book - Mining - Informatics, Automation and Electrical
Transkrypt
book - Mining - Informatics, Automation and Electrical
CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE NR 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Wersja pierwotna wydania INNOWACYJNE WYROBY PROCESY TECHNOLOGICZNE MECHANIKA ENERGOELEKTRONIKA AUTOMATYKA INFORMATYKA TECHNICZNA TELEKOMUNIKACJA AEROLOGIA ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕХАНИКА ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА АВТОМАТИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ АЭРОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ INNOVATIVE PRODUCTS MANUFACTURING PROCESSES MECHANICS POWER ELECTRONICS AUTOMATICS TECHNICAL INFORMATICS TELECOMMUNICATION AEROLOGY NATURAL HAZARDS AND SAFETY ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION ORGANISATION AND MANAGEMENT PL ISSN 0208-7448 Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG SPIS TREŚCI str. 5 1. Inteligentne przetworniki prądowe w automatyce elektroenergetycznej mgr inż. Paweł Wlazło mgr inż. Radosław Przybysz 2. Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB HDI 12 dr inż. Aleksander Lisowiec dr hab. inż. Andrzej Nowakowski 3. System nadzorujący pracę baterii akumulatorów (BMS) w celu zwiększenia bezpieczeństwa ich funkcjonowania i żywotności stosowanych ogniw 18 mgr inż. Wojciech Kurpiel mgr inż. Bartosz Polnik prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński 4. Zwiększenie możliwości przesyłowych napowietrznych linii elektroenergetycznych z zachowaniem wymaganego poziomu bezpieczeństwa 28 mgr inż. Łukasz Staszewski dr inż. Marcin Habrych 5. Koncepcja i uwarunkowania zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym przedsiębiorstw górniczych 36 mgr inż. Rafał Polak 6. Wykorzystanie metody CFD do obliczania natężenia przepływu medium w zaworach przelewowych sekcji obudowy zmechanizowanej 49 mgr inż. Marcin Janota dr inż. Krzysztof Władzielczyk 7. Wybrane zagadnienia hierarchicznego sterowania i zarządzania w zakładzie przeróbki węgla – cz. II 56 dr hab. inż. Joachim Pielot Rada Programowa Wydawnictw Instytutu EMAG: Przewodniczący Rady – prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz, Instytut EMAG Sekretarz Rady – dr hab. inż. Stanisław Trenczek, prof. nadzw. Instytutu EMAG Członkowie: mgr inż. Marek Chagowski, Lubelski Węgiel „Bogdanka” S.A.; prof. dr hab. inż. Piotr Czaja, AGH; prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, Politechnika Śląska; prof. dr hab. inż. Józef Dubiński, Główny Instytut Górnictwa; prof. dr hab. inż. Monika Hardygóra, CUPRUM; prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk, Politechnika Śląska; dr hab. inż. Andrzej Kwiecień, prof. nadzw. Politechniki Śląskiej; prof. dr hab. inż. Stanisław Kozielski, Politechnika Śląska; prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, Politechnika Wrocławska; dr inż. Roman Pilorz, doc. Politechniki Śląskiej; dr hab. inż. Janusz Reś, prof. nadzw. AGH; prof. dr hab. inż. Wacław Trutwin, Instytut EMAG; prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, Instytut Mechaniki Górotworu PAN; prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta, AGH Komitet Redakcyjny: Redaktor naczelny – dr inż. Piotr Wojtas Zastępca redaktora naczelnego – dr hab. inż. Stanisław Trenczek Sekretarz redakcji – mgr Waldemar Cichoń Redaktorzy tematyczni: dr inż. Włodzimierz Boroń (Innowacyjność w technice, Organizacja i zarządzanie), prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk (Automatyka, Procesy technologiczne), dr hab. inż. Janusz Reś, prof. nadzw. AGH (Mechanika), dr hab. Marek Sikora (Metody obliczeniowe w systemach monitorowania), dr hab. inż. Stanisław Trenczek (Aerologia, Zagrożenia naturalne i bezpieczeństwo), prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski (Telekomunikacja, Informatyka), dr hab. inż. Marian Wójcik, prof. nadzw. AGH (Energoelektronika, Ekologia i ochrona środowiska) Redaktor językowy: dr Mariusz Pleszak Adres redakcji: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. 32 2007700, 2007570 fax: 32 2007703, e-mail: [email protected], www.miag.emag.pl Nakład: 150 egz. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 ROK LII П. ВЛЯЗЛО Р. ПШИБЫШ P. WLAZŁO R. PRZYBYSZ INTELLIGENT CURRENT-MODE CONVERTERS IN AUTOMATIC CONTROL OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING The article features solutions which allow to design algorithms operating in a station and in bays which use intelligent current-mode converters. The authors presented sample solutions based on different communication protocols, including IEC 61850. A field controller and a current-mode converter were discussed, along with information transfer from the converter to the controller. Finally, the infrastructure of an electrical power engineering station was described as well as automatic control of the system snubbing. A. LISOWIEC A. NOWAKOWSKI FREQUENCY PARAMETERS OF CURRENT-MODE CONVERTERS MADE IN PCB AND HDI TECHNOLOGIES ИНТЕЛЛИГЕНТНЫЕ ТОКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АВТОМАТИКЕ В статье представляются решения для проектирования алгоритмов, работающих в станции, а также в распределительных ячейках, использующих интеллигентные токовые преобразователи. Рассматриваются примеры решений, основанных на различных коммуникационных протоколах, в том числе на IEC 61850. Охарактеризовывается контроллер ячеек и интеллигентный токовый преобразователь. Рассматривается передача информации от преобразователя к контроллеру. Описывается структура электроэнергетической станции и автоматика токовой разгрузки системы. А. ЛИСОВЕЦ А. НОВАКОВСКИЙ ЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ В ТЕХНОЛОГИИ PCB1 HDI2 The article presents the measurement results and analysis of frequency characteristics of current-mode converters made with the use of the PCB HDI technology. First the structure of rodless PCB HDI converters was discussed. Then the values of the elements of an equivalent circuit in a rodless converter were determined. Finally, the authors discussed the frequency characteristics of rodless converters made with the use of either the traditional PCB technology or the HDI technology. В статье представляются результаты измерений и анализ частотных характеристик токовых преобразователей, выполненных в технологии PCB HDI. Сперва рассматривается конструкция бессердечниковых преобразователей, выполненных в технологии PCB HDI. Затем указываются значения элементов эквивалентной схемы преобразователя. В конце приводятся частотные характеристики бессердечниковых преобразвателей, выполненных в традиционной технологии РСВ и в технологии HDI. W. KURPIEL B. POLNIK B. MIEDZIŃSKI В. КУРПЕЛЬ Б. ПОЛЬНИК Б. МЕДЗИНЬСКИЙ BATTERY MONITORING SYSTEM FOR BETTER SAFETY OF BATTERIES AND LONGER LIFETIME OF CELLS The article features a system for monitoring the work of batteries (BMS) with a view to increase their safety and extend the lifetime of cells. The basic functions of the system were presented and the method of their execution. In the end some practical conclusions were drawn. СИСТЕМА, КОНТРОЛИРУЮЩАЯ РАБОТУ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ (BMS), С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В статье представляется концепция решения в области системы, контролирующей работу аккумуляторной батареи (BMS), направленной на повышение безопасности их эксплуатации и работоспособности используемых аккумуляторов. Определяются основные функции системы и порядок их реализации. Формулируются соответствующие практические выводы. Ł. STASZEWSKI M. HABRYCH INCREASED TRANSMISSION CAPABILITIES OF OVERHEAD POWER LINES IN COMPLIANCE WITH THE REQUIRED SAFETY LEVEL The article presents the possibilities to use Dynamic Power Line Rating to increase transmission capabilities of the existing overhead power lines, in compliance with the required safety standards. Additionally, the authors discussed the revised operation of distance protection equipped with a new algorithm which is able to recognize controlled overload and distinguish it from failures. Л. СТАШЕВСКИЙ М. ХАБРЫХ УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С СОБЛЮДЕНИЕМ ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ В статье представляются возможности использования Динамической нагрузочной способности линии с целью повышения пропускной способности передачи существующих воздушных линий при одновременном соблюдении требуемых норм безопасности. Представляется также исправленное действие дистанционной защиты, оснащенной новым алгоритмом, распознавающим контролируемую перегрузку и отличающим её от аварийных ситуаций. 4 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA R. POLAK Р. ПОЛЯК CONCEPT AND CONDITIONS OF AN INTEGRATED SYSTEM FOR THE MANAGEMENT OF INDUSTRIAL PROPERTY OF MINING COMPANIES КОНЦЕПЦИЯ И УСЛОВИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ФОНДОМ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ The article features a development concept and basic conditions of an integrated system for the management of industrial property of underground mining companies. Special focus was put on the integration of the existing information layers and the efficiency assessment of projects undertaken in the realm of machinery stock management. As a result of that, important factors were identified which determine the efficiency of a target solution, along with functional aspects of the system for complex monitoring of life cycles of the basic manufacturing stock. В статье представляется концепция строения и основные условия практической разработки интегрированной системы управления производственным фондом в подземной горной промышленности. Особое внимание уделяется вопросам интеграции существующих информационных плоскостей и оценки эффективности мер, предпринимаемых в области управления машинным парком. В результате определяются важные группы факторов, влияющих на эффективность конечного решения и ключевые функциональные аспекты системы, выполняющей комплексный надзор за жизненным циклом основных средств производства. M. JANOTA K. WŁADZIELCZYK THE USE OF THE CFD METHOD TO CALCULATE THE FLUID DYNAMICS IN BY-PASS VALVES OF POWER SUPPORTS The article features the possibilities and method to calculate the dynamics of fluids passing through by-pass valves used in a hydraulic system of power supports. For a sample DN10/4,5 valve the dynamics of the passing fluid was calculated with the use of the AUTODESK SIMULATION CFD 2013 program. The results were compared with the results of calculations made with the use of an analytical method. This allowed to draw some conclusions about the accuracy of both methods. J. PIELOT SELECTED ISSUES OF HIERARCHICAL CONTROL AND MANAGEMENT IN A COAL PROCESSING PLANT – PART 2 In the first part of the article [16] the author discussed the issues of functional and spatial decomposition of the control objective along with the layered structure of control and management in a coal processing plant. In the second part, the author characterized the models of the controlled object in different layers of the hierarchical control and management, as well as the properties of control algorithms in the hierarchical structure. Additionally, the issues of production plans were discussed along with the issues of optimizing the steady state of automated processes. М. ЯНОТА К. ВЛАДЗЕЛЬЧИК ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА CFD ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ В ПЕРЕЛИВНЫХ КЛАПАНАХ СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ В статье представляются возможности и метод вычисления интенсивности потока рабочей жидкости в переливных клапанах, используемых в гидравлической системе секции механизированной крепи. Для образца клапана DN10/4,5 вычисляется интенсивность потока рабочей жидкости с помощью программы Autodesk Simulation CFD 2013. Результаты данных вычислений сопоставляются с результатами вычислений, полученных аналитическим путём. Это позволило сделать выводы о точности двух методов вычисления интенсивности потока рабочей жидкости в переливных клапанах. Й. ПЕЛЁТ ВЫБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ИЕРАРХИЧНОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ В ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКЕ УГЛЯ – ЧАСТЬ II В первой части статьи [16] обсуждались вопросы пространственного и функционального разложения цели управления и слоистая структура контроля и управления в обогатительной фабрике каменного угля. Во второй части охарактеризовываются модели объекта управления в различных слоях иерархической структуры контроля и управления, а также свойства алгоритмов контроля в иерархической структуре. Также обсуждаются вопросы производственных планов и текущей оптимизации установленного состояния автоматизированных процессов. mgr inż. PAWEŁ WLAZŁO mgr inż. RADOSŁAW PRZYBYSZ Instytut Tele- i Radiotechniczny Inteligentne przetworniki prądowe w automatyce elektroenergetycznej W artykule przedstawiono rozwiązania pozwalające na zaprojektowanie algorytmów działających w stacji oraz w polach rozdzielczych wykorzystujących inteligentne przetworniki prądowe. Omówiono przykładowe rozwiązania bazujące na różnych protokołach komunikacyjnych, w tym na IEC 61850. Scharakteryzowano sterownik polowy i inteligentny przetwornik prądowy. Omówiono przepływ informacji od przetwornika do sterownika. Opisano infrastrukturę stacji elektroenergetycznej oraz automatykę prądowego odciążania systemu. 1. WSTĘP Większość systemów sterowania sieci rozdzielczych energii elektrycznej projektowana jest zgodnie z technologią opierającą się na wykorzystaniu linii przewodowych i przesyłaniu za ich pomocą sygnałów dwustanowych. Taka topologia systemu wymaga zastosowania dużej ilości linii przewodowych do uzyskania i przekazania niezbędnych informacji dla poprawnego funkcjonowania systemu automatyki elektroenergetycznej. Alternatywą jest wykorzystanie łączy transmisji szeregowej do przesyłania informacji między inteligentnymi elementami infrastruktury, w szczególności między urządzeniami pomiarowymi a wykonawczymi. Takie rozwiązanie pozwala zredukować wymaganą liczbę linii przewodowych koniecznych do poprawnego funkcjonowania systemu automatyki elektroenergetycznej oraz liczby wejść i wyjść dwustanowych w sterownikach polowych. Obecnie realizacja systemu automatyki stacyjnej zgodnie z wymaganiami użytkownika nie stanowi większego problemu. Dzięki zastosowaniu do jej realizacji inteligentnych sterowników polowych z zaimplementowanym mechanizmem logiki użytkownika można zaprojektować i zrealizować praktycznie każdą automatykę, np.: LRW, SZR lub odciążania prądowego systemu. Klasyczne rozwiązanie bazuje na przesyłaniu informacji między polami z wykorzystaniem wejść i wyjść dwustanowych. Dodając informacje pochodzące z łączy komunika- cyjnych, rozwiązanie się upraszcza lub otwierają się nowe możliwości związane z większym dostosowaniem logiki do potrzeb poszczególnych pól, bez konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów na infrastrukturę komunikacyjną. W szczególnym przypadku takie rozwiązanie pozwala zredukować wymaganą liczbę linii przewodowych koniecznych do poprawnego funkcjonowania systemu automatyki elektroenergetycznej jedynie do linii transmisyjnych łączących urządzenia systemu [1]. Dodatkowo zapewnia rozszerzenie ilości przesyłanych danych i sygnałów pomiędzy urządzeniami o wartości mierzone: prądów i napięć (RMS, kąty między nimi, wartości harmonicznych), sygnałów analogowych z czujników zainstalowanych w sekcjach pola rozdzielczego (np.: temperatury) oraz przesyłanie złożonych poleceń sterujących z inteligentnej sieci „Smart Grid”. Ważnym elementem takiego rozwiązania jest zastosowanie inteligentnych przetworników prądu i napięcia, czyli takich, które pozwolą na bezpośrednie dołączenie do magistrali transmisyjnej i będą udostępniać zmierzone wartości w postaci cyfrowej, zsynchronizowane ze sobą dla całego obiektu. 2. STEROWNIK POLOWY Na rys. 1. przedstawiono schemat blokowy inteligentnego sterownika polowego [2]. Głównym jego modułem jest jednostka centralna składająca się 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA z jednego lub kilku procesorów (rdzeni), odpowiedzialna za wykonywanie algorytmów zabezpieczeń i automatyk (logikę użytkownika), obsługę wejść i wyjść analogowo-cyfrowych, komunikację oraz obsługę interfejsu użytkownika. Połączona jest ona z pozostałymi modułami urządzenia łączami szere- gowymi (np. SPI) lub równoległymi (np. magistrala danych 16-bitowa). Wraz ze wzrostem funkcjonalności i klasy sterownika w urządzeniu są instalowane inteligentne moduły, wyposażone we własne mikrokontrolery (rys. 2). Rys. 1. Schemat blokowy inteligentnego sterownika polowego [2] Rys. 2. Schemat blokowy inteligentnego sterownika polowego z inteligentnymi modułami [2] W chwili obecnej coraz częściej można spotkać sterowniki składające się z kilku części. Rozszerzanie urządzenia o kolejne wejścia/wyjścia odbywa się na zasadzie dołączania kolejnych części/modułów do urządzenia łączami komunikacyjnymi, np.: RS-485, CANBUS, Ethernet (rys. 3). W takim rozwiązaniu jednostka centralna pełni dodatkowo rolę „mastera” zarządzającego komunikacją z modułami. Przesyłanie danych z i do modułów odbywa się z wykorzy- staniem specjalizowanych protokołów opracowanych przez producenta. Zastosowanie do wymiany danych między jednostką centralną a modułami zewnętrznymi określonych standardów komunikacyjnych pozwala na zbudowanie rozproszonego sterownika polowego (rys. 4). W chwili obecnej najlepszym rozwiązaniem wydaje się Ethernet przemysłowy z zaimplementowanym standardem IEC 61850. