řízena frekvenčními měniči a dmychadla 12M1.1 a 12M1.3 softstartéry a SIMOCODE. Frekvenční měniče a SIMOCODE komunikují s řídicím systémem pomocí PROFIBUS DP. SIMOCODE byly na dmychárnu nainstalovány za účelem testování pro budoucí nasazení na dalších akcích. Díky SIMOCODE byly již vyhodnoceny nestandardní stavy chování dmychadel, kdy bylo při servisu zjištěno, že jedno z dmychadel vykazuje výrazně vyšší proudové zatížení (o 50A). Vyhodnocení stavu dmychadel není prozatím zařazeno do energetické optimalizace, neboť biologické linky nejsou vybaveny potřebnými snímači provádějícími podrobnější sledování jejich technologických parametrů (NH4-N, NO3-N, REDOX POTENTIAL).
Kapitola 3
Napájení centrální napájení SŘTP 24V DC přes DC UPS v redundantním provedení zdroje 24V DC
DC UPS
centrální napájení přes DC UPS Použití DC UPS SIEMENS řady USV přináší řadu výhod. UPS jsou konstruovány až do 40A. Je možné napojit libovolné autobaterie 2x12V. Tím lze dosáhnout až několikahodinovou výdrž řídícího systému při výpadku externího napájení. Jejich průmyslové provedení umožňuje velmi jednoduchou indikaci stavu napájení v řídicím systému (jsou přímo vybaveny příslušnými digitálními výstupy). Použití těchto UPS spolu s redundantním napájením pomocí výkonných zdrojů SIEMENS řady SITOP je možné zajistit u malých ČOV centrální napájení celého zařízení SŘTP (řídicí systém a polní instrumentace) s rozvodem bezpečného napětí 24V DC do podružných rozváděčů SŘTP ve společných kabelech s komunikačními linkami PROFIBUS DP.
běžné autobaterie
Kapitola 4
Co je podstatné pro dosažení energetických úspor? Především je v řídícím systému k dispozici informace o spotřebě (proudu) každého významného spotřebiče. To umožňuje sledovat přes proud stav strojnětechnologického zařízení a včas učinit příslušná opatření vedoucí ke snížení odběru (např. vyčistit čerpadlo).
Spotřebiče Část 1 – motorové vývody ET200S pro malé spotřebiče
Motorový vývod HF do 7.5kW
obsahuje jednotku měření proudu
Frekvenční měnič HF do 4kW
Vstupně-výstupní moduly
obsahuje jednotku měření proudu
Svorkovnice pro připojení místního ovládání a případně externích ochran motoru Komunikační jednotka PROFIBUS DP nebo PROFINET
Napájecí modul
Motorový vývod 3x400V AC Stav a ovládání motorových vývodů je přenášen po komunikaci do řídicího systému bez nutnosti instalace oddělovacích relé a svorkovnic
Přívod 3x400V AC
= výrazná úspora v montážích rozvaděčů snímek použit se souhlasem firmy SIEMENS
nástěnný rozváděč – krytí IP65
motorové vývody ET200S
hlavní jistič
RS standard
DS standard
motorové vývody
DS HF
komunikační jednotka
jištění skupiny motorových vývodů
Přímé připojení kabelu na motorové vývody
Použití motorových vývodů SIEMENS ET200S přináší řadu výhod. Jednotky jsou konstruovány jako kompaktní motorové vývody do 7.5 kW přímo integrované do řídicího systému. Podíl motorů zařízení do 7.5 kW je na malých ČOV (do 5.000 EO) téměř 100% a na středních ČOV (do 50.000 EO) více jak 80%. Kompaktnost zařízení umožňuje decentralizovanou montáž rozváděčů ELEKTRO s vysokým krytím (typicky IP65) blízko ovládané technologie. Tím dochází ke značné redukci kabelových rozvodů a tím i snížení nákladů na jejich údržbu. Výměna vadného dílu je prováděna zaškoleným pracovníkem s příslušnou kvalifikací bez potřeby jakéhokoliv nářadí. Motorové vývody typu HF umožňují trvalé sledování proudu procházejícího motorem řídicím systémem, což značně zjednodušuje diagnostiku závad strojně-technologického zařízení. Veškeré signály o stavu a ovládání zařízení jsou integrovány v motorovém vývodu, takže rozvaděč ELEKTRO neobsahuje žádná pomocná relé, svorkovnice a příslušné drátové propojení. Tím se výrazně zvyšuje spolehlivost celého zařízení a snižují se investiční náklady na výrobu rozváděčů.
příklad rozváděče pro 9 motorových vývodů PROFIBUS DP + napájení 24V DC
hlavní přívod
V/V jednotka ET200S
V/V jednotka ET200pro
motorové vývody ET200PRO Použití motorových vývodů SIEMENS ET200PRO je vhodné ve speciálních případech, kdy významný podíl zařízení připojených na řídicí systém tvoří pneumaticky ovládané armatury. Tento případ se na ČOV obvykle vyskytuje obvykle v kalovém a plynovém hospodářství.
kalové hospodářství V kalovém hospodářství jsou v současné době při rekonstrukcích ČOV osazovány místo původních 3f pohonů šoupat šoupata s pneumatickými pohony. Důvody jsou dva. Zvýšení spolehlivosti zařízení a zvýšení bezpečnosti provozu zařízení při výpadku elektrického proudu.
plynové hospodářství V plynovém hospodářství jsou armatury s pneumatickými pohony osazovány především kvůli dodržení jiskrové bezpečnosti elektrického zařízení v prostředí ZÓNY 2. Pneumatické pohony je velice výhodné připojovat na jednotky SIEMENS ET200PRO. Tato jednotka se s výhodou může použít i pro připojení motorů do 4 kW prostřednictvím motorového vývodu přímo integrovaného do jednotky.
snímek použit se souhlasem firmy SIEMENS
Motorový vývod HF do 4kW
Je zřejmé, že softstartéry SIRIUS řady 3RW4 jsou integrované motorové vývody. Pokud je možné získat z nich informace prostřednictvím sběrnice PROFIBUS DP nebo jiné, stávají se ideálním prvkem pro optimalizaci energií.
Kapitola 4
Spotřebiče Část 2 – SIRIUS&SIMOCODE pro velké spotřebiče
Co může softstartér SIRIUS přinést pro dosažení energetických úspor? Výkonné softstartéry SIRIUS 3RW4
snímek a část textu použity se souhlasem firmy SIEMENS
Regulace točivého momentu Grafický display (LCD) s podsvícením Komunikace (PROFIBUS DP) Integrovaná ochrana proti přetížení motoru a ochrana softstartéru Nastavitelné proudové omezení Integrovaný systém překlenovacích kontaktů Integrovaná signalizace stavu a poruch Standardní zapojení (In-Line) a zapojení „uvnitř trojúhelníku“ (Inside-The-Delta) Tipování / polohování Rozběh a doběh čerpadla Integrovaná funkce brzdění (DC-brzdění) Kompaktní provedení
snímek a část textu použity se souhlasem firmy SIEMENS
Co může SIMOCODE přinést pro dosažení energetických úspor? Univerzální zařízení SIMOCODE pro C & pro V řídící modul
modul zjišťování elektrických veličin
Velký rozsah ochranných funkcí Ochrana proti přetížení (Class 5 - 40) Termistorová ochrana Hlídání výpadku fáze Ochrana proti asymetrii Ochrana proti zablokování rotoru Hlídání zemního zkratu Hlídání mezních hodnot proudu Hlídání počtu provozních hodin Hlídání doby prostoje Hlídání počtu startů
ovládací modul
Dostupnost zařízení přes PROFIBUS DP
Přímé spouštění motoru. Reverzační spouštění motoru. Spouštění motoru přepínáním Y/D. Spouštění motoru přepínáním Y/D s reverzací Dvouotáčkové motory s odděleným vynutím (pólový přepínač), také s reverzací. Dvouotáčkové motory, Dahlanderovo zapojení, také s reverzací. Šoupátkový ventil. Řízení ventilu. Ovládání jističe. Ovládání softstartéru. Ovládání softstartéru se změnou směru otáčení.
Rozšířené hlídací funkce: Hlídání teploty Pt100/ Pt1000 Hlídání napětí Hlídání výkonu Hlídání cos fi Rozeznání sledu fází Vstup, výstup a hlídání signálu 0/4-20 mA
Kapitola 4
snímek a část textu použity se souhlasem firmy SIEMENS
Spotřebiče Část 3 – SINAMICS pro řízené spotřebiče
Základní funkce frekvenčních měničů SINAMICS vektorové/ momentové řízení s/ bez otáčkové vazby, V/f, FCC 3 řídící a motorové sady, přepínatelné BICO technologie –SW propojení funkčních bloků přesné zastavení na definovaný počet otáček hřídele pevné frekvence nebo elektronický potenciometr pro nastavení otáček diagnostika, hlášení a signalizace poruch tipovací funkce nastavitelné rozběhy a doběhy včetně zaoblení pro měkký rozjezd automatický start po výpadku , letmý start řízení motorové brzdy kompenzace skluzu v U/f režimu nebo momentová kompenzace u vektorového řízení programovatelná U/f charakteristika, nastavitelné charakteristiky zátěže nastavitelné spínací frekvence pro tichý chod motoru stejnosměrné nebo dynamické brzdění(u PM240) identifikace motoru a optimalizace nastavení měniče sledování momentu PID technologický regulátor volně programovatelné funkční bloky–logické funkce, časovače, komparátory, mat.funkce komparátory: 5 frekvenčních, 1 proudový, 1 napěťový, 1momentový
Měření frekvence, otáček, proudu, napětí, momentu, výkonu, teploty, spotřeby energie, provozního času = úspora elektrické energie
Kapitola 5
Měření
snímek a část textu použity se souhlasem firmy SIEMENS
SENTRON PAC
SENTRON PAC3200 Široké spektrum funkcí >> zapotřebí je pouze jedna varianta pro různé úkoly měření >> úspora skladových a pořizovacích nákladů. Jednoduchá a rychlá montáž šetří náklady při instalaci. Úspora místa a nákladů, protože lze připojit na napájecí síť do 690V bez měřicího transformátoru napětí. Nejsou zapotřebí žádné drahé měřicí transformátory napětí. Rozsáhlé a precizní měření energie k zjištění spotřeby tvoří základ pro identifikaci potenciálu úspor v zařízení. Rozmanité měřicí a hlídací funkce SENTRONu PAC3200 přispívají nepřímo ke zvýšení bezpečnosti při výpadcích, protože poruchy mohou být včas rozpoznány. Snadná integrace do automatizačních systémů nebo systémů řízení odběru energie (Power Management), jako např. SIMATIC powercontrol nebo SIMATIC PCS 7 powerrate. Díky volitelnému rozhraní PROFIBUS šetří čas a náklady při zavádění do provozu.
Na první pohled je SENTRON běžný analyzátor sítě. Ve skutečnosti se nejedná o běžný analyzátor, neboť v provedení s připojením na ethernet, PROFIBUS DP nebo MODBUS RTU/TCP poskytuje veškerý komfort standardního analyzátoru s přímým přenosem dat do řídicího systému za cenu několika tisíc korun.