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 7 Rys. 3. Schemat blokowy inteligentnego sterownika polowego z modułami zewnętrznymi [3] Rys. 4. Schemat blokowy rozproszonego inteligentnego sterownika polowego [3] Dysponując takim sterownikiem, można w znaczny sposób zoptymalizować budowę i działanie stacji elektroenergetycznej w zakresie opomiarowania, sygnalizacji, sterowania oraz realizacji automatyk stacyjnych. Moduły, które dotychczas stanowiły integralne części urządzeń zabezpieczeniowych, zostały wydzielone w taki sposób, że mogą pracować samodzielnie i być „elementami” kilku sterowników, tzn. udostępniać dane pomiarowe dla kilku urządzeń lub wykonywać polecenia sterujące pochodzące od różnych jednostek centralnych [4]. Na rys. 5. przedstawiono schemat blokowy stacji elektroenergetycznej wykorzystującej rozproszone sterowniki polowe [5]. Należy zwrócić uwagę na następujące kwestie: wszystkie urządzenia są dołączone do koncentratora (serwera danych), który udostępnia dane dla urządzeń stacyjnych oraz systemu SCADA, urządzenia wykonawcze (np. moduły sterownia wyłącznikiem) mogą być zintegrowane z wyłącznikiem, nie muszą wchodzić w skład sterownika i stanowić wydzielonych specjalizowanych modułów, urządzenia pomiarowe są instalowane w odpowiednich miejscach i posiadają funkcjonalność potrzebną dla prawidłowego działania stacji. MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 8 Rys. 5. Schemat blokowy stacji elektroenergetycznej z rozproszonymi sterownikami polowymi [5] 3. INTELIGENTNY PRZETWORNIK PRĄDOWY Obecnie na rynku dostępna jest niewielka liczba inteligentnych sensorów wyposażonych w światłowodowe łącza transmisyjne [3]. Najczęściej inteligentne sensory są realizowane poprzez połączenie klasycznego przekładnika z inteligentnym urządzeniem zabezpieczeniowym. Wadą takiego rozwiązania są wysoki koszt oraz duża ilość miejsca wymaganego do instalacji. Pomimo tych problemów wykorzystanie inteligentnych modułów kontrolno-sterujących jest coraz częstsze nawet w stacjach elektroenergetycznych wykonanych w sposób klasyczny. Zastosowanie inteligentnych urządzeń do pomiarów prądów i napięć dopiero wchodzi w erę zastosowań praktycznych. Najbardziej poszukiwanym rozwiązaniem są urządzenia z zasilaniem autonomicznym i zewnętrznym (rys. 6). Jeśli planowane jest wykorzystanie zasilania autonomicznego, to należy dobrać taką wersję, która będzie działała od 5% In (In – prąd nominalny). Inteligentne urządzenia pomiarowe (sensory) można podzielić na dwie grupy: z łączami transmisyjnymi miedzianymi i światłowodowymi. Miedziane są tań- sze, ale wymagają stosowania dodatkowych zabezpieczeń od zakłóceń elektromagnetycznych i izolacji napięciowej. Łącza światłowodowe (najczęściej wykonane w technologii plastikowej) nie posiadają tych niedogodności, ale są bardziej energochłonne, co znacznie komplikuje urządzenia w przypadku zasilania autonomicznego. 4. PRZESYŁ INFORMACJI OD PRZETWORNIKA DO STEROWNIKA Bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na działanie automatyki rozproszonej, w tym układów pomiarowych i sterowników polowych o architekturze rozproszonej, jest czas opóźnienia, wynikający z przesłania informacji o wartości RMS od przetwornika do jednostki centralnej. Należy przyjąć, że w klasycznym rozwiązaniu sterownika polowego (rys. 1 i 2) czas ten jest pomijalnie mały w stosunku do okresu sieci. W omawianym rozwiązaniu (rys. 4 i 5), należy założyć, że gwarantowany czas przesłania danych powinien wynosić nie więcej niż 5 ms. Oprócz stosowania metody cyklicznego przekazywania informacji można zastosować mechanizm Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Rys. 6. Schemat blokowy inteligentnego przetwornika prądowego z zasilaniem autonomicznym [3] Rys. 7. Przykład infrastruktury teleinformatycznej z inteligentnymi przekładnikami prądowymi (T1,T2,T3,T4,T5) w dwusekcyjnej stacji rozdzielczej [5] 9 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA samoistnego wysyłania informacji, np. w przypadku znacznego wzrostu wartości RMS. Stosując specjalizowane rozwiązania sprzętowo-programowe, informacje od inteligentnych sensorów do jednostki centralnej sterownika można przesłać w czasie poniżej 0,01 ms, co pozwala na przekazywanie z sensorów pojedynczych próbek sygnału, a nie tylko wartości RMS. Ciąg próbek odebrany przez jednostkę centralną sterownika polowego pozwala na wyliczenie zależności między sygnałami prądowymi w poszczególnych fazach, czyli amplitud i kątów. Dane te mogą być też zapisane w rejestratorze zakłóceń oraz być wykorzystywane do analizy zawartości harmonicznych w analizatorze jakości energii. Najwyższy poziom wymagań czasowych w standardzie IEC 61850, wykorzystywany w mechanizmie GOOSE, wymaga przesłania informacji między urządzeniami w czasie poniżej 3 ms. W przypadku rozwiązań wykorzystujących klasyczne przekładniki prądowe informacje o aktualnej wartości RMS najczęściej są wyliczane co 10 ms na podstawie próbek zebranych za ostatni okres. Omawiany inteligentny sensor udostępnia cyklicznie co 10 ms wartość RMS sygnału prądowego, podobnie jak w typowych sterownikach polowych przedstawionych na rysunkach 1. i 2. Zintegrowanie trzech przetworników w jedno urządzenie pozwala na przesyłanie wartości RMS dla każdej z faz oraz kątów między nimi jednym łączem komunikacyjnym do jednostki centralnej sterownika. sieci: gwiazdy, magistrali lub pierścienia. Wybór konkretnego układu sieci dla danego obiektu lub urządzeń podyktowany jest indywidualną specyfiką ich funkcjonowania. Przykładowo elementy pomiarowe o krytycznym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania systemu przyłączone są bezpośrednio do koncentratora. Zapewnia to przesyłanie danych (pomiarowych, o stanie łączników, sygnalizacji alarmowej) z priorytetem wyższym niż np.: komunikatów do systemu dyspozytorskiego oraz zapewnia nieograniczony dostęp do magistrali komunikacyjnej. Rozwiązanie to otwiera zatem nowe możliwości przed projektantami rozdzielni elektrycznych. Pozwala na budowę rozproszonego systemu sterownia i zabezpieczeń. Każde urządzenie zainstalowane w sieci może dowolnie korzystać z danych pomiarowych, sygnałów kontrolnych oraz sterować innymi elementami (inteligentnymi modułami), bez pośrednictwa jednostek centralnych sterowników znajdujących się w danym polu. 5. INFRASTRUKTURA STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ Schemat budowy infrastruktury teleinformatycznej nowoczesnej stacji rozdzielczej energii elektrycznej przedstawiono na (rys. 7). Połączenia międzypolowe oraz połączenia z przetwornikami pomiarowymi realizowane są na drodze cyfrowej, przy użyciu łącz szeregowych Ethernet oraz protokołów komunikacyjnych: IEC 61850 (DNP 3.0, Modbus TCP). Wszystkie elementy infrastruktury teleinformatycznej podłączone są do wspólnego węzła, tzw. koncentratora, który zapewnia wzajemną komunikację wszystkich elementów ze sobą. Dodatkowo nadzoruje on i optymalizuje ruch sieciowy tak, aby nie następowało przeciążenie łącz komunikacyjnych oraz polecenia priorytetowe były wykonywane w pierwszej kolejności. Zapewnia ponadto połączenie z siecią zewnętrzną np.: lokalną siecią dyspozytorską, nadrzędnym systemem utrzymania ruchu, systemem opomiarowania AMI lub systemem SCADA. Jako topologię połączeń wykorzystane mogą być następujące układy 6. AUTOMATYKA PRĄDOWEGO ODCIĄŻANIA SYSTEMU Przykładowy schemat automatyki prądowego odciążania systemu, działającej na podstawie wartości prądów mierzonych przez inteligentne przekładniki prądu T1 i T2 (rys. 7), przedstawiono na rys. 8. Przekładniki T1 i T2 są reprezentowane na schemacie poprzez bloki funkcyjne REG_TINPUT i parametr „Numer IP nadawcy”. Każdy element dołączony do systemu teleinformatycznego jest określony poprzez unikalny numer IP. W celu pozyskania informacji pomiarowej z konkretnego przekładnika wystarczy znać jego numer IP oraz numer pomiaru, jaki się chce wykorzystać. Wartość pomiarowa po porównaniu z wartością kryterialną i uwzględnieniu zależności logicznych, np. stanu położenia łączników, za pomocą bloków funkcyjnych REG_TOUTPUT przekazywana jest dalej, np. do układu sterowania łącznikiem głównym w polu P3. Zgodnie z przedstawionym schematem i sposobem funkcjonowania w każdym momencie może nastąpić pełna rekonfiguracja działania automatyki. 7. PODSUMOWANIE Dużą zaletą opisanej wyżej infrastruktury jest możliwość zaimplementowania przedstawionej automatyki w dowolnym z pól P1 i P2, a w szczególnym przypadku również w polach P3, P4 i P5 lub Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 11 Rys. 8. Przykład automatyki prądowego odciążania systemu w polu zasilającym [5] w koncentratorze (rys. 7). Taka wszechstronność ma szczególne znaczenie przy wprowadzaniu dodatkowych algorytmów w już zainstalowanych sterownikach, których możliwości w zakresie wprowadzenia dodatkowej logiki mogą być ograniczone. Zastosowanie inteligentnych sensorów i wspólnej sieci komunikacyjnej oraz mechanizmów logiki programowalnej zapewnia elastyczność i dużą swobodę w dostosowaniu funkcjonowania stacji elektroenergetycznej do potrzeb obiektu i klienta. Rozwiązanie wykorzystujące teletransmisję danych pomiarowych, kontrolnych oraz sterujących stanowi kolejny krok w automatyzacji procesów w energetyce. Pozwala na realizację zarówno nowych typów automatyk, jak i ich postaci klasycznych w nowy sposób, optymalizując tym samym strukturę systemu. Istotnym elementem przy projektowaniu logiki obiektów wykorzystujących inteligentne urządzenia jest oprogramowanie narzędziowe. Powinno ono pozwalać na: wykonanie projektu logiki działania całej stacji oraz poszczególnych pól, wykonanie symulacji działania poszczególnych pól oraz całego obiektu, wykrycie błędów lub potencjalnych problemów pod względem działania logiki oraz czasu jej wykonywania, załadowanie plików logiki do urządzeń, obsługę urządzeń różnych producentów. Największym problemem jest punkt ostatni, choć oczywiście przestaje on być istotny w sytuacji, gdy stosowane są urządzenia tego samego producenta. Zastosowanie inteligentnych sensorów pomiarowych obok modułów kontrolno-sterujących prowadzi do prostej optymalizacji wyposażenia, a więc i ceny obiektu. Pozwala na korzystanie tylko z potrzebnej liczby urządzeń realizujących wyłącznie wymagane funkcje. Rozwiązania takie przyczyniają się do rozwoju rozproszonych sterowników polowych, w których dużego znaczenia nabiera warstwa komunikacyjna. Literatura 1. Andrzejewski M., Gacek A.: Przepływ energii i informacji w tradycyjnych i inteligentnych sieciach elektroenergetycznych smart grids. „Automatyka Elektroenergetyczna”, 2013, nr 3. 2. Broda K., Przybysz R., Wlazło P.: Algorytmy w sterownikach polowych stosowane do automatycznego odwadniania kopalni. „Elektronika”, 2013, nr 4. 3. Michalski P., Kardyś W., Kołodziejczyk Z.: Autonomiczna jednostka pomiarowa dla sieci Smart Grid. „Wiadomości Elektrotechniczne”, 2013, nr 11. 4. Kuźmiński A., Rup A.: Wybrane aplikacje ITR dedykowane do sieci Smart Grids. „Elektro.info”, 2013, nr 1. 5. Przybysz R., Wlazło P.: Wykorzystanie standardu Ethernet w rozwiązaniach automatyk i zabezpieczeń sieci rozdzielczej SN. „Elektro.info”, 2014, nr 4. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. dr inż. ALEKSANDER LISOWIEC dr hab. inż. ANDRZEJ NOWAKOWSKI Instytut Tele- i Radiotechniczny Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB1 HDI2 W artykule przedstawiono wyniki pomiarów oraz analizę charakterystyk częstotliwościowych przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB HDI. Najpierw omówiono konstrukcję bezrdzeniowych przetworników wykonanych w technologii PCB HDI. Następnie określono wartości elementów układu zastępczego przetwornika bezrdzeniowego. Na koniec przytoczono charakterystyki częstotliwościowe przetworników bezrdzeniowych wykonanych w tradycyjnej technologii PCB oraz w technologii HDI. 1. WSTĘP Przetworniki prądowe pracujące na zasadzie cewki Rogowskiego, wykonane w tradycyjnej technologii wielowarstwowych PCB, charakteryzują się szerokim zakresem częstotliwości pracy. Częstotliwość rezonansu własnego tych przetworników wynosi powyżej 100 kHz, a błąd fazy oraz amplitudy w zakresie do 20 kHz jest pomijalny. Zastosowanie technologii PCB HDI do konstrukcji tych przetworników ma na celu zwiększenie ich czułości. Wiąże się to jednak ze zmianami parametrów elektrycznego układu zastępczego, a zwłaszcza ze wzrostem rezystancji oraz indukcyjności własnej przetworników. Powoduje to obniżenie częstotliwości rezonansu własnego, a tym samym zwężenie zakresu częstotliwości pracy.12 Bezrdzeniowe przetworniki prądowe pracujące na zasadzie cewki Rogowskiego, wykonane w tradycyjnej technologii wielowarstwowych obwodów drukowanych, o szerokości ścieżki powyżej 100 µm i odstępie między ścieżkami powyżej 100 µm, charakteryzują się czułością do 5 mV/A [1, 2]. Wykorzystanie takich przetworników do pomiaru prądów o wartości skutecznej poniżej 1 A wiąże się z dużą niepewnością pomiaru z powodu małej wartości 1 2 PCB (ang. Printed Circuit Board) – płytka drukowana. HDI (ang. High Density Interconnect) – wysoka gęstość połączeń (upakowania). sygnału wyjściowego. Istnieje zapotrzebowanie na przetworniki prądowe o większej czułości, które mogłyby zostać zastosowane do pomiaru prądów o małych wartościach. Rozszerzenie dolnego zakresu mierzonych prądów poniżej 1 A wymaga zastosowania przetworników o czułości powyżej 5 mV/A. Zwiększenie czułości bezrdzeniowych przetworników prądowych jest możliwe przez zastosowanie technologii wielowarstwowych obwodów drukowanych o wysokiej gęstości połączeń – HDI (ang. High Density Interconnect). 2. KONSTRUKCJA BEZRDZENIOWYCH PRZETWORNIKÓW WYKONANYCH W TECHNOLOGII PCB HDI Technologia HDI charakteryzuje się mniejszą szerokością ścieżek obwodu drukowanego (poniżej 100 µm) oraz mniejszym odstępem między ścieżkami niż tradycyjna technologia PCB [3]. Większa gęstość mozaiki obwodu drukowanego pozwala stworzyć na tej samej powierzchni obwodu drukowanego większą ilość spiralnych zwojów tworzących przetwornik. Przekłada się to bezpośrednio na zwiększoną czułość przetwornika. Na rys. 1. ukazano płytkę wielowarstwową – tzw. listek z naniesioną spiralnie cewką – wykonaną w technologii HDI. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 13 Rys. 1. Cewka spiralna wykonana w technologii PCB HDI [3] Zmniejszenie szerokości ścieżek oraz zwiększenie długości ścieżki miedzi tworzącej przetwornik powoduje zwiększenie indukcyjności własnej przetwornika oraz zwiększenie jego rezystancji. Teoretycznie rezystancja przetwornika o dwukrotnie większej liczbie zwojów oraz szerokości ścieżki zmniejszonej w stosunku 75% do przetwornika o rezystancji 1 k, wykonanego w tradycyjnej technologii PCB, powinna wzrosnąć 2/0,75 razy, czyli do wartości ok. 2,7 k. W praktyce rezystancja przetwornika zależy od rodzaju laminatu – grubości warstwy miedzi, z której jest wykonany przetwornik – oraz od samego procesu trawienia. Wraz ze zmniejszaniem się grubości ścieżki zwiększają się jej podtrawienia, co ma znaczny wpływ na rezystancję. Pomiary rezystancji przetworników wykonanych w technologii PCB HDI wykazują, że rezystancja przetworników o dwukrotnie większej liczbie zwojów przekracza nawet wartość 20 k [3]. Zakres częstotliwości pracy przetworników bezrdzeniowych wykonanych w tradycyjnej technologii jest znacznie większy od zakresu częstotliwości, które uwzględnia się przy pomiarze sygnałów prądowych w energetyce [4, 5, 6]. Zakres ten zależy od wartości elementów elektrycznego układu zastępczego przetwornika – indukcyjności własnej L, pojemności międzyzwojowej C i rezystancji R. Ponieważ wartości elementów elektrycznego układu zastępczego przetwornika bezrdzeniowego ulegają dużej zmianie przy zastosowaniu technologii PCB HDI, zostały wykonane pomiary w celu sparametryzowania wartości tych elementów oraz przeprowadzona analiza dotycząca tego, jak kształtują się charakterystyki częstotliwościowe dla zmierzonych wartości. 3. WARTOŚCI ELEMENTÓW UKŁADU ZASTĘPCZEGO PRZETWORNIKA BEZRDZENIOWEGO Elektryczny układ zastępczy przetwornika bezrdzeniowego został przedstawiony na rys. 2. Rys. 2. Elektryczny układ zastępczy przetwornika bezrdzeniowego [5] 14 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Napięcie na wyjściu przetwornika uo(t) jest proporcjonalne do pochodnej mierzonego prądu, reprezentowanej przez źródło up(t), ale również jest kształtowane przez transmitancję układu zastępczego przetwornika. To właśnie charakterystykę częstotliwościową tej transmitancji dla Robc = podaje się jako parametry częstotliwościowe przetwornika. W przypadku przetworników wykonanych w tradycyjnej technologii PCB transmitancja układu zastępczego jest do pominięcia w zakresie częstotliwości do ok. 20 kHz [4, 5, 6]. W wypadku przetworników wykonanych w technologii PCB HDI tak nie jest, gdyż zwiększeniu ulega zarówno wartość indukcyjności L, jak i – przede wszystkim – wartość rezystancji R. W celu otrzymania przetwornika o jak największej czułości oprócz zwiększania ilości zwojów na pojedynczym listku dąży się do rozmieszczenia jak największej liczby listków na cokole przetwornika. Badania przeprowadzone na Politechnice Wrocławskiej [7] wykazały, że wartość pojemności C przetwornika nie zmienia się w zasadniczy sposób wraz z liczbą listków (rys. 3). Rys. 3. Zależność indukcyjności własnej przetwornika bezrdzeniowego od liczby listków (płytek) [7] Indukcyjność własna L rośnie w przybliżeniu z kwadratem liczby listków (rys. 4), a indukcyjność pojedynczego listka rośnie z kwadratem ilości spiralnych zwojów. Jeśli przyjąć, że na cokole umieszczono 1,25 razy więcej listków wykonanych w technologii HDI niż listków wykonanych w tradycyjnej technologii PCB i dodatkowo każdy listek posiada 2 razy więcej zwojów, to indukcyjność własna przetwornika rośnie ok. 6,25 razy. Z kolei średnia zmierzona wartość rezystancji listka przedstawionego (rys. 4) z danej partii produkcyjnej jest równa 638 . Dla 40 listków daje to rezystancję równą ok. 25 k. Zmierzona pojemność przetwornika jest równa 145 pF, natomiast jego czułość jest równa 2,5 mV/A. W tabeli 1. zostały przedstawione wartości elementów układu zastępczego przetwornika wykonanego w tradycyjnej technologii PCB o 32 listkach oraz wartości elementów układu zastępczego przetwornika składającego się z 40 listków o takiej samej wielkości, lecz z dwukrotnie większą liczbą spiralnych zwojów. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 15 Rys. 4. Zależność pojemności przetwornika bezrdzeniowego od ilości listków [7] Tabela 1. Wartości elementów układu zastępczego badanych przetworników [7] Typ przetwornika R [] L [H] C [pF] S [mV/A] Przetwornik wykonany w tradycyjnej technologii 1167 0,0104 121 1,08 Przetwornik wykonany w technologii PCB HDI 25000 0,065 145 2,5 4. CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE PRZETWORNIKÓW BEZRDZENIOWYCH WYKONANYCH W TRADYCYJNEJ TECHNOLOGII PCB ORAZ W TECHNOLOGII PCB HDI H( f ) Charakterystyki częstotliwościowe H(f) zostały wyznaczone dla przetworników o parametrach obwodu zastępczego podanych w tabeli 1. Wyrażają się one następującą zależnością: 1 2 1 j 2 f R C 2 f L C Charakterystyki zostały przedstawione na rysunkach 5., 6., 7. i 8. Cyfrą „1” oznaczono charakterystyki przetwornika wykonanego w tradycyjnej (1) technologii PCB, natomiast cyfrą „2” – charakterystyki przetwornika wykonanego w technologii PCB HDI. 16 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 5. Charakterystyki amplitudowe przetworników w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwości rezonansowe [7] Rys. 6. Charakterystyki amplitudowe przetworników w zakresie częstotliwości do 10 kHz [7] Rys. 7. Charakterystyki fazowe przetworników w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwości rezonansowe [7] Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 17 Rys. 8. Charakterystyki amplitudowe przetworników w zakresie częstotliwości do 10 kHz [7] Charakterystyki częstotliwościowe przetworników bezrdzeniowych przedstawione na rysunkach od 6. do 8. pozwalają stwierdzić, że zakres częstotliwości pracy przetwornika wykonanego w technologii tradycyjnej jest znacznie wyższy niż przetwornika wykonanego w technologii PCB HDI, zwłaszcza jeśli chodzi o wierność odtworzenia fazy. 5. PODSUMOWANIE Technologia PCB HDI umożliwia wytworzenie przetworników bezrdzeniowych o tych samych wymiarach i czułości dwa razy większej niż ma to miejsce w przypadku przetworników wykonanych w technologii tradycyjnej. Przetworniki bezrdzeniowe powstałe w technologii PCB HDI charakteryzują się jednak dużą wartością rezystancji, nawet powyżej 20 kΩ. Ma to podwójnie ujemny skutek. Po pierwsze wymaga stosowania wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej, najlepiej powyżej 1 M. Po drugie zwiększona wartość rezystancji ogranicza pasmo częstotliwości, w których te przetworniki mogą być stosowane. Literatura 1. Lisowiec A., Nowakowski A.: New constructions of current and voltage transducers for MV switchgear. „Elektronika”, 2010, nr 7. 2. Kowalski G.: Projektowanie cewek Rogowskiego w technologii obwodów drukowanych. „Elektronika”, 2011, nr 7. 3. Klej T., Borowiecka K., Ramotowski E.: Technologia HDI w obwodach drukowanych. „Elektronika”, 2013, nr 4. 4. Lisowiec A.: Wpływ parametrów cewki Rogowskiego na wartości pomiarowe w stanach dynamicznych. „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, 2006, nr 8. 5. Lisowiec A.: Parametry cewek Rogowskiego jako czujników prądu w urządzeniach EAZ. „Wiadomości Elektrotechniczne”, 2007, nr 2. 6. Lisowiec A.: Cewki Rogowskiego w urządzeniach EAZ z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów. „Elektronika”, 2006, nr 8. 7. Miedziński B., Habrych M., Wiśniewski G., Dzierżanowski W., Fiałkowski Z.: Raport serii SPRAWOZDANIA, nr spr. I-8/S24/2013, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. mgr inż. WOJCIECH KURPIEL mgr inż. BARTOSZ POLNIK Instytut Techniki Górniczej KOMAG prof. dr hab. inż. BOGDAN MIEDZIŃSKI Instytut Technik Innowacyjnych EMAG System nadzorujący pracę baterii akumulatorów (BMS) w celu zwiększenia bezpieczeństwa ich funkcjonowania i żywotności stosowanych ogniw W artykule przedstawiono koncepcję rozwiązania systemu nadzorującego pracę baterii akumulatorów (BMS), mającą na celu zwiększenie bezpieczeństwa ich działania oraz żywotności zastosowanych ogniw. Określono podstawowe funkcje systemu i sposób ich realizacji. Sformułowano odpowiednie wnioski praktyczne. 1. WSTĘP Obecnie w kopalniach pracuje wiele maszyn i urządzeń zasilanych z baterii akumulatorów. W urządzeniach tych jednak nie ma żadnych zabezpieczeń przed nierównomiernym doładowywaniem poszczególnych ogniw w czasie hamowania odzyskowego oraz podczas ładowania baterii. Nie ma ponadto prowadzonej w sposób ciągły kontroli wartości napięcia na poszczególnych ogniwach, jak również brak jest zabezpieczeń przed przeładowaniem poszczególnych ogniw zastosowanych w baterii. Opracowane zatem i przeznaczone do zaimplementowania urządzenie służące do nadzorowania stanu pracy baterii akumulatorów BMS (Battery Management System) jest szczególnie przydatne w systemach bateryjnych, w których ogniwa są bardzo wrażliwe na przeładowanie, np. ogniwa z grupy litowych. Dzięki takiemu urządzeniu będzie można uchronić baterie akumulatorów w maszynach i urządzeniach przed skutkami nierównomiernego doładowywania poszczególnych ogniw oraz zabezpieczyć je przed przeładowaniem. System nadzorujący pracę baterii akumulatorów BMS jest konieczny przede wszystkim w maszynach górniczych zasilanych z baterii nowej generacji, a w szczególności – z baterii litowych różnego typu, z uwagi na ich wrażliwość na warunki pracy oraz brak odpowiednich urządzeń kontrolnych na rynku. Efektywna diagnostyka zestawów ogniw akumulatorów jest wymagana po to, aby ogniwa te mogły funkcjonować jako niezawodne i stabilne źródła energii elektrycznej, charakteryzując się przy tym jak najdłużej dużą sprawnością energetyczną oraz wysokim poziomem bezpieczeństwa. Diagnostykę tego typu zwykle realizuje się, wykorzystując specjalizowane układy elektroniczne, określane skrótem BMS (Battery Management System), które wykonywane są dla określonego rozwiązania baterii – w szczególności dotyczy to liczby, rodzaju i sposobu łączenia ogniw. Do wykonania takiego systemu dostępne są wszystkie komponenty. Ich częścią są przykładowo obwody do pomiaru napięcia, prądu oraz temperatury ogniw i temperatury otoczenia w czasie ładowania oraz rozładowywania akumulatora. Zastosowanie systemu BMS zapobiega uszkodzeniu akumulatora na przykład w wyniku jego przeładowania, niedoładowania albo przegrzania. Oprócz tego system BMS może pełnić funkcję miernika poziomu naładowania baterii, sprawdzać zgodność jej charakterystyki z wymaganiami odbiornika, optymalizować przebieg procesu ładowania ogniw oraz równoważyć je w celu zwiększenia ich wydajności. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 2. KLASYFIKACJA UKŁADÓW BMS Pomijając podział ze względu na pełnioną funkcję, układy diagnostyki baterii można klasyfikować również na podstawie miejsca ich montażu, a mianowicie na: BMS instalowane w urządzeniu, które będzie zasilane z baterii (system side) oraz BMS montowane w module akumulatora (battery side). Układy BMS instalowane w urządzeniu powinny mieć możliwość adaptacji do każdej baterii, jaka zostanie zamontowana w danym odbiorniku. Natomiast BMS instalowane w pakiecie są automatycznie dopasowane do danego typu baterii, wraz z którą mogą być przenoszone między różnymi urządzeniami. BMS typu system side (instalowany w urządzeniu) jest bardziej użyteczny w aplikacjach, w których bateria jest na stałe zamontowana w urządzeniu – jak na przykład w laptopach, palmtopach oraz telefonach komórkowych. Układy BMS typu battery side (montowane w module akumulatora) lepiej natomiast sprawdzają się w przypadku, gdy bateria jest wyjmowana z urządzenia w celu jej naładowania lub jest przenoszona między różnymi odbiornikami. Na rynku dostępne są układy BMS przeznaczone dla baterii jednoogniwowych oraz wieloogniwowych w różnych konfiguracjach. Duży wybór istnieje zwłaszcza w zakresie rozwiązań dla akumulatorów jednoogniwowych. Są one często używane w przenośnych urządzeniach elektroniki użytkowej, ponieważ w połączeniu z przetwornicą pozwalają uzyskać wartości napięć wymagane do zasilenia nawet złożonych obwodów w tych urządzeniach. Mniejszy wybór jest natomiast w zakresie układów BMS przeznaczonych dla pakietów składających się z większej liczby ogniw. Pakiety baterii tego typu są powszechnie używane w samochodach elektrycznych i hybrydowych oraz w innych urządzeniach wyposażonych w silniki dużej mocy wymagające zasilania napięciem rzędu setek woltów. W ich przypadku najczęściej, zamiast powszechnie dostępnych układów, używa się specjalistycznych, mikrokomputerowych systemów zarządzania bateriami. Są one projektowane i konstruowane pod kątem określonych wymagań, w tym realizacji zaawansowanych funkcji ochronnych i kontrolnych [1]. 2.1. Różnorodność konstrukcji systemów BMS Układy BMS można znaleźć w ofercie większości czołowych producentów elektroniki, m.in. firm Atmel, Intersil, Maxim, Linear Technology, Microchip 19 oraz Texas Instruments, poszczególne firmy proponują jednak w swoich produktach różne rozwiązania konstrukcyjne. Przykładem może być sposób rozwiązania komunikacji między BMS a kontrolerem w zasilanym urządzeniu lub w ładowarce. W większości przypadków wykorzystywane są magistrale typu SMBus, I²C czy CAN. Niektórzy producenci implementują też opatentowane przez siebie interfejsy, czego przykładem może być z kolei rozwiązanie firmy Maxi, która korzysta w swoich produktach z interfejsu 1-Wire. Innym przykładem jest łączenie ogniw w zestawy (baterie) wieloogniwowe, których celem jest poprawa wydajności baterii, zwiększenie całkowitej pojemności zestawu oraz jego żywotności. Jest to działanie konieczne, ponieważ poszczególne ogniwa, nawet dostarczane przez tego samego producenta, mogą różnić się między sobą pod względem poziomu maksymalnego rozładowania, pojemności, impedancji oraz charakterystyki temperaturowej. Skutkuje to różnym poziomem ich naładowania, co z kolei wpływa na wartość całkowitej pojemności baterii – na przykład część ogniw w niezrównoważonej baterii może się rozładowywać lub ładować szybciej niż pozostałe. Dlatego równoważenie zestawu ogniw jest zalecane już w przypadku baterii z co najmniej trzema ogniwami, zaś w przypadku większej ich liczby staje się koniecznością [1]. 2.2. Pasywne równoważenie ogniw Równoważenie pakietu ogniw polega na zrównaniu poziomu naładowania wszystkich ogniw w pakiecie, co realizuje się za pośrednictwem specjalnie w tym celu zaprojektowanego obwodu. W tym zakresie wyróżnia się dwa rozwiązania: konfigurację ze zrównoważeniem pasywnym oraz aktywnym. Ideę pierwszego rozwiązania przedstawia rys. 1. W tym przypadku wartości napięć poszczególnych ogniw są monitorowane w mikrokontrolerze za pośrednictwem przetwornika A/C, na którego wejście kolejno, poprzez multiplekser, załączane są poszczególne ogniwa. Jeżeli wartość napięcia któregoś z nich znacząco przekroczy napięcie pozostałych, odpowiedni klucz S zostaje zamknięty. Skutkuje to rozładowaniem ogniwa przez najważniejszy element obwodu równoważenia pasywnego – rezystor połączony równolegle z każdym ogniwem. Trwa to aż do momentu, gdy napięcie ogniwa przeładowanego zrówna się z wartością napięcia ogniw pozostałych. Wówczas ładowanie pakietu jest kontynuowane. Równocześnie stale kontrolowane są wartości napięć wszystkich pozostałych ogniw. MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 20 Rys. 1. Obwód pasywnego balansowania ogniw [1] Pasywne równoważenie ogniw ma jednak szereg wad. Jedną z nich jest mała sprawność wynikająca z faktu, że w metodzie tej nadwyżka energii zgromadzona w niezrównoważonych ogniwach tracona jest w rezystorze na ciepło. Oprócz tego całkowita pojemność zestawu baterii (pakietu) jest ograniczona koniecznością dostosowania poziomu naładowania pozostałych ogniw do pojemności „najsłabszego” z nich. Zrównoważenie pasywne można zwykle przeprowadzać wyłącznie w czasie trwania procesu ładowania ogniw. Nie można jednak w ten sposób zapobiec niezrównoważeniu ogniw, które pojawia się w trakcie użytkowania baterii. Jest ono zwykle następstwem przede wszystkim zjawiska samorozładowywania się ogniw [1]. 2.3. Aktywne równoważenie ogniw Alternatywą dla metody pasywnej jest aktywne równoważenie ogniw. Polega ono na przeniesieniu nadmiarowego ładunku z przeładowanego ogniwa do ogniwa lub kilku ogniw, które są niedoładowa- ne. Zwykle w obwodach tego typu wykorzystywane są klucze tranzystorowe, podobnie jak w metodzie pasywnej, z tym że zamiast rezystorów równolegle z każdym ogniwem połączona jest cewka indukcyjna stanowiąca wtórną stronę transformatora, tak jak to pokazano na rys. 2. Obniżanie wartości napięcia nadmiernie naładowanego ogniwa polega w tym przypadku na jego chwilowym połączeniu z odpowiadającym mu uzwojeniem wtórnym układu zrównoważenia, co skutkuje indukowaniem się napięcia w uzwojeniu pierwotnym. Klucz tego ogniwa jest wówczas otwierany, natomiast klucz innego, niedoładowanego ogniwa (lub kilku ogniw) – zamykany. Dzięki temu energia ze strony pierwotnej transformatora jest przekazywana do uzwojenia wtórnego i w efekcie – do ogniwa. Metoda ta pozwala na przekazywanie energii pomiędzy ogniwami w czasie ich ładowania, rozładowywania lub gdy nie są one wykorzystywane ze sprawnością sięgającą w przybliżeniu około 85% (rys. 3). Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Rys. 2. Obwód aktywnego zrównoważenia ogniw [1] Rys. 3. Mechanizm równoważenia ogniw w obwodzie aktywnym [1] 21 22 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 2.4. Wskaźniki naładowania baterii 3. GŁÓWNE FUNKCJE SYSTEMU NADZORUJĄCEGO BMS Do grupy układów BMS zaliczane są też komponenty do kontroli on-line poziomu naładowania baterii oraz przewidywania czasu ich pełnego rozładowania. Zwykle są one, w połączeniu z układem zabezpieczającym ogniwa przed uszkodzeniem, częścią pakietu baterii. W takim wypadku tego typu układy przesyłają dane pomiarowe do głównego mikrokontrolera urządzenia, który na tej podstawie zarządza wykorzystaniem zasobów systemowych oraz steruje pracą urządzeń peryferyjnych tak, aby maksymalnie wydłużyć czas pracy na zasilaniu bateryjnym. Efektywność wskaźnika naładowania baterii zależy od jego dokładności, na którą wpływają dwa główne czynniki: precyzja pomiarów niezbędnych parametrów analogowych oraz dokładność modelu charakterystyki baterii. Do tych pierwszych zalicza się pomiar przebiegu prądu ładowania i rozładowywania pakietu, jego napięcia oraz temperatury. W przypadku prostych wskaźników wykorzystujących pomiar ładunku, czyli takich, które w wyznaczaniu poziomu naładowania bazują przede wszystkim na całkowaniu prądu, rozdzielczość i dokładność przetwornika analogowo-cyfrowego ma kluczowe znaczenie. W układach tego typu parametry te powinny być jak najlepsze w jak najszerszym zakresie, ponieważ pomiary powinny dostarczać pełnej informacji w różnych trybach pracy systemu [1]. 2.5. Charakterystyka baterii Na dokładność pomiaru poziomu naładowania wpływa też zastosowany model charakterystyki eksploatacyjnej baterii. Istotnym parametrem jest tutaj zwłaszcza wartość impedancji ogniw. Rośnie ona wraz z upływem czasu w wyniku starzenia się ogniw, co jest zjawiskiem często ignorowanym. Tymczasem na przykład w przypadku baterii litowo-jonowych po około 100 cyklach rozładowania wartość impedancji ogniwa może się nawet podwoić. Co więcej, wartość impedancji może być różna znacząco dla poszczególnych ogniw oraz zmieniać się w zależności od warunków ich użytkowania, głównie od temperatury. W związku z tym, aby zapewnić odpowiednią dokładność oceny podczas wyznaczania wartości czasu pozostałego do rozładowania się baterii, należałoby korzystać z zależności wartości impedancji w funkcji innych parametrów. Jest to niestety w praktyce trudne do realizacji [1]. System nadzorujący BMS jest podstawowym układem kontroli pracy akumulatorów składających się z większej liczby ogniw. Dzięki pomiarom i kontroli głównych parametrów akumulatorów monitoruje on ich stan, zapewniając tym samym bezpieczeństwo pracy całego układu akumulatorów. Działanie systemu polega na ciągłym (on-line) pomiarze wartości napięcia każdego z zastosowanych ogniw i doładowywania najsłabszego z nich. System nadzorujący BMS, w którego skład wchodzi elektroniczny system zarządzania, ma do spełnienia następujące zadania: ochrona akumulatora przed uszkodzeniem, przedłużenie żywotności akumulatora, utrzymanie pożądanego stanu naładowania baterii, współdziałanie z oprogramowaniem zewnętrznym. Zakłada się, że opracowany system nadzorujący BMS zostanie umieszczony w komorze ognioszczelnej maszyn i urządzeń elektrycznych wyposażonych w baterię akumulatorów. Zasilany będzie z zasilacza wchodzącego w skład aparatury elektrycznej umieszczonej wewnątrz obudowy ognioszczelnej. Nowo opracowany system nadzorujący BMS składał się będzie z (rys. 4): wyświetlacza LCD, ładowarki, zasilacza wewnętrznego, przetwornika prądowo-napięciowego firmy LEM, układu pomiarowego, przekaźników ogniw, przekaźników sygnałowych, mikrokontrolera sterującego, mikrokontrolera nadzorującego, układu czasu rzeczywistego RTC. Działanie systemu nadzorującego BMS ma na celu ciągłe kontrolowanie wartości napięcia poszczególnych ogniw podczas uruchamiania i pracy maszyny lub urządzenia oraz doładowywanie najsłabszego ogniwa w celu wyrównania poziomów naładowania we wszystkich ogniwach baterii akumulatorowej. Jest to tzw. zrównoważenie aktywne ogniw. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Potrzeba zrównoważenia ogniw wynika z konieczności niwelacji różnic pomiędzy pojedynczymi ogniwami (pod względem poziomu rozładowania, pojemności i impedancji) mogących skutkować różnym poziomem naładowania. Jeśli wszystkie ogniwa mają tę samą pojemność, są one 23 zrównoważone w tym samym stanie naładowania. W pewnych jednak sytuacjach wartość napięcia w stanie nieobciążonym może być dobrym wskaźnikiem stanu naładowania. Rys. 4. Schemat blokowy systemu nadzorującego baterię akumulatorów (BMS) [2] Akumulatory są zrównoważone wówczas, gdy wszystkie ogniwa mają taką samą wartość napięcia na ich zaciskach. Jeśli jednak jedno (lub więcej z nich) jest niezrównoważone, wówczas także i cały akumulator jest niezrównoważony i ma niższą pojemność. Dzieje się tak dlatego, iż pojemność najsłabszego ogniwa determinuje całkowitą pojemność akumulatora. Podczas ładowania niezrównoważonego akumulatora jedno lub więcej ogniw może osiągnąć maksymalny poziom naładowania w stosunku do innych. W trakcie rozładowania ogniwa te szybciej się rozładują niż pozostałe, ograniczając tym samym dostępną wartość energii. Zrównoważenie ogniw poprawia wydajność akumulatorów, wydłużając tym samym ich żywotność. Podstawowym celem systemu nadzorującego jest zabezpieczenie całego układu akumulatora przed przeładowaniem najlepszego ogniwa wchodzącego w jego skład. Ma to szczególne znaczenie zwłaszcza w przypadkach stosowania ogniw z grupy litowych. 3.1. Funkcja pomiarowa Wartość napięcia zmierzona przez przetwornik analogowo-cyfrowy mikrokontrolera jest następnie przetwarzana (względem mierzonego czasu) przez odpowiedni program. Wynikiem zastosowania odpowiedniego programu jest informacja, przesyłana następnie magistralą komunikacyjną (przeznaczoną do szeregowej transmisji danych) do modułu wyświetlacza. W zależności od wariantu modułu wyświetlacza informacja ta będzie wyświetlana w formie cyfrowego zapisu wartości napięcia i czasu, jaki został użytkownikowi akumulatorów do całkowitego ich rozładowania, lub jako świetlna informacja o pojemności akumulatora, za pomocą diod LED (opcja dodatkowa). 24 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 3.2. Funkcja doładowania najsłabszego ogniwa 3.4. Funkcja pomiaru prądu ładowania Wartość napięcia poszczególnych ogniw jest monitorowana przy pomocy mikrokontrolera za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego, na którego wejście (kolejno przez przekaźniki) są one załączane. Jeżeli napięcie któregoś z nich będzie niższe od wartości pozostałych ogniw lub będzie niższe od napięcia znamionowego, to do tego słabiej naładowanego ogniwa zostanie podłączona ładowarka. Skutkuje to doładowaniem najsłabszego ogniwa i trwa to do momentu, w którym napięcie ogniwa ładowanego zrówna się z wartością napięć pozostałych ogniw baterii akumulatorowej. Wówczas ładowanie ogniwa zostaje przerywane. Równocześnie stale kontrolowane są wartości napięć wszystkich ogniw. Takie działanie systemu nadzorującego BMS jest uzasadnione, ponieważ poszczególne ogniwa, nawet dostarczane przez tego samego producenta, mogą różnić się między sobą pod względem poziomu maksymalnego rozładowania, pojemności, impedancji oraz charakterystyki temperaturowej, które to parametry w czasie eksploatacji mogą wykazywać znaczące rozbieżności. 3.3. Funkcja zabezpieczająca W chwili przekroczenia dopuszczalnych wartości napięć (na ogniwach) system nadzorujący BMS może wysłać ostrzeżenie do urządzenia zasilanego z danej baterii lub od razu wyłączyć całą baterię. Zapobiega się w ten sposób uszkodzeniu akumulatora na przykład w wyniku jego przeładowania, niedoładowania albo przegrzania. Oprócz tego BMS może też pełnić funkcję miernika poziomu naładowania baterii, sprawdzać zgodność jej charakterystyki z wymaganiami odbiornika, optymalizować przebieg procesu ładowania wszystkich ogniw oraz zrównoważyć je w celu zwiększenia ich wydajności. Poziom naładowania baterii w urządzeniach górniczych musi być odpowiednio monitorowany online, a operator musi posiadać informacje o aktualnym poziomie naładowania. Dlatego system dodatkowo wyposażony zostanie w mikrokontroler nadzorujący, który kontroluje poprawność działania mikrokontrolera sterującego całym systemem nadzorującym BMS. W przypadku wykrycia jakiejkolwiek nieprawidłowości w pracy mikrokontrolera sterującego mikrokontroler nadzorujący odłączy baterię akumulatorów od maszyny lub urządzenia. W ten sposób zapobiegnie się awariom związanym z nieprawidłowym działaniem mikrokontrolera sterującego całym systemem BMS. Prąd ładowania na wszystkich ogniwach tworzących baterię akumulatorową mierzony będzie przez przetwornik prądowo-napięciowy firmy LEM. W ten sposób system BMS kontroluje prąd ładowania z zewnętrznego źródła i może reagować na jego zmiany, z funkcją wyłączenia ładowania włącznie. Skutkuje to ładowaniem ogniw ze źródła zewnętrznego i trwa to do momentu, gdy napięcie na pojedynczym ogniwie przekroczy maksymalną wartość. Wówczas ładowanie ogniwa zostaje przerwane. Równocześnie stała kontrola wartości prądu ładowania daje informację (do systemu BMS), czy zewnętrzne źródło zasilania jest podłączone i jaka jest wartość aktualnie płynącego prądu ładowania. 3.5. Komunikacja Aby zapewnić użytkownikowi lepszą kontrolę i odpowiedni poziom wiedzy, system nadzorujący BMS przekazuje informację do oprogramowania zainstalowanego na komputerze PC. Informacja ta dotyczy parametrów technicznych baterii akumulatorów, takich jak: pozostała pojemność (wskaźnik poziomu energii), napięcie, temperatura, pobór prądu, ewentualne ostrzeżenia i liczba cykli. 4. BADANIA SYMULACYJNE W celu przeprowadzenia odpowiednich badań symulacyjnych wykorzystany został program Labview. W programie tym zbudowano wirtualny panel sterowniczy symulatora, przy pomocy którego sterowany jest poziom naładowania akumulatorów. Na panelu sterowniczym symulatora zostały dodatkowo zamodelowane diody LED, sygnalizujące stan pracy systemu nadzorującego BMS (rys. 5). Do badania algorytmu systemu nadzorującego BMS wykorzystano kartę pomiarową NI6008, która umożliwia przeprowadzenie badań symulacyjnych pomiędzy układem elektronicznym realizującym funkcje opisane w algorytmie a wirtualnym symulatorem do badania algorytmu sytemu nadzorującego BMS, zrealizowanego przy pomocy programu Labview [2]. Badanie poprawności działania algorytmu sytemu nadzorującego BMS polegało na sprawdzeniu poprawności działania tego układu dla wybranych, dowolnie zadanych wartości napięć na zaciskach wirtualnych ogniw baterii akumulatorów (rys. 6). Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Rys. 5. Symulator systemu nadzorującego baterię akumulatorów BMS-1 [2] Rys. 6. Karta pomiarowa NI6008 podłączona do układu elektronicznego systemu nadzorującego baterię akumulatorów BMS [2] 25 26 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Badanie funkcji doładowania najsłabszego ogniwa polegało na wymuszaniu w symulatorze napięcia o wartości w zakresie od 1,9 do 3,7 V. W tym celu układ został podłączony do karty pomiarowej sterowanej komputerem PC. Dla napięcia o wartości 1,9 V sprawdzono działanie zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem ogniwa, natomiast dla napięcia 3,7 V sprawdzono działanie zabezpieczenia przed przeładowaniem ogniwa. Badania wykazały poprawne działanie układu (rys. 7). Badanie funkcji doładowania najsłabszego ogniwa polegało na wymuszaniu w symulatorze napięcia w zakresie wartości od 2,0 do 3,5 V. W tym celu układ został podłączony do karty pomiarowej ste- rowanej komputerem PC. Zwiększając wartość napięcia od 2,0 do 3,0 V, sprawdzono działanie ładowarki ogniw w systemie BMS. Napięcie na poszczególnych ogniwach było monitorowane przy pomocy mikrokontrolera za pośrednictwem przetwornika A/C, na którego wejście kolejno (przez przekaźniki) załączane były poszczególne ogniwa. Jeżeli wartość napięcia któregokolwiek z nich była znacząco niższa od pozostałych ogniw lub była niższa od napięcia znamionowego, to ładowarka zostawała podłączana do tego najsłabiej naładowanego ogniwa. Badania wykazały poprawne działanie układu. Rys. 7. Stanowisko badawcze z kartą pomiarową NI6008 (podłączoną do układu elektronicznego) oraz komputerem z programem symulatora systemu nadzorującego baterię akumulatorów BMS-1 [2] Badanie działania algorytmu programu sterującego miało na celu określenie efektywności monitorowania wartości napięcia na poszczególnych ogniwach przy pomocy przetwornika A/C. W celu sprawdzenia poprawności działania tego układu w czasie jego działania był wyłączany panel sterowniczy symulatora, co powodowało brak napię- cia na wszystkich wejściach monitorowanych przez program sterujący. Wynikiem było zadziałanie przekaźnika odpowiedzialnego za wyłączenie baterii ogniw oraz załączenie diody LED sygnalizującej awarię. Badania wykazały poprawne działanie układu. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Badanie działania algorytmu programu nadzorującego, którego zadaniem jest sprawdzanie poprawności działania mikrokontrolera z programem nadzorującym, polegało na wprowadzaniu zakłóceń w działaniu mikrokontrolera z programem sterującym. W tym celu podczas pracy zostały wykonane dwa testy. Pierwszy polegał na wyłączeniu panelu sterowniczego symulatora, co powodowało zadziałanie przekaźnika odpowiedzialnego za wyłączenie baterii ogniw oraz załączenie diody LED sygnalizującej awarię, natomiast drugi – na zakłóceniu sygnału kontrolnego pomiędzy mikrokontrolerem z programem sterującym a mikrokontrolerem z programem nadzorującym. Ścieżka z sygnałem kontrolnym została zwarta do masy. Taka ingerencja powodowała zadziałanie przekaźnika odpowiedzialnego za wyłączenie baterii ogniw oraz załączenie diody LED sygnalizującej awarię. Podczas obu testów działanie układu było poprawne. 5. PODSUMOWANIE Zaproponowane rozwiązanie systemu nadzorującego pracę baterii akumulatorów (BMS) ma za zadanie ciągłe doładowywanie najsłabszego ogniwa zastosowanego w baterii. W porównaniu więc do dotychczasowych, znanych rozwiązań, które rozładowują ogniwa o największej pojemności, jest niewątpliwie rozwiązaniem nowatorskim. Wyrówny- 27 wanie pojemności ogniw w baterii eliminuje możliwość przeładowania ogniwa o największej pojemności oraz przedłuża ich żywotność. Przedstawione rozwiązanie urządzenia do nadzorowania pracy baterii akumulatorów (BMS) wydaje się być przydatne szczególnie w systemach bateryjnych, w których ogniwa są bardzo wrażliwe na przeładowanie (np. ogniwa z grupy litowych). Dzięki takiemu urządzeniu możliwym stanie się zabezpieczenie baterii akumulatorów przed skutkami nierównomiernego doładowywania poszczególnych jego ogniw, jak również przed przeładowaniem. Należy podkreślić, że prace zmierzające do opracowania ostatecznej wersji rozwiązania systemu będą realizowane w kolejnych etapach w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG, a o ich ważności może świadczyć fakt rosnącego zainteresowania tym tematem pracowników kopalń wykorzystujących urządzenia elektryczne oraz maszyny górnicze wyposażone w baterie akumulatorowe. Literatura 1. Jaworowska M.: Specjalizowane układy elektroniczne do diagnostyki pakietów ogniw. „Elektronik”, 2012, nr 7. 2. Sprawozdanie z pracy nr E/BDE-16855 pt.: „System nadzorujący baterie akumulatorów BMS” ITG KOMAG, Gliwice 2013, materiały niepublikowane. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. mgr inż. ŁUKASZ STASZEWSKI dr inż. MARCIN HABRYCH Politechnika Wrocławska Zwiększenie możliwości przesyłowych napowietrznych linii elektroenergetycznych z zachowaniem wymaganego poziomu bezpieczeństwa W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania Dynamicznej Obciążalności Linii w celu zwiększenia możliwości przesyłowych istniejących linii napowietrznych z jednoczesnym zachowaniem wymaganych norm bezpieczeństwa. Zaprezentowano również poprawione działanie zabezpieczenia odległościowego wyposażonego w nowy algorytm rozpoznający kontrolowane przeciążenie i odróżniający je od sytuacji awaryjnych. 1. WSTĘP Obecnie na całym świecie można zaobserwować ciągły postęp technologiczny. Stale rozbudowujące się gałęzie przemysłu wymagają coraz to nowszych rozwiązań technicznych oraz poszerzają zakresy swoich działalności. Oczywistym wynikiem takiego działania jest ciągle rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną. Niestety pojawia się problem z jej dostarczeniem, w szczególności do obszarów odległych od źródeł energii. Wiele inwestycji wstrzymywanych jest ze względu na zbyt wysokie koszty przyłączenia do sieci energetycznej. Koszty sięgające wielu milionów złotych wynikają z konieczności budowy nowych linii energetycznych, ponieważ istniejące pracują już blisko projektowych limitów. Możliwym do zastosowania w takich sytuacjach rozwiązaniem okazuje się, przedstawione w artykule, wykorzystanie Dynamicznej Obciążalności Linii, która pozwala na eksploatowanie napowietrznych linii przesyłowych ponad ich limity wynikające ze sztywnych norm (przy zachowaniu wymaganego przez nie poziomu bezpieczeństwa elektrycznego). 2. DYNAMICZNA OBCIĄŻALNOŚĆ LINII Dynamiczna Obciążalność Linii (DOL) wykorzystuje fakt, iż w trakcie sprzyjających warunków at- mosferycznych możliwe jest obciążenie przesyłowej linii napowietrznej prądem o wartości wyższej, niż ta wynikająca ze sztywnych założeń projektowych. W trakcie projektowania linii, ze względów bezpieczeństwa, wszelkie parametry muszą opierać się na najgorszych warunkach pogodowych możliwych do wystąpienia w danym rejonie geograficznym. Różnice w dopuszczalnej obciążalności przewodu obliczanej na tej podstawie na etapie projektowania zabezpieczeń a obciążalności obliczanej z wykorzystaniem DOL są znaczne i mogą sięgać nawet kilkudziesięciu procent. Warto zauważyć, iż możliwości przesyłowe wynikające z zastosowania zimowych i letnich limitów obciążeń są tylko o ok. 14% większe w okresie zimowym niż w okresie letnim. Zastosowanie DOL pozwala na lepsze, pełniejsze wykorzystanie możliwości przesyłowych linii napowietrznych oraz pozwala na przekroczenie dotychczasowych, sztywnych limitów obciążenia. Opracowany algorytm oparty na Dynamicznej Obciążalności Linii wykorzystuje przede wszystkim równanie bilansu cieplnego [1, 2, 3]: qc qr qs qi (1) gdzie: qc – chłodzenie poprzez konwekcję [W/m2], qr – chłodzenie poprzez radiację [W/m2], qs – nagrzewanie poprzez promieniowanie słoneczne [W/m2], qi – nagrzewanie wynikające z przepływu prądu elektrycznego [W/m2]. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 29 Jednym z czynników wpływających na możliwości przeciążeniowe linii przesyłowych jest chłodzenie przewodów poprzez konwekcję (wymuszoną wiatrem). Jest to najbardziej istotny czynnik pogodowy chłodzący przewód. Największy wpływ na jego wartość mają prędkość i kierunek wiatru. W Polsce najczęściej spotykane prędkości wiatru wahają się od 1 do 3,5 m/s, w zależności od położenia geograficznego, zapewniając dobre warunki chłodzenia. Chłodzenie przez wymuszoną konwekcję oblicza się z następujących zależności: przypadku przyjęte w normach do obliczeń projektowych wartości temperatury zewnętrznej (+30oC i +20oC) są wyższe od spotykanych w Polsce w okresie letnim i zimowym. W związku z tym, w przypadku chłodzenia przewodu przez promieniowanie, wartości standardowe zazwyczaj zaniżają możliwości przesyłowe poprzez konieczność zachowania bezpieczeństwa. Ciepło powstające w przewodzie w wyniku przepływania przezeń prądu, nazywane ciepłem Joule’a, obliczane jest na podstawie poniższej zależności: 0.52 D f vw k K qc1 1.01 0.0372 T T , (2) f f angle c a qi I 2 R Tc , 0.6 D f vw qc 2 1.0119 k f K angle Tc Ta , f (3) gdzie: ρf vw kf Kangle – gęstość powietrza, – prędkość wiatru, – cieplna przewodność powietrza, – kąt płaszczyzny wiatru względem osi przewodu, Tc i Ta – odpowiednio temperatura przewodu i otoczenia. W trakcie działania powyższego algorytmu wyliczane są obie wartości, a następnie większa z nich wybierana jest do dalszych obliczeń. Warto podkreślić fakt, że do standardowych obliczeń projektowych przyjmuje się w Polsce prędkość wiatru na poziomie 0,5 m/s, czyli wartość znacznie niższą niż zakres średnich wartości dla Polski. Co za tym idzie, prawie zawsze chłodzenie przez konwekcję jest bardziej efektywne dla eksploatowanego przewodu niż zostało to obliczone na podstawie obowiązujących norm bezpieczeństwa elektrycznego. Kolejnym czynnikiem chłodzącym przewód, choć mającym znacznie mniejszy wpływ na efekt końcowy, jest chłodzenie przez promieniowanie: T 273 4 Ta 273 4 qr 0.0178D s (4) , 100 100 gdzie: D – zewnętrzna średnica przewodu, ε – współczynnik emisyjności (dobierany tabelarycznie). Ten sposób chłodzenia jest mniej efektywny niż chłodzenie przez konwekcję i odgrywa mniejszą rolę w całkowitym zjawisku odprowadzania energii cieplnej z przewodu. Należy zauważyć, że również w tym (5) Jak widać w powyższym wzorze, rezystancja przewodu zależna jest od jego temperatury. Poprawkę tę bierze się pod uwagę w czasie rzeczywistym, wykorzystując zależność: R Thigh R Tlow Tc Tlow R Tlow , (6) qi I 2 Thigh Tlow gdzie: R(Thigh) i R(Tlow) – odpowiednio wartości rezystancji przewodu dla wysokiej i niskiej temperatury odniesienia (wynikają one ściśle z konstrukcji przewodu), Thigh, Tlow – odpowiednio temperatury odniesienia: wysoka i niska; ciepło Joule’a jest najważniejszym czynnikiem biorącym udział w nagrzewaniu przewodu. Ostatnim z elementów równania bilansu cieplnego jest nagrzewanie przewodu poprzez promieniowanie słoneczne. Obliczane jest ono z zależności: q s Qse sin A ' , (7) gdzie: α – absorpcyjność słoneczna, Qse – całkowita ilość promieniowania słonecznego padającego na przewód, θ – efektywny kąt padania promieni słonecznych, A’ – wystawiona na działanie promieni słonecznych powierzchnia przewodu. Ogrzewanie przewodów poprzez promieniowanie słoneczne jest znacznie słabsze niż przez przepływ prądu. W Polsce wartość promieniowania słonecznego na metr kwadratowy zawiera się w granicach od 650 do 1300 W. W różnych krajach przyjęto różne wartości warunków pogodowych, dla których wyznacza się obciążalność statyczną linii. W Polsce uwzględnia 30 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA się dwa warianty obciążalności: letnią i zimową. Do obliczenia obciążalności przewodów przyjmuje się różne, dla obu wariantów, wartości parametrów pogodowych. W przypadku okresu letniego przyjmuje się temperaturę +30oC, prędkość wiatru wiejącego prostopadle do linii 0,5 m/s oraz nasłonecznienie 900 W/m2, natomiast w przypadku wariantu zimowego przyjmuje się niższą temperaturę (+20oC) oraz promieniowanie słoneczne (720 W/m2), co pozwala na większe możliwości obciążeniowe linii niż w okresie letnim. Znaczna liczba linii napowietrznych o napięciu 110 kV w Polsce została zaprojektowana na temperaturę projektową przewodu wynoszącą 40°C, co przy temperaturze otoczenia 30°C oraz prędkości wiatru 0,5 m/s gwarantuje zachowanie dopuszczalnych odległości od obiektów znajdujących się pod linią. W niektórych projektach przyjmuje się temperaturę projektową przewodu wynoszącą 60 lub 80°C, co w przypadku przewodu AFL6-240 pozwala w warunkach letnich na obciążenie go prądem 645 A, a w warunkach zimowych – 715 A, czyli o ok. 11% więcej. Jak łatwo zauważyć, kryteria warunków pogodowych przyjęte na potrzeby statycznego projektu są bardziej zachowawcze i rygorystyczne jeśli chodzi o chłodzenie przewodu, niż te przeciętnie spotykane w Polsce. Wynika to z konieczności zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa na wypadek zaistnienia warunków możliwie najgorszych. 3. MOŻLIWOŚCI PRZECIĄŻENIOWE PRZEWODÓW AFL-6 W przeprowadzonych badaniach analizowano możliwości przeciążeniowe powszechnie stosowanych przewodów napowietrznych, wykorzystywanych w liniach o napięciu 110 kV (AFL-6 185, AFL-6 240 i AFL-6 300). Wyznaczono procentową możliwość ich przeciążenia, jak również możliwości przesyłania przez nie dodatkowej mocy. Porównania dokonano pomiędzy standardowym sposobem projektowania (z uwzględnieniem powszechnego podziału obciążalności na letnią i zimową) oraz innowacyjnym, uwzględniającym możliwości przesyłowe w zależności od warunków pogodowych. Dokonując analiz, wzięto pod uwagę dwa rodzaje danych dotyczących warunków pogodowych. Dane wieloletnie z okresu 1981-2010 r. pozyskano z serwisu informacyjnego Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej. Aby udowodnić, że nowy algorytm zachowuje odpowiedni poziom bezpieczeństwa pracy linii, wybrano maksymalne temperatury dobowe dla poszczególnych miesięcy (rys. 1). 200% 150% 100% 50% 0% AFL-6 185 AFL-6 240 AFL-6 300 Rys. 1. Możliwości obciążeniowe przewodów AFL-6 z uwzględnieniem maksymalnych temperatur dobowych (opracowanie własne) Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 31 200% 150% 100% 50% 0% AFL-6 185 AFL-6 240 AFL-6 300 Rys. 2. Możliwości obciążeniowe przewodów AFL-6 z uwzględnieniem średnich temperatur miesięcznych (opracowanie własne) Z wykresu zamieszczonego na rys. 1. można wywnioskować, że uwzględniając najwyższe temperatury panujące w danych miesiącach (a zatem najbardziej niekorzystne warunki z punktu widzenia możliwości obciążeniowych), w zdecydowanej większości z nich zastosowanie nowego algorytmu monitorującego może zwiększyć istniejące limity od kilku do kilkudziesięciu procent (maksymalna wartość 144,7% dla marca przy przewodzie AFL-6 300). Zaledwie w dwóch miesiącach, lipcu i sierpniu, nowy algorytm obniżyłby możliwości przesyłowe do odpowiednio 95 i 90 % ze względu na konieczność zachowania odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa pracy linii. Na rys. 2. przedstawiono z kolei możliwości obciążeniowe przewodów AFL6 z uwzględnieniem średnich temperatur miesięcznych. Można przyjąć, iż zastosowany algorytm prawie zawsze pracowałby właśnie w takich warunkach, rzadko kiedy będąc ograniczonym temperaturami maksymalnymi. Na tej podstawie można stwierdzić, że nowy algorytm umożliwia wykorzystanie linii napowietrznych w sposób znacznie bardziej korzystny, czyli od 125% obciążenia znamionowego dla przewodu AFL-6 185 do 178% obciążenia znamionowego dla przewodu AFL-6 300. Rysunki 1. i 2. ukazują również pewną prawidłowość: im większy przekrój przewodu, tym większe korzyści z zastosowania nowego algorytmu. Wynika to bezpośrednio z tego, iż im większy przekrój, tym większa powierzchnia odprowadzająca ciepło, a zatem lepsze chłodzenie. Na rys. 3. i 4. przedstawiono dodatkowe możliwości przesyłowe (po zastosowaniu nowego algorytmu) w porównaniu ze standardowym, sztywnym podejściem do wyznaczania obciążalności. Poza lipcem i sierpniem widać znaczne korzyści płynące z możliwości kontrolowanych przeciążeń (definiowanych jako możliwości bezpiecznego obciążenia prądem o wartości wyższej, niż wynika to ze standardowego podejścia projektowego). Dla maksymalnych temperatur średni wzrost możliwości przesyłowych linii o napięciu 110 kV, w przeliczeniu na miesiąc, to: 8,6 MW dla AFL-6 185, 12,7 MW dla AFL-6 240 i 16,9 MW dla AFL-6 300, przy założeniu, że warunki będą maksymalnie niekorzystne. Jeśli z kolei wziąć pod uwagę znacznie częściej panujące na obszarze naszego kraju warunki pogodowe, to dla średnich temperatur miesięcznych można uzyskać następujące korzyści: 27,5 MW dla przewodów AFL-6 185, 35,8 MW dla przewodów AFL-6 240 i 44,5 MW dla przewodów AFL-6 300. Jak można zauważyć, zastosowanie nowego podejścia daje znaczne korzyści zarówno ze względów ekonomicznych (zwiększone możliwości przesyłowe dla zdecydowanej większości czasu w ciągu roku), jak i w kontekście bezpieczeństwa (niemożliwe jest przekroczenie poziomu obciążenia powodującego przekroczenie limitów temperaturowych). MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Zwiększenie mocy przesyłanej [MW] 32 70 50 30 10 -10 AFL-6 185 AFL-6 240 AFL-6 300 Zwiększenie mocy przesyłanej [MW] Rys. 3. Zwiększenie możliwości przesyłowych przewodów AFL-6 z uwzględnieniem absolutnych maksymalnych temperatur dobowych (opracowanie własne) 70 50 30 10 -10 AFL-6 185 AFL-6 240 AFL-6 300 Rys. 4. Zwiększenie możliwości przesyłowych przewodów AFL-6 z uwzględnieniem średnich temperatur miesięcznych (opracowanie własne) 4. NOWY ALGORYTM ZABEZPIECZENIA ODLEGŁOŚCIOWEGO Nowy algorytm poprawiający pracę zabezpieczenia podimpedancyjnego [4, 5] zaprojektowany został w taki sposób, aby w momencie przekroczenia przez wektor impedancji charakterystyki trzeciej strefy (lub innych stref) sprawdził, czy przy aktualnie panującym obciążeniu doszło do przekroczenia limitu termicznego dla danego przewodu (rys. 5). Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 33 dTC limit dt Rys. 5. Schemat blokowy nowego algorytmu zabezpieczenia odległościowego (opracowanie własne) Nowy algorytm zaimplementowany do zabezpieczenia odległościowego różni się od standardowego przede wszystkim tym, że przed podjęciem decyzji sprawdza również inne warunki, a nie tylko warunek pobudzenia jednej ze stref zadziałania (krok 1. na rys. 5). Po wykryciu pobudzenia strefy zadziałania w pierwszej kolejności sprawdza, czy przekroczony zostanie limit temperaturowy przewodu (krok 2. na rys. 5). Jeżeli tak, to po upływie czasu potrzebnego do nagrzania się przewodu do temperatury maksymalnej wyłączy przeciążoną linię. Jeżeli natomiast nie przekroczy limitu, to sprawdza drugi warunek (krok 3. na rys. 5) „i albo pozwala na pracę w tzw. kontrolowanym przeciążeniu, albo wyłącza linię, potwierdzając wykrycie zwarcia. Drugi warunek, odpowiedzialny za sprawdzanie tempa przyrostu temperatury przewodu, powstał jako dodatkowe wsparcie działania algorytmu. Jest to podyktowane faktem, iż może się zdarzyć, że zwarcie występujące w systemie będzie charakteryzować się zbyt małym prądem, aby przegrzać przewód, jednak – jak każde zwarcie – będzie wysoko niepożądanym stanem pracy i należy je bezzwłocznie wyłączyć. Tempo przyrostu temperatury obliczane jest na podstawie zależności: dTC 1 R TC I 2 qs qc qr dt mC p (8) Człon ten odróżnia również niebezpieczne dla pracy systemu zwarcia od innych stanów pracy (takich, jak przeciążenie czy kołysanie mocy), używając do tego pomiaru tempa przyrostu temperatury przewodu jako wskaźnika dynamiki zmian w pracy systemu. Jak wiadomo, zwarcia są to zdarzenia zachodzące bardzo szybko, a powstały w ich wyniku prąd charakteryzuje się bardzo wysoką amplitudą i tempem narostu. Sprawdzając zatem tempo przyrostu temperatury, można określić, czy pobudzenie przekaźnika nastąpiło wskutek zwarcia, czy za przyczyną innego, bezpiecznego dla pracy systemu odchylenia. Wartość maksymalna tempa zmian temperatury przewodu została wyznaczona doświadczalnie na podstawie analizy różnych zjawisk zachodzących podczas bezpiecznej pracy systemu elektroenergetycznego i wyniosła 2oC na minutę. 5. JAKOŚĆ DZIAŁANIA NOWEGO ALGORYTMU Na rys. 6-8. przedstawiono wybrane sygnały i decyzje spośród wykonanych symulacji działania zabezpieczenia odległościowego z dodatkowym algorytmem opartym na Dynamicznej Obciążalności Linii. Widoczne jest wykrycie zwarcia, a także wstrzymanie zadziałania standardowego algorytmu zabezpieczenia wtedy, kiedy pobudzenie stref nie nastąpiło w wyniku awarii. MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 34 a) b) Rys. 6. Amplitudy prądów w trakcie: a) zwarcia, b) kołysania mocy (opracowanie własne) Jak wynika z przebiegów zamieszczonych na rys. 6, w obu sytuacjach – zarówno dla zwarcia, jak i kołysania mocy – amplitudy prądu znacznie przekraczają te wynikające z długotrwałych obciążeń. Jednak w przypadku kołysania mocy jest to sytuacja całkowicie bezpieczna i zabezpieczenie nie powinno a) 85 zadziałać (rys. 7b). Warto w tym momencie wspomnieć, że zjawisko kołysania mocy może prowadzić do utraty synchronizmu w systemie elektroenergetycznym. Jednak w takich przypadkach powinna zadziałać inna grupa zabezpieczeń (w związku z tym takie sytuacje nie są tu rozpatrywane). b) Zwarcie 1 Zwarcie 2 80 Tmax 70 65 4 Wyłączenie Wyłączenie 75 4.634 s 5 t [s] 5.716 s 6 Rys. 7. Działanie drugiego członu nowego algorytmu – temperatury przewodów w trakcie: a) zwarcia, b) kołysania mocy (opracowanie własne) Na rys. 7. przedstawiono sposób działania drugiego członu nowego algorytmu zabezpieczenia odległościowego, odpowiadającego za porównanie temperatury przewodu z jego limitem termicznym. Jak widać na rys. 7a, w momencie osiągnięcia przez przewód temperatury maksymalnej następuje wyłączenie linii przesyłowej. W przypadku kołysania mocy (rys. 7b) przewód nie osiąga wysokiej temperatury, wzrasta ona zaledwie o jeden stopień Celsjusza (zatem dalsza praca takiej linii jest bezpieczna i algorytm jej nie wyłącza). Na rys. 8. przedstawiono pracę trzeciego członu (z rys. 5) nowego algorytmu. Jak można zauważyć, również ten człon działa prawidłowo, rozróżniając sytuacje zwarciowe od niegroźnego kołysania mocy. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 35 a) b) 2 Brak wyłączenia, limit nieosiągnięty. 1 Kołysanie mocy 1 Kołysanie mocy 2 0 0 5 10 15 t [s] 20 25 30 Rys. 8. Działanie trzeciego członu nowego algorytmu – temperatury przewodów w trakcie: a) zwarcia, b) kołysania mocy (opracowanie własne) 6. PODSUMOWANIE Wykorzystanie dodatkowego algorytmu monitorującego możliwości przesyłowe przewodów napowietrznych, opartego na Dynamicznej Obciążalności Linii, może pozytywnie wpłynąć zarówno na pracę linii napowietrznych, jak i na pracę chroniącego ją zabezpieczenia podimpedancyjnego. Zaprezentowane możliwości znacznego zwiększenia możliwości przesyłowych linii i poprawa skuteczności pracy oraz obniżenie czasu zadziałania zabezpieczenia odległościowego poprzez wykorzystanie nowego algorytmu wyraźnie wskazują na zasadność zastosowania takiego rozwiązania w przyszłości. Należy zauważyć również, iż obniżenie poziomu obciążenia dla lipca i sierpnia, wynikające z przekro- czenia temperatur uwzględnianych podczas projektowania, pozwoliło na uniknięcie konsekwencji niezachowania odpowiednich przepisów dotyczących bezpieczeństwa pracy linii. Literatura 1. IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors, IEEE Std 738-2006 (Revision of IEEE Std 738-1993). 2. The thermal behavior of overhead conductors. “CIGRE, ELECTRA”, 1997, No. 174, Oct., pp. 59-69. 3. Mathematical model for evaluation of conductor temperature in the steady (or quasi-steady) state (normal operation). “CIGRE, ELECTRA” 1992, No. 144 Oct., pp. 109-115. 4. Wiszniewski A., Ungrad H., Winkler W.: Protection techniques in electrical energy systems, New York 1995. 5. Horowitz S., Phadke A.: Third zone revisited. “IEEE TOPD”, 2006, vol. 21, Jan., pp. 23-29. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. Zadanie stanowiące przedmiot niniejszego artykułu było współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. mgr inż. RAFAŁ POLAK Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN Koncepcja i uwarunkowania zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym przedsiębiorstw górniczych W artykule przedstawiono koncepcję budowy i podstawowe uwarunkowania praktycznego opracowania zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym w górnictwie podziemnym. Szczególną uwagę poświęcono problematyce integracji istniejących płaszczyzn informacyjnych oraz oceny efektywności przedsięwzięć podejmowanych w dziedzinie zarządzania parkiem maszynowym. W rezultacie zidentyfikowano istotne grupy czynników rzutujących na efektywność docelowego rozwiązania oraz kluczowe aspekty funkcjonalne systemu realizującego kompleksowy nadzór nad cyklem życia podstawowych środków produkcji. 1. WSTĘP Budowa nowoczesnego, ale przede wszystkim skutecznego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym przedsiębiorstw górniczych stanowi ogromne wyzwanie, które trudno ograniczyć w praktyce do wyboru odpowiedniego narzędzia i firmy wdrożeniowej. Zagadnienie to jest tym bardziej skomplikowane, że zdecydowana większość kopalń w Polsce stanowi obecnie wyodrębnione organizacyjnie zakłady górnicze większej grupy kapitałowej. Struktura taka, powszechna i uznawana za prawidłową w odniesieniu do kopalń będących niegdyś osobnymi przedsiębiorstwami, wiąże się z koniecznością spełnienia wspólnych wymogów co do jakości zarządzania we wszelkich istotnych aspektach ich działalności. W praktyce oznacza to eliminację uwarunkowań, które powstały w przeszłości, oraz budowę spójnego standardu zarządzania w zdywersyfikowanych pod względem organizacyjnym, produkcyjnym oraz technologicznym zakładach górniczych. Podstawowy przedmiot uwagi – majątek produkcyjny kopalń – zważywszy na specyficzne warunki eksploatacji, cechuje zarówno zwiększone obciążenie, przyśpieszone zużycie, uciążliwy dostęp, jak i częsta lub ciągła translokacja w terenie. Zasadniczo uwarunkowania tego typu sprzyjają powstawaniu swoistej bariery pomiędzy wspomagającymi zarzą- dzanie systemami funkcjonującymi na powierzchni a dołową praktyką eksploatacyjną. Rozwiązanie tego problemu wymaga przede wszystkim budowy skutecznego wsparcia systemowego w zakresie kontroli i standaryzacji działań operacyjnych związanych z logistyką i obsługą majątku. W rezultacie konieczne staje się opracowanie koncepcji systemu zarządzania majątkiem, obejmującej integrację poszczególnych obszarów informacyjnych, celem stworzenia jednorodnej, kompletnej przestrzeni danych dla potrzeb ewidencyjnych oraz analityczno-raportowych. W niniejszym artykule podjęto próbę określenia kształtu, jaki przybrać powinno sugerowane, docelowe rozwiązanie, umożliwiające realny wzrost jakości zarządzania w oparciu o wykorzystanie aktualnie dostępnych technologii i narzędzi informatycznych. Przedstawiona koncepcja obejmuje również identyfikację i ocenę podstawowych czynników warunkujących efektywność stosowanego w tym obszarze systemu. 2. CEL I UWARUNKOWANIA ZINTEGROWANEGO SYSTEMU Potencjał kopalń rozpatrywany jest najczęściej w kontekście podstawowego, warunkującego możliwość prowadzenia dalszej działalności zasobu Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 przedsiębiorstwa – dostępnych złóż surowców. Aby jednak ich eksploatacja była możliwa, przedsiębiorstwo górnicze musi posiadać zasoby w postaci środków rzeczowych, finansowych, kapitałowych, ludzkich, intelektualnych oraz informacyjnych. Skupiając się na ostatnim z wymienionych elementów, trzeba zauważyć, iż informacja stanowi w górnictwie element bezcenny, umożliwiający ciągłe pogłębianie wiedzy o otoczeniu. Proces ten, w sposób naturalny wpisany w charakterystykę działalności górniczej, stanowi jej swoisty fundament, tym bardziej dziś, gdy rozwój technologii i konieczność rywalizacji na rynku narzuca branży, cechującej się wysoką kapitałochłonnością, dodatkowe wyzwania w zakresie optymalizacji procesów zarządczych i redukcji kosztów operacyjnych. Definicja zarządzania systemem eksploatacji maszyn, np. podana w publikacji [16], określa je jako „efektywną realizację zadań produkcyjnych polegających na doborze ilościowym i strukturalnym środków produkcji, zgodnym z przeznaczeniem ich zastosowaniem i eksploatowaniem, ciągłym utrzymaniem w gotowości eksploatacyjnej, poprzez monitorowanie zmian stanu oraz prowadzenie uzasadnionej technicznie i ekonomicznie wymiany zużytych maszyn”. Zgodnie z powyższym podstawowym celem funkcjonującego w kopalni systemu wspomagającego zarządzanie majątkiem produkcyjnym powinno być zapewnienie maksymalnej skuteczności podejmowanych w tym obszarze decyzji i działań poprzez: zabezpieczenie dostępu do informacji umożliwiającej prawidłową identyfikację problemów (w tym strat chronicznych) i ich przyczyn, 37 wsparcie w zakresie wyznaczenia przewidywalnie najskuteczniejszych sposobów przeciwdziałania nieprawidłowościom, nadzór nad sprawnością realizacji podjętych działań oraz ich efektywnością. Trafność decyzji i działań podejmowanych przez osoby sprawujące funkcje zarządzania majątkiem produkcyjnym na poszczególnych jego poziomach uzależniona jest w znacznej mierze od dostępu do niezbędnej informacji. Jakość owej informacji rozpatrywać można w kontekście głównych jej cech, takich jak [7]: dokładność, kompletność, aktualność, istotność, zwięzłość, użyteczność, dyspozycyjność, porównywalność, wiarygodność. Podstawowym determinantem skuteczności systemu zarządzania majątkiem, obejmującego procesy planowania, kontroli, organizacji, motywowania i koordynowania wszelkich działań związanych z jego obsługą, są więc istniejące w tym obszarze systemy informowania (systemy informacyjne). Systemy te z definicji obejmują procesy pozyskiwania, klasyfikacji, gromadzenia, przetwarzania, wymiany oraz ochrony informacji dotyczącej zdarzeń lub zjawisk podlegających określonym procedurom ewidencji [11]. Optymalizacja i standaryzacja procesów informacyjnych, na etapie budowy, reorganizacji, lub w ramach ciągłego doskonalenia i rozwoju systemów organizacji, może więc stanowić w znacznej mierze o sprawności i efektywności działania całego systemu informacyjnego przedsiębiorstwa, co wpływa z kolei na percepcję otoczenia, a więc proces podejmowania decyzji. Rys. 1. Uproszczona struktura systemu informacyjnego wspomagającego zarządzanie środkami produkcji (opracowanie własne) Począwszy od lat 60. XX wieku informacyjne systemy zarządzania stanowią łącznie z technikami IT (ang. Information Technology) wspólną dziedzinę wiedzy skupiającą się na problemach dotyczących przetwarzania i ewidencji danych oraz szeroko pojętego zarządzania. Skutecznie działający system zarządzania majątkiem produkcyjnym, tworząc zbiory informacyjne, w pierwszej kolejności za pośrednictwem określonych kanałów informacyjnych zabezpieczyć powinien przepływ wymaganych danych z otoczenia (źródła) do odbiorcy. Proces ten w odniesieniu do maszyn i urządzeń realizowany może być obecnie nie tylko za pośrednictwem zasobów ludzkich, lecz również nowoczesnych, tech- 38 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA nicznych środków umożliwiających zdalną rejestrację, przesyłanie, gromadzenie i przetwarzanie informacji (rys. 1) – przykładowo systemów I&C (ang. Instrumentation and Control) lub RFID (ang. Radio-frequency identification). Aby to jednak było możliwe, budowa, rozwój i utrzymanie systemu wymaga powołania wielofunkcyjnych zespołów angażujących osoby z wielu działów, m.in.: automatyki i telekomunikacji, utrzymania ruchu, księgowości i inwestycji, miernictwa. Przede wszystkim wdrożenie zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym powinno być wynikiem rosnącego zapotrzebowania kierownictwa na rzetelną informację oraz potrzeby jej standaryzacji z zamiarem praktycznego wykorzystania. Pośrednio więc oznacza to wdrożenie procedur i narzędzi organizujących procesy ewidencji danych i nadzorujących przebieg czynności wykonywanych w trakcie całego cyklu życia nadzorowanego obiektu technicznego, od etapu zakupu i instalacji do likwidacji (ang. Life Cycle Asset Management). Pojawienie się tego typu rozwiązań wewnątrz organizacji powinno być efektem realizacji spójnej strategii firmy oraz konsekwencją opracowania kompletnej koncepcji biznesowej, stanowiącej w pewnym sensie umowę klient-dostawca w odniesieniu do zidentyfikowanych korzyści biznesowych. Koncepcja ta, traktują- ca biznes jako „proces, w którym następuje przetwarzanie elementów zasileń (surowce, podzespoły, kapitał, umiejętności, informacje, wiedza itp.) w efekty końcowe (produkty, usługi, informacje, dokumentacje), przynoszące zysk lub stratę” [8], obejmować powinna [9]: określanie potrzeb informacyjnych – specyfikację wymagań informacyjnych, modelowanie i reorganizację procesów gospodarczych, formułowanie koncepcji systemu informatycznego, dobór składników systemu, studium wykonalności wymagań, projekt systemu, projekt funkcjonalny, ogólny projekt techniczny, aspekt biznesowy proponowanych zmian. Proces budowy i użytkowania informatycznego systemu zarządzania majątkiem, stanowiący jego cykl życia, rozumiany jako „ciąg wyodrębnionych, wzajemnie spójnych etapów, pozwalających na pełne i skuteczne zaprojektowanie, a następnie użytkowanie systemu informatycznego” [15], powinien umożliwić osiągnięcie wymiernych, zidentyfikowanych w koncepcji biznesowej korzyści oraz realizację celów zawartych w strategii firmy (rys. 2). Rys. 2. Cykl życia systemu informatycznego [14] Wdrożenie nowego systemu informatycznego, wspomagającego procesy zarządzania majątkiem, powinno z zasady wnieść wartość dodaną do przedsiębiorstwa, jednak jej wymiar często ograniczony być może stopniem skomunikowania systemu z pozostałymi obszarami informacyjnymi. Na tym etapie warto zaznaczyć, iż informatyczny system zarządzania stanowi wyłącznie narzędzie pełniące funkcję przetwarzania i przechowywania danych w strukturze informacyjnej przedsiębiorstwa, w pewien sposób odwzorowujące i standaryzujące obraz rzeczywistości. Jego funkcjonalność a zarazem efektywność uzależniona jest silnie od zaangażowania organizacji w proces jego dopasowania do real- nych potrzeb, które uwzględniać powinny integrację poszczególnych obszarów informacyjnych przedsiębiorstwa, często wspieranych przez różnorodne rozwiązania informatyczne. Najczęściej o zintegrowanym charakterze informatycznego systemu zarządzania świadczy stopień wewnętrznego skomunikowania i standaryzacji w aspekcie dostępu do funkcji, interfejsu oraz danych gromadzonych w systemie [9]. Problematyka budowy zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym, przedstawiona w niniejszym artykule, dotyczy w szczególności budowy spójnej „szyny informacyjnej” i „logiki przetwarzania” gwarantującej dostęp do kluczowych źródeł danych wraz z procesami Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 ich wymiany (aktualizacji) pomiędzy wszystkimi cząstkowymi obszarami informacyjnymi, ze szczególnym uwzględnieniem tych posiadających już dedykowane sobie narzędzia informatyczne. Koncepcja zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym obejmować powinna wszelkie aspekty gospodarki technicznymi środkami produkcji w kontekście uzupełnienia niezbędnych funkcjonalności i integracji istniejących narzędzi informacyjnych obejmujących wymagane dane. Sprawnie działający system, zabezpieczający istotne obszary funkcjonalne, wpływać powinien na poprawę wyników w pięciu podstawowych obszarach: 1. Użytkowania majątku, poprzez m.in.: nadzór nad kluczowymi miarami produktywności i efektywnością wykorzystania wyposażenia produkcyjnego [13]. 2. Utrzymania majątku, poprzez m.in.: wzrost skuteczności diagnostyki stanu technicznego obiektów, dobór prawidłowego planu i intensywności działań konserwacyjno-remontowych skutkujących redukcją całkowitych kosztów posiadania parku maszynowego. 3. Magazynowania i logistyki, w zakresie m.in.: zarządzania zapasami, ewidencji zużycia materiałów i czynności związanych z przeniesieniem, zabudową lub likwidacją miejsca pracy maszyn i urządzeń. 4. Doboru stosownych technologii i rozwiązań technicznych, poprzez dostęp do bazy danych eksploatacyjnych i kosztowych, umożliwiającej m.in.: praktyczną optymalizację ciągów technologicznych, specyfikację warunków zamówień lub bezpośredni dobór wyposażenia w oparciu o zgromadzone doświadczenia, doskonalenie konstrukcji sprzętu we współpracy z jego producentem. 5. Efektywności pracy i standaryzacji zadań operacyjnych realizowanych przez służby utrzymania ruchu w terenie, poprzez m.in.: centralne zarządzanie przeglądami i czynnościami obsługowymi, planowanie marszrut, automatyczną inicjację zleceń naprawczych w oparciu o monitoring on-line. Zintegrowane zarządzanie majątkiem produkcyjnym wymusza budowę kompleksowego systemu informacyjnego integrującego wszelkie dziedziny tematyczne związane z cyklem życia obiektów. W wymiarze czysto ekonomicznym wdrożenie zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym w całym okresie jego życia powinno umożliwić ogólną redukcję jednostkowych kosztów inwestycyjnych i operacyjnych związanych z jego nabyciem, użytkowaniem i utrzymaniem, przekładając się na poprawę stopy zwrotu aktywów – ROA (ang. Return on Assets). 39 3. KONCEPCJA I BUDOWA SYSTEMU Zintegrowany system zarządzania majątkiem produkcyjnym powinien przede wszystkim dostarczyć odpowiedzi na pytania o to, co znajduje się na wyposażeniu zakładu górniczego, jaka jest obecna lokalizacja majątku, jak przebiega proces użytkowania i obsługi obiektu oraz jak kształtują się koszty związane z przebiegiem owych procesów. Popularne techniki „szczupłego” zarządzania (ang. Lean Management) przemawiają za tym, aby pozyskać te informacje możliwie najkrótszą, najbardziej efektywną drogą. Dodatkowe angażowanie pracowników w ciągłą inwentaryzację oraz raportowanie na temat pracy urządzeń najczęściej nie stanowi w tym przypadku mechanizmu optymalnego, jakkolwiek podstawą i pierwszym krokiem wprowadzenia zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym na funkcjonującym organizmie przedsiębiorstwa powinna być inwentaryzacja (paszportyzacja) majątku. W dalszej perspektywie działanie to powinno mieć charakter automatyczny, uwalniając służby kopalni od dodatkowych, cyklicznie wykonywanych prac inwentaryzacyjnych bądź podobnych działań mających na celu wybiórcze pozyskanie szczegółowych informacji na temat przebiegu procesu eksploatacji. Tworząc koncepcję zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym, należy określić podstawowe funkcje, jakie powinien on realizować, takie jak: pełna ewidencja majątku produkcyjnego wraz z podstawowymi danymi i dokumentacją wyposażenia, lokalizacja majątku w terenie, odwzorowanie struktury funkcjonalnej oraz własnościowej, rejestracja i udostępnienie danych dotyczących przebiegu procesu użytkowania i obsługi majątku, automatyzacja i standaryzacja przepływów pracy, umożliwiające sprawne wprowadzenie w życie rekomendowanych działań i strategii opracowanych na podstawie dostępnych danych. Na rys. 3. przedstawiony został uproszczony schemat obejmujący rekomendowanych czterech podstawowych uczestników procesu zarządzania majątkiem produkcyjnym – architekta, obserwatora, nadzór oraz właściciela procesu. Zadaniem należącym do architekta (domyślnie: grupy projektowej przeprowadzającej wdrożenie, realizującej funkcje utrzymania i rozwoju systemu) jest identyfikacja i odwzorowanie procesów wchodzących w obręb systemu zarządzania majątkiem. Zadaniem obserwatora procesu jest dostarczenie danych do systemu – funkcję tę mogą pełnić zarówno pracownicy spra- 40 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA wujący operacyjny nadzór nad procesem użytkowania i obsługi (operator, utrzymanie ruchu), jak i środki techniczne (domyślnie: systemy zdalnej identyfikacji majątku oraz aparatura kontrolnopomiarowa). Nadzór nad procesem, w zależności od jego typu, sprawować mogą zarówno służby utrzymania ruchu w zakresie obsługi majątku, jak i, przykładowo, dział księgowości – w zakresie ewidencji zleconych na zewnątrz usług bądź zakupów. Właściciel procesu (domyślnie: osoba bądź komórka organizacyjna, sprawująca funkcje zarządzania w oparciu o informacje i wiedzę zgromadzoną w ramach zintegrowanego systemu zarządzania) podejmuje decyzje, które implementowane w systemie, obligują osoby sprawujące nadzór do wdrożenia odpowiednich działań. W dalszej części najważniejszą rolę pełni informacyjne sprzężenie zwrotne, stanowiące o trafności działań podjętych na podstawie dostępnych przesłanek lub o popełnionych błędach. Rys. 3. Model przebiegu procesów zarządzania majątkiem produkcyjnym (opracowanie własne) Skuteczność zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem w znacznej mierze podyktowana jest jakością gromadzonych informacji, sprawnością wcielenia przyjętych strategii i zasad w życie oraz dokładnością odwzorowania rzeczywistych procesów na poziomie systemu. Podstawowym zadaniem systemu jest wymiana informacji oraz utworzenie płaszczyzny komunikacji pomiędzy uczestnikami poszczególnych procesów. Można przyjąć, iż obecność narzędzia informatycznego jest niezbędna do standaryzacji czynności oraz budowy spójnego zasobu informacyjnego. System wspomagający funkcje zarządzania w obszarze utrzymania majątku wykorzystywać powinien dostępne obecnie metody i techniki, dając możliwość adaptacji dowolnych strategii obsług prewencyjnych, w tym m.in. PM (ang. Preventive Maintenance), PdM (ang. Predictive Maintenance), RCM (ang. Reliability Centered Maintenance), lub optymalizując działania pracowników na etapie kolejkowania i przydzielania czynności obsługowych w terenie. Poniekąd podstawę wdrożenia zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym kopalń stanowić powinna rozbudowa istniejących bądź wdrożenie nowych informatycznych systemów przewidzianych do wsparcia podstawowych procesów operacyjnych w zakresie zarządzania majątkiem – typowo klasy EAM (ang. Enterprise Asset Management) oraz CMMS (ang. Computerised Maintenance Management System). Dzięki obecno- Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 ści tego typu rozwiązań, stanowiących swego rodzaju podsystem wykonawczy, możliwa staje się automatyzacja i standaryzacja przepływów pracy (zleceń pracy) w obszarze utrzymania środków produkcji, co skutkuje między innymi: zwiększeniem ilości i jakości gromadzonych danych (ich strukturalizacją), poprawą sposobu komunikacji międzyprocesowej i przepływu dokumentów wewnątrz organizacji, centralizacją przydzielania zadań pracy (sprawne wdrożenie zmian w strategiach obsługowych). Narzędzia klasy EAM/CMMS, posiadające w większości elastyczne środowiska przeznaczone do modelowania przepływów pracy (ang. Workflow) oraz dokumentów, upraszczają i automatyzują procesy planowania, przydzielania i koordynacji zadań realizowanych przez pracowników w obszarze utrzymania ruchu. Zastosowanie tego typu rozwiązań umożliwia szczegółową ewidencję zdarzeń eksploatacyjnych oraz dekretację kosztów operacyjnych związanych m. in. z zużyciem materiałów, pracą własnych lub zewnętrznych służb serwisowych. Funkcjonalność ta najczęściej umożliwia optymalizację procesu ewidencji kosztów, zapewniając w rezultacie duże możliwości analityczne 41 z zastosowaniem wielowymiarowej analizy szczegółowych i w pełni wartościowych danych kosztowych z wykorzystaniem hurtowni danych i technologii OLAP (ang. OnLine Analytical Processing) [3]. Automatyzacja tych procesów niesie jednak często ze sobą konieczność zmian w istniejących systemach finansowo-księgowych. W zdecydowanej większości przypadków dotyczy to potrzeby kompleksowej inwentaryzacji środków trwałych oraz zmiany sposobu dekretacji kosztów w odniesieniu do poszczególnych procesów i rzeczywistych miejsc ich powstawania. Zmiany te, poczynione jednorazowo, umożliwiają w dalszej perspektywie wprowadzenie jednolitego standardu działania w zakresie czynności związanych z utrzymaniem ruchu, gwarantując tym samym ewidencję w pełni jakościowych danych umożliwiających weryfikację stanu faktycznego oraz prawidłową ewidencję kosztów bez użycia często stosowanych, sztucznych kluczy podziałowych. Typowy dla górnictwa schemat, umożliwiający eksplorację zgromadzonych w systemie zarządzania majątkiem danych eksploatacyjnych bądź kosztowych w kontekście cech obiektu, zaprezentowany został na rys. 4. Rys. 4. Model przebiegu procesów zarządzania majątkiem produkcyjnym (opracowanie własne) Co istotne, analiza dowolnej informacji (wskaźnika) powinna być przeprowadzana nie tylko w kontekście czasu oraz zmian cech obiektu (grupy obiektów), lecz również w odniesieniu do innych informacji (wskaźników), z którymi może zachodzić korelacja. Definiując właściwe potrzeby informacyjne, technologia i narzędzia najczęściej już obecne w zakładach górniczych powinny służyć budowie i pogłębianiu wspólnych zasobów informacyjnych, wyręczając pracowników z obowiązków bądź usprawniając ich przebieg. Proces budowy bazy wiedzy poprzez eksplorację i drążenie ewidencjonowanych danych (ang. data mining), uwzględniając rozbudowany park maszynowy oraz skrajnie trudne warunki pracy, może znaleźć szczególne zastosowanie podczas planowania remontów tudzież specyfikacji nowych inwestycji zakupowych bądź stosowanych rozwiązań technologicznych. Przemawia to jednoznacznie za koniecznością analizy skutków celem stwierdzenia przyczyn i prawidłowości, 42 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA tym bardziej ze względu na fakt, iż technika zabezpiecza w dzisiejszych czasach najbardziej skomplikowane działania analityczne. Rekomendowaną, podstawową strukturę łączącą dostępne obecnie narzędzia i systemy informacyjne w zakresie gospodarki środkami produkcji przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Koncepcja zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym w zakładach górniczych (opracowanie własne) 1, 2 – zdalna lokalizacja pracowników (operatorów, służb utrzymania ruchu), majątku i materiałów; 3 – ewidencja majątku, czynności obsługowych (m.in. zabudowa, likwidacja) i zużycia materiałów, rozliczenie usług obcych; 4 – inwentaryzacja majątku (lokalizacja, właściciel, stan); 5 – aktualizacja cyfrowej mapy obiektowej (lokalizacja), paszportyzacja (dokumenty, parametry techn.), wizualizacja cech; 6 – informacja diagnostyczna – alarmy inicjujące obsługę, wskaźniki produkcyjności, efektywności i awaryjności (MES); 7 – ewidencja kosztów w układzie rodzajowym, funkcjonalno-kalkulacyjnym według rzeczywistych miejsc ich powstawania; 8 – rejestr środków trwałych, identyfikacja w systemie księgowym; 9 – lokalizacja środków trwałych w terenie, identyfikacja warunków eksploatacji; 10 – dane podstawowe (producent, typ, rodzaj), parametry techniczne, struktura obiektu (elementy składowe), dokumentacja; 11 – rejestr zdarzeń eksploatacyjnych, czynności obsługowych, zużycia materiałów; 12 – raporty przebiegu parametrów produkcyjnych, diagnostycznych, efektywnościowych, niezawodnościowych; 13 – integracja przestrzeni finansowej z kompleksową bazą ewidencyjną; 14 – integracja informacji operacyjnych (użytkowanie i obsługa) z kompleksową bazą ewidencyjną; 15 – eksport danych do środowiska realizującego funkcję integracji i przygotowania danych do celów analitycznych; 16 – raportowanie i analiza kompleksowej informacji zarządczej wspomagającej bieżącą kontrolę miar efektywności, identyfikację problemów, podejmowanie doraźnych decyzji i wyznaczania strategicznych kierunków działania Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Kluczem do budowy przedstawionej sieci powiązań jest przeprowadzenie paszportyzacji majątku, w wyniku której poszczególne składniki majątkowe można zidentyfikować w przedstawionych systemach. Łącząc informacje na temat obsługi maszyn (EAM/CMMS) z informacją na temat jego położenia [systemy informacji geograficznej – GIS (ang. Geographic Information System), systemy identyfikacji radiowej – RFID], sposobem użytkowania, stanem technicznym i produktywnością [systemy MES (ang. Manufacturing Execution System), SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition), HMI (ang. Human–Machine Interface)] można dopiero mówić o budowie kompleksowego systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym. Integracja wymienionych warstw wydaje się czymś naturalnym, umożliwia bowiem usprawnienie obecnie realizowanych procesów zarządczych oraz poprawę stopnia wewnętrznego skomunikowania mię- 43 dzy innymi poprzez fakt, iż dane wprowadzane są jednokrotnie i nie „żyją” odrębnym bytem w poszczególnych podsystemach, co stanowi w rozumieniu autora podstawową cechę zintegrowanego systemu zarządzania. Obecnie, dzięki podejmowanym bądź ukończonym działaniom takim, jak: budowa centralnej bazy danych stanowiącej podstawowy zasób GIS, integracja systemów akwizycji danych za pośrednictwem otwartych standardów wymiany danych – przykładowo OPC (ang. OLE for Process Control), możliwe jest całościowe lub częściowe wdrożenie proponowanego rozwiązania. Przekrój przewidywanego zapotrzebowania na informacje usprawniające i zwiększające jakość zarządzania podstawowym majątkiem produkcyjnym z podziałem na poszczególne źródła danych, pod względem ilości ewidencjonowanych informacji, przedstawiony został na rys. 6. Rys. 6. Przewidywany procentowy udział źródeł danych zabezpieczających potrzeby informacyjne w procesach zarządzania majątkiem produkcyjnym zakładów górniczych (opracowanie własne na podstawie przeprowadzonych badań [6, 4, 5]) 4. EFEKTYWNOŚĆ INFORMATYCZNEGO SYSTEMU ZARZĄDZANIA MAJĄTKIEM Podejmując temat oceny czynników mających wpływ na efektywność systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym kopalni, warto ustalić, co właściwie oznacza owa „efektywność”. Ogólna, powszechnie obecna w większości pozycji literaturo- wych definicja efektywności określa ją jako „rezultat podjętych działań, opisywany relacją uzyskanych efektów do poniesionych nakładów”. W praktyce biznesowej efekty najczęściej stanowią wymierne korzyści ekonomiczne, będące wynikiem zmian w organizacji realizowanych procesów. Efektywność systemu zarządzania majątkiem produkcyjnym, liczona jako stosunek uzyskanych efektów do poniesionych kosztów, jest więc możliwa do oszaco- 44 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA wania zarówno jako podsumowanie zmian wprowadzonych w przebiegu procesów, jak i też jako wartość charakteryzująca jakość zarządzania w odniesieniu do innego przedsiębiorstwa lub jednostki organizacyjnej. W odniesieniu do działań mających charakter projektowy efektywność można identyfikować w ujęciu „ex post” i „ex ante” (przed ich zakończeniem i po nim). Ponieważ główny efekt zmian wprowadzonych w zakresie utrzymania majątku to poprawa stanu obecnego, korzyści te można bezpośrednio zidentyfikować w dłuższym horyzoncie czasowym. Znacznie trudniej jednak określić dokładny poziom kosztów, zarówno tych bezpośrednich, jak i pośrednich, związanych między innymi z zaangażowaniem służb własnych bądź stratami wynikającymi ze startu produktywnego nowego systemu informacyjnego. W praktyce często występuje błędne przekonanie, iż samo wdrożenie rozwiązania danej klasy skutkuje pojawieniem się wymiernych korzyści. Studium przypadku, obejmujące przebieg udanych wdrożeń, przemawia jednak za tym, aby rozwój i opracowanie systemu informatycznego jako narzędzia, były podparte cykliczną analizą, mającą odpowiedzieć na takie pytania, jak: czy warto podejmować dane działanie? jakie będą jego koszty i efekty? za pomocą jakich zasobów – ludzkich bądź sprzętowych – uda się osiągnąć zamierzone cele przy minimalnym koszcie własnym? Tego typu zdroworozsądkowe podejście – obecne na każdym etapie wdrożenia i rozwoju systemu, w tym doboru maksymalnej szczegółowości struktury obiektów, która rzutuje na poziom dekretacji informacji, jak również na koszty utrzymania systemu informacyjnego – stanowi istotę budowy efektywnego systemu zarządzania majątkiem. Wdrażając system wspomagający zarządzanie majątkiem klasy EAM/CMMS, na wstępie większość firm staje przed problemem wyboru narzędzia (systemu informatycznego) oraz firmy wdrożeniowej. Decyzje podjęte na tym etapie mają znaczący wpływ na efektywność przyszłego rozwiązania głównie ze względu na ich wiążący charakter. Na rynku oprogramowania dostępne są liczne systemy wspomagające procesy zarządzania majątkiem; ich mnogość i stopień zintegrowania z innymi aplikacjami bądź modułami może powodować dylemat: zaopatrzyć się w jeden wyspecjalizowany system i integrować go z pozostałymi warstwami biznesowymi czy zastosować moduł dający zbliżone możliwości, wchodzący w skład większego systemu klasy ERP (ang. Enterprise Resource Planning)? Modyfikacje i dopasowanie uniwersalnego oprogramowania do realnych potrzeb stanowią na ogół wyzwanie trudne i kosztowne, opłacalne jednak w przypadku, gdy organizacja wie dokładnie, jakich funkcjonalności i zmian wymaga, oraz jest do nich przygotowana. Działanie takie jest o tyle ryzykowne, że bez wersji dedykowanych dla branży system może być budowany praktycznie od podstaw, co może wpłynąć na funkcjonalność rozwiązania i łączny koszt wdrożenia po uwzględnieniu wymaganych modyfikacji. Rys. 7. Schemat nieprawidłowego oraz prawidłowego przebiegu wdrożenia [12] Wobec powyższego, metodą optymalną jest zatem najczęściej wdrożenie wyspecjalizowanego oprogramowania, którego kształt jest wynikiem zebranych przez lata doświadczeń, dobrych praktyk i wprowadzonych w nim usprawnień. Co ważne, tego typu oprogramowanie z reguły charakteryzuje się w pewnym stopniu ograniczoną elastycznością. Wymaga bowiem, aby organizacja zaadaptowała podstawowe, zdrowe zasady po to głównie, by wyeliminować najbardziej sceptyczny scenariusz budowy sys- temu zarządzania majątkiem, gdzie rozwiązanie informatyczne jest opracowywane pod to, co obecnie istnieje, z pominięciem trudu reorganizacji procesów (rys. 7). Działanie to, rozumiane jako automatyzacja nieefektywnych procesów, wiąże się z wprowadzeniem rozwiązań cząstkowych, mało wydajnych, nie przynoszących dodatkowych wartości, a często stanowiących dodatkowy ciężar do udźwignięcia przez przedsiębiorstwo. Poprawna reorganizacja i zarządzanie procesami uwzględniają planowanie celów, Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 prawidłowy przydział zasobów, określenie sposobu realizacji procesów i ich mapowanie, zarządzanie ich efektywnością oraz tzw. białymi plamami między czynnościami. Ułatwia to w znaczący sposób monitorowanie i koordynację działań oraz zachodzących przepływów informacyjnych. Przygotowanie organizacji do głębokich zmian i reorganizacja sposobu zarządzania procesami stanowi w praktyce niezwykle istotny aspekt wdrożenia systemu informatycznego, rzutujący na wyniki 45 firmy oraz wewnętrzny stopień skomunikowania organizacji. Przykładowy, uproszczony schemat postępowania wskazujący na konieczność wprowadzenia zmian, zamieszczony został na rys. 8. Kolorem żółtym zaznaczone zostały na nim czynniki mające wpływ na efektywność wdrożenia, kolorem zielonym – efekty wprowadzanych zmian, a kolorem pomarańczowym – negatywne skutki będące konsekwencją błędów bądź zaniechań w realizacji przedstawionego procesu decyzyjnego. Rys. 8. Schemat decyzyjny określający przebieg reorganizacji procesów informacyjnych w przedsiębiorstwie [12] 46 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Wprowadzając zmiany w istniejącym systemie zarządzania majątkiem produkcyjnym, w pierwszej kolejności warto odpowiedzieć na pytanie, jakie działania będą efektywne (tj. ich przewidywalna skuteczność w realizacji wytyczonych celów jest na tyle duża, iż warto je podjąć). Skuteczność, rozumiana tutaj jako miara przeprowadzenia właściwych działań w sprawny sposób, stanowi więc w decydującym stopniu o ich efektywności. Działanie skuteczne to takie, które prowadzi do określonego celu, którym może być przykładowo wzrost poziomu bezpieczeństwa pracowników. Działanie tego typu uwzględnia wartości niematerialne, nie bierze jednak pod uwagę kosztów i jest skuteczne pomimo swojej ekonomicznej nieopłacalności. Inaczej skuteczność może być rozumiana w kontekście redukcji kosztów eksploatacji obiektów technicznych i poprawy zdolności produkcyjnych, które, by wykluczyć działania „za wszelką cenę”, powinny być zorientowane na poniesione koszty, tzn. powinny być efektywne ekonomicznie. Rys. 9. prezentuje wyniki rachunku ekonomicznego wykonanego na etapie tworzenia planu wdrożenia w obszarze zarządzania majątkiem produkcyjnym kopalni. Wynik ekonomiczny reprezentowany przez wskaźnik NPV (ang. Net Present Value) przedstawiony został na osi czasu oraz scenariuszy, obejmujących rosnącą ilość działań uporządkowanych według wzrastającej efektywności ekonomicznej, gdzie najbardziej efektywne działania i te bezpośrednio powiązane z nimi (bez których nie mogą one zostać zrealizowane) podejmowane są jako pierwsze. Ponieważ działania opisuje określony poziom ryzyka oraz w niektórych przypadkach zachodzi zjawisko współzależności i synergii efektów, do budowy mapy efektywnościowej przedsięwzięcia (proponowanej kolejności działań) zdecydowano się użyć metody Monte Carlo. Rys. 9. Przykładowy wpływ działań podjętych na etapie budowy sytemu informacyjnego na całkowitą efektywność przedsięwzięcia (opracowanie własne na podstawie przeprowadzonych badań) Rachunek ekonomiczny doskonale ilustruje wpływ kosztów stałych, niezależnych od funkcjonalnego zakresu wdrożenia, związanych z nabyciem i utrzymaniem sprzętu oraz oprogramowania, przydzieleniem zasobów własnych (zatrudnienie dodatkowych pracowników, powołanie zespołu projektowego) czy dostępem do usług doradczych i szkoleniowych. Obecność tych kosztów tworzy tzw. „efekt skali”, skutkujący zwiększonym wykorzystaniem dostępnych środków w ramach kolejnych, uzasadnionych działań, umożliwiających zwiększenie zakresu funkcjonalnego systemu. Prowadzi to do konkluzji, iż każdy projekt, rozumiany jako przedsięwzięcie służące realizacji zadanych celów i osiągnięciu wymiernych korzyści, posiada wartość krytyczną zakresu funkcjonalnego, bez przekroczenia Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 którego może być mało lub zupełnie nieefektywny. W związku z powyższym, inwestując w narzędzie informatyczne i decydując się na zmiany (reorganizację) w funkcjonującym systemie informacyjnym, warto wprowadzić je w możliwie jak najszerszym akceptowalnym zakresie – najlepiej, stosując metodę „małych kroków” bądź pilotażowe wdrożenie z wykorzystaniem metody roll-out. 5. WNIOSKI Szacowany obecny poziom zużycia środków trwałych w górnictwie, wynoszący ponad 53% [1], w połączeniu ze wzrostem ogólnej produktywności majątku, który miał miejsce na przestrzeni lat 19962004 [2], świadczyć może o konieczności rozbudowy istniejącego systemu zarządzania eksploatacją środków produkcji i dopasowania go do warunków zwiększonego ich obciążenia. Podjęta w niniejszym artykule próba scharakteryzowania budowy zintegrowanego systemu informacyjnego, wspomagającego procesy zarządzania majątkiem produkcyjnym, pozwoliła na wyznaczenie czynników oraz działań zidentyfikowanych jako istotne z punktu widzenia efektywności proponowanego w tym obszarze rozwiązania. Do działań tych – w aspekcie czysto technicznym – zaliczyć można w szczególności: przeprowadzenie gruntownej inwentaryzacji (paszportyzacji) majątku łącznie z budową „pomostu” pomiędzy zasobami GIS, systemami ewidencyjno-transakcyjnymi oraz technologiami i środowiskami zdalnej kontroli stanu obiektów, wdrożenie narzędzi umożliwiających budowę systemowego wsparcia w zakresie działań operacyjnych związanych z obsługą majątku i logistyką, pełną ewidencję zdarzeń oraz danych ilościowych i jakościowych za pośrednictwem systemów MES, SCADA, EAM/CMMS, czytników kodu, technologii RFID w odniesieniu do konkretnego obiektu, rezygnację ze stosowania łatwych technologii (typu arkusze kalkulacyjne) na rzecz budowy zintegrowanych zasobów informacyjnych posiadających środowiska umożliwiające raportowanie i analizę danych – BI (ang. Business Intelligence), reorganizację systemu ewidencji kosztów pracy i utrzymania podstawowych obiektów, ukierunkowaną na zapewnienie wymaganej ze względów analitycznych szczegółowości dekretacji danych kosztowych poprzez integrację z oprogramowaniem klasy EAM/CMMS i technicznymi systemami bilansowo-rozliczeniowymi, 47 wdrożenie podejścia projektowego w zakresie ewidencji kosztów eksploatacji podstawowych maszyn górniczych i transportowych związanych bezpośrednio z realizacją konkretnych zadań wydobywczych, celem umożliwienia szczegółowej oceny ekonomicznej przedsięwzięcia, automatyzację przepływów pracy umożliwiającą standaryzację oraz poprawę komunikacji międzyprocesowej, budowę systemu motywacyjnego w oparciu o automatyczną identyfikację przydzielonych i wykonanych zleceń pracy oraz efektywność ich realizacji, przejście od „gaszenia pożarów” w zakresie utrzymania ruchu do obsługi zapobiegawczej opartej, tam gdzie to możliwe, na kontroli stanu on-line poprzez zabudowane systemy I&C. Jednocześnie w odniesieniu do szeroko pojętej organizacji działań oraz wymaganych zmian wewnątrz przedsiębiorstwa nad wyraz istotne wydają się: chęć ciągłego doskonalenia i wykorzystania najlepszych praktyk, świadomość konieczności zmian, koncentracja na efektach, a nie technologiach – ciągła weryfikacja zasadności biznesowej, opracowanie trwałych, przejrzystych oraz celowych wytycznych dotyczących zakresu funkcjonalnego oraz efektów związanych z wdrożeniem narzędzi informatycznych, przygotowanie i gotowość organizacji do głębokich zmian i reorganizacji istniejących procesów, przydzielenie procesom reorganizacyjnym, integracyjnym i wdrożeniowym wysokiego priorytetu, opracowanie projektów bądź programów wiążących realizację wszelkich działań, zgodnie z zaleceniami obecnie stosowanych metodyk zarządzania [10], poprzez m.in.: o koncentrację na kontekście biznesowym, produktach i kryteriach ich akceptacji, o budowę silnej relacji klient-dostawca, o powołanie komitetu sterującego projektem, posiadającego wymagane uprawnienia i decyzyjność, o zarządzanie aspektami efektywności projektu (jakość, koszt, czas, zakres), o powołanie w zespole zarządzania projektem kierowników zespołów zadaniowych – liderów gwarantujących zorientowanie wprowadzonych zmian na wyniki, a nie na same działania, zaangażowanie pracowników wszystkich szczebli w procesy standaryzacji, doskonalenia i optymalizacji realizowanych procesów, zapewnienie wszelkim interesariuszom dostępu do wymaganej informacji. 48 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Zgodnie z maksymą „Kluczem wzrostu jest przejście na wyższy poziom świadomości” (Lao Tzu) większość zidentyfikowanych czynników, determinujących skutecznie i efektywne działanie zintegrowanego systemu zarządzania majątkiem w zakładach górniczych dotyczy – bezpośrednio lub pośrednio – zmian wewnątrz organizacji. Stan taki wydaje się być uzasadniony, ponieważ bezpośrednim właścicielem systemu informacyjnego jest przedsiębiorstwo. Pomimo faktu, iż narzędzia oraz usługi konsultingowe i szkoleniowe dostarczane są przez wybrane firmy obce, od spójnej strategii, wizji i potrzeb wynikających ze świadomości pracowników, jak również chęci wprowadzenia konkretnych zmian wewnątrz organizacji, uzależniony jest sukces projektu. 5. Kicki J., Dyczko A., Polak R. i in.: Opracowanie i wdrożenie zintegrowanego systemu ewidencji, kontroli i oceny pracy maszyn i urządzeń w Działach Energomechanicznych kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej, Kraków 2011, niepublikowane. 6. Kicki J., Dyczko A., Polak R. i in.: Rozszerzenie funkcjonalności systemu EKSPERT o obszar zarządzania dla Działów Energomechanicznych w kopalniach oraz Zakładów Przeróbczych, „EKSPERT TM/ZWR” KGHM Polska Miedź S.A., Kraków 2009, niepublikowane. 7. Kiełtyka L.: Komunikacja w zarządzaniu, Agencja Wydawnicza Placent, Warszawa 2002. 8. Kuczyńska-Chałada M., Sosnowski R., Gajdzik B.: Organizacja i zarządzanie w przemyśle, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008. 9. Lech P.: Zintegrowane systemy zarządzania ERP/ERP II. Wykorzystanie w biznesie, wdrażanie, Difin, Warszawa 2003. 10. Murray A.: PRINCE2. Skuteczne zarządzanie projektami, OGC, Londyn 2009. 11. Nowacki A., Sitarska M.: Procesy informacyjne w zarządzaniu, Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu, Warszawa 2010. 12. Polak N.: Efektywność systemów wspomagających zarządzanie i dekretację kosztów w zakładach produkcyjnych, Kraków 2011, niepublikowane. 13. Polak R.: Koszty cyklu życia urządzeń energomechanicznych w kontekście oceny efektywności ich pracy w podziemnych zakładach górniczych. „Wiadomości Górnicze”, 2011. 14. Rostek K., Gąsiorkiewicz A., Zawiła-Niedźwiecki J.: Informatyka gospodarcza. C.H. Beck, Warszawa 2010. 15. Wrycza S.: Analiza i projektowanie systemów informatycznych zarządzania. Metodyki, techniki i narzędzia, PWN, Warszawa 1999. 16. Żółtowski M.: Komputerowe wspomaganie zarządzania systemem eksploatacji w przedsiębiorstwie produkcyjnym, Komputerowo zintegrowane zarządzanie, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją, Opole 2011. Literatura 1. Franik T.: Analiza zmian udziału przemysłu wydobywczego w osiąganych wynikach makroekonomicznych gospodarki w okresie przemian ustrojowych w Polsce, Komputerowo zintegrowane zarządzanie, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją, Opole 2010. 2. Franik T.: Efektywność wykorzystania trwałych składników majątkowych w górnictwie. Komputerowo zintegrowane zarządzanie, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją, Opole 2011. 3. Januszewski A.: Funkcjonalność informatycznych systemów zarządzania, PWN, Warszawa 2008. 4. Kicki J., Dyczko A., Polak R. i in.: Koncepcja monitoringu i transmisji danych technologicznych dot. pracy samojezdnych maszyn górniczych, KGHM PM S.A., Kraków 2012, niepublikowane. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. mgr inż. MARCIN JANOTA dr inż. KRZYSZTOF WŁADZIELCZYK Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wykorzystanie metody CFD do obliczania natężenia przepływu medium w zaworach przelewowych sekcji obudowy zmechanizowanej W artykule przedstawiono możliwości i sposób obliczania przepływu medium przez zawory przelewowe stosowane w układzie hydraulicznym sekcji obudowy zmechanizowanej. Dla przykładowego zaworu DN10/4,5 zostały wykonane obliczenia natężenia przepływu medium za pomocą programu AUTODESK SIMULATION CFD 2013. Wyniki tych obliczeń porównano z rezultatami obliczeń uzyskanych drogą analityczną. Pozwoliło to na wyciągnięcie wniosków dotyczących dokładności obu metod obliczania wartości natężeń przepływu medium przez zawory przelewowe. 1. WPROWADZENIE W procesie projektowania i późniejszej eksploatacji każdego elementu hydraulicznego niezbędne jest określenie funkcji, który spełnia dany element w układzie, ale również precyzyjne określenie jego parametrów roboczych, które umożliwi prawidłowe funkcjonowanie elementu, a tym samym – prawidłowe działanie całego układu hydraulicznego. Do głównych elementów układu hydraulicznego sekcji obudowy zmechanizowanej należą bloki zaworowe. Zaliczane są one do tzw. hydrauliki podpornościowej, która odpowiada za utrzymanie stałej wartości podporności roboczej sekcji obudowy. W swojej istocie konstrukcyjnej bloki zaworowe stanowią zespół dwóch zaworów: zaworu zwrotnego oraz zaworu przelewowego. Są one montowane na każdym stojaku hydraulicznym sekcji obudowy (bloki pojedyncze). Zadaniem zaworu przelewowego montowanego w tych blokach jest zabezpieczenie stojaków sekcji obudowy przed nadmiernym wzrostem ciśnienia medium roboczego poprzez odprowadzenie niezbędnej jego ilości do otoczenia. Z tego powodu bardzo często (choć niezbyt poprawnie) zawory przelewowe montowane w blokach zaworowych nazywane są roboczymi zaworami bezpieczeństwa. Zawory przelewowe montowane są także bardzo często na pozostałych siłownikach sekcji jako zabezpieczenia jedno- lub dwustronne. 2. CHARAKTERYSTYKA METODY CFD WYKORZYSTYWANEJ DO OBLICZANIA NATĘŻENIA PRZEPŁYWU MEDIUM Programy CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) są numeryczną metodą symulacji przepływów płynów przez ciała stałe lub wokół nich. Zasadą działania tych programów jest stworzenie siatki, czyli rozdzielenie analizowanego obiektu na małe obszary wzajemnie ze sobą powiązane, zwane komórkami. Elementy te są wzajemnie ze sobą połączone węzłami. Poprzez stworzenie takiej siatki oraz określenie warunków brzegowych działających na każdy z elementów siatki program oblicza numerycznie zadane parametry przepływu medium. Użyty do tego celu program Simulation CFD 2013 stosuje iteracyjną metodę aproksymacji równań Naviera-Stokesa [1], zasady zachowania masy, zasady zachowania pędu oraz równań energii. Równania Naviera-Stokesa opisują ruch płynów poprzez wykorzystanie zasady zachowania masy i pędu. Program iteruje te równania dla całego modelu symulacyjnego aż do uzyskania stałego (zbieżnego) rozwiązania. 50 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA W publikacjach na temat modelowania zaworów hydraulicznych stosowane jest oprogramowanie takie, jak Fluent, ANSYS CFX, STAR CD czy FIDAP. Wśród wymienionych programów najpopularniejszy wydaje się być Fluent, stosowany w wielu ośrodkach naukowych i wykorzystywany w przemyśle [2]. Przy poprawnym określeniu warunków procesu przepływu medium analiza CFD daje bardzo precyzyjne wyniki i przydatne informacje charakteryzujące proces przepływu, które byłyby niemożliwe do uzyskania na drodze obliczeń metodą analityczną. Ważnym elementem jest również czas, w którym dana analiza przepływu zostanie wykonana. Obecnie technologia pozwala na wykonywanie obliczeń w „chmurze”, czyli na serwerach obliczeniowych firmy produkującej oprogramowanie, o mocy obliczeniowej znacznie większej niż stacje robocze. Modelowanie zjawisk przepływowych jest zagadnieniem złożonym [6]. Pomimo tego, że uzyskiwane wyniki dotyczące symulacji przepływu są bardzo dokładne, często należy je jeszcze potwierdzić badaniami laboratoryjnymi. 3. PROBLEMATYKA MODELOWANIA PRZEPŁYWU MEDIUM PRZY UŻYCIU METODY CFD 4. KONSTRUKCJA ZAWORU PRZELEWOWEGO DN10/Ф4,5 ZAPROJEKTOWANEGO PRZEZ GRUPĘ FAMUR Złe ustawienie parametrów wstępnych w analizie przepływów metodą CFD może skutkować uzyskaniem pozornie poprawnych wyników, jednak całkowicie niezgodnych z rzeczywistą charakterystyką przepływu. Dlatego też, aby poprawnie interpretować wyniki, należy znać podstawy fizyczne zjawisk zachodzących podczas przepływu medium. Przed przeprowadzeniem analizy uzyskanych wyników należy sprawdzić, czy przyjęte ustawienia programu spełniają warunki zadane przed modelowaniem przepływu. Należy również uwzględnić błąd obliczeń oraz niedokładności wyników. Niedokładność uzyskanych wyników określa się jako różnice między wynikami spowodowane „czułością” modelu, np. porównanie wyników obliczeń dla tego samego modelu z różnymi przybliżeniami siatki. Błąd obliczeń może być spowodowany zarówno przez użytkownika oprogramowania, jak i zastosowany program. Błędy ludzkie eliminuje się najczęściej przez przyjęcie odpowiednich założeń i wykorzystanie doświadczenia użytkownika programu. Błędy programowe niwelowane są przez prawidłowe przyjęcie parametrów obliczeniowych, zgodnie z limitacjami programu. Błędy obliczeń można podzielić na: błędy fizycznego przybliżenia modelu (związane z rozbieżnościami rzeczywistego obiektu a modelu komputerowego), przybliżeń obliczeń komputera (w zależności od architektury procesora), błędy iteracji (określenia poprawnego punktu zbieżności) oraz błędy dyskretyzacji (związane z obliczeniami siatki). W związku z błędami i niedokładnościami wyników symulacji ważne jest przyjęcie poprawnych warunków brzegowych – przybliżenia (gęstości) siatki oraz określenia ilości iteracji dla danej symulacji. Program ma możliwość wyłączania symulacji po określeniu założonej tolerancji zbieżności wyników. Przedstawiony na rys. 1. zawór przelewowy jest nową konstrukcją zaworu typu tłokowo-suwakowego i został zaprojektowany zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 1804-3 [4]. Zawór składa się z łącznika (1) o zakończeniu typu Stecko o odpowiedniej średnicy (DN10 lub DN12), za pomocą którego jest on montowany do bloku zaworowego. W górnej części gniazdo zaworowe jest wytoczone i nagwintowane. W to miejsce wkręcana jest tuleja ustalająca (2) z gniazdem uszczelniającym (3). Tuleja na powierzchni czołowej ma otwory montażowe, umożliwiające jej wkręcenie i wykręcenie z gniazda łącznika (1). Gniazdo (3) wykonane jest z tworzywa sztucznego o odpowiednich parametrach fizyczno-mechanicznych, przez co wyeliminowano uszczelnienie typu „metal-metal”, dotychczas stosowane w zaworach przelewowych. Przez zastosowanie odpowiednich pierścieni uszczelniających (10) i (11) zapewniono uszczelnienie powierzchni bocznych pomiędzy częściami (1), (2) i (3). W gnieździe uszczelniającym (3) osadzono suwliwie tłoczek przelewu (4). Tłoczek posiada promieniowo wywiercone otwory, których zadaniem jest odprowadzenie medium roboczego poza zarys gniazda. Jego górna część ma kształt stożka (A), który w pozycji zamkniętej zaworu osiada na stożku gniazda uszczelniającego (3), na powierzchni (B). Tłoczek (4) zakończony jest kulistą powierzchnią osadzoną osiowo w gnieździe talerzyka (7), którego zadaniem jest prowadzenie sprężyny zaworu (8) w tulei (6). Ściśnięcie sprężyny regulowane jest za pomocą wkrętu regulacyjnego (9), który wkręcany jest do tulei (6). Tuleja (6) na obu końcach jest wewnętrznie nagwintowana. Nad dolnym gwintem znajdują się wywiercone promieniowo otwory (5), przez które medium robocze przedostaje się do otoczenia. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 51 Rys. 1. Konstrukcja zaworu przelewowego DN10/4,5 zaprojektowanego w Grupie FAMUR [5] 5. SYMULACJA PRZEPŁYWU MEDIUM W ZAWORZE DN10/Ф4,5 ZA POMOCĄ PROGRAMU SIMULATION CFD 2013 Analiza przepływu medium w zaworze metodą CFD wymagała wykonania następujących etapów [1, 2]: sformułowanie problemu przepływu, wykonanie modelu zaworu za pomocą programu CAD, przypisanie materiałów, przypisanie warunków brzegowych, wygenerowanie siatki, rozwiązanie i analiza zbieżności, interpretacja wyników. Celem analizy przepływu medium w prezentowanym zaworze było określenie wartości przepływu cieczy przez zawór w zależności od położenia elementu otwierającego (trzpienia). Model analizowanego zaworu przelewowego wykonany został w pro- gramie Autodesk Inventor 2013. Program ten w łatwy sposób umożliwia eksportowanie modelu zaworu do programu CFD w celu dokonania analizy. W modelu symulacyjnym zaworu pominięto elementy niewpływające na natężenie przepływu przy ustalonym wysunięciu trzpienia, czyli sprężynę, uszczelnienia oraz talerzyk sprężyny. Dzięki usunięciu tych elementów, analiza przepływu medium pochłonęła znacznie mniej czasu. Model zaworu użyty w symulacji nie mógł być bowiem zbyt szczegółowy. Zastosowany w analizie model zaworu przedstawiono na rys. 2. W związku z tym, że pominięta została wymiana ciepła, materiały z którego wykonano elementy zaworu nie wpłynęły na symulację przepływu. Dlatego też w programie elementy zaworu określono jako materiał stały. Warunki brzegowe to zmienne, które prawidłowo zdefiniowane, określają odwzorowanie modelu symulacyjnego w stosunku do modelu rzeczywistego. Warunki brzegowe są kluczowe dla analizy wartości i są one zadawane przez użytkownika programu. MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 52 Rozmiar oraz przybliżenie siatki program ustawia automatycznie, co oznacza, że sam dobiera odpowiednie parametry siatki. Jak podano wyżej, siatka wpływa na wartości wyników – przyjęto jednak na podstawie doświadczeń [6], że parametry zaproponowane przez program są wystarczające do przeprowadzanej analizy przepływu. Dla wykonywanej analizy przepływu przyjęto ponadto następujące założenia: ciecz robocza jest cieczą nieściśliwą, właściwości fizyczne cieczy są stałe, nie jest uwzględniania wymiana ciepła, przepływ cieczy jest przepływem turbulentnym, pominięto chropowatość elementów zaworu, cieczą roboczą jest medium o gęstości = 1000 kg/m3. Rys. 2. Trójwymiarowy uproszczony model zaworu przelewowego DN10/4,5 wraz z widoczną strugą cieczy [6] W analizie zadano je przy miejscu wpływu cieczy do zaworu oraz wypływu na pobocznicy walca – kształtu, jaki tworzy ciecz pod talerzykiem. Warunkiem brzegowym jest także wartość ciśnienia medium – jedyna zmienna znana przed analizą. Dla obszaru wlotu wartość tego parametru określana jest w zależności od wersji obliczeń w zakresie od 20 do 54 MPa. Ciśnienie wylotowe medium wypływającego z zaworu jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Warunki brzegowe nie zmieniają się w czasie. Przyjęto, że na ciecz nie działają żadne inne warunki brzegowe. 6. WARTOŚCI UZYSKANYCH WYNIKÓW PRZEPŁYWÓW MEDIUM W ZAWORZE DN10/Ф4,5 I ICH INTERPRETACJA Symulacje przepływu medium przeprowadzono dla zaworu przelewowego przedstawionego na rys. 1. Otwarcia zaworu określono na wysokość: 0,73 mm; 1,1 mm; 1,47 mm oraz 2,2 mm. Stanowi to odpowiednio 1/3, 1/2, 2/3 oraz całkowitą wysokość otwarcia zaworu. Program Autodesk Simulation CFD daje bardzo dużo możliwości analizy wyników przepływów. Jedną z nich jest możliwość przedstawienia parametrów charakteryzujących przepływ dla płaszczyzny przecinającej oś zaworu, np. prędkości przepływu cieczy (rys. 3). Rys. 3. Przykładowy rozkład prędkości dla przepływu medium przez zawór przy jego otwarciu na 2,2 mm i ciśnieniu 25 MPa [7] Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 Na podstawie analizy rozkładu prędkości na płaszczyźnie można określić region, w którym występują największe prędkości przepływu. Istnieje również np. możliwość zaprezentowania w widoku izometrycz- 53 nym regionów, w których dana wartość jest jednakowa. Na rys. 4. przedstawiono obraz rozkładu prędkości medium w zaworze. W tych obszarach prędkość przepływu wynosi 250 m/s. Rys. 4. Rzut izometryczny rozkładu prędkości cieczy przepływającej przez zawór przy jego otwarciu 2,2 mm oraz ciśnieniu 54 MPa [7] W przypadku analizowanego zaworu wykonano symulację przepływów medium dla nastaw ciśnień od 20 do 45 MPa z krokiem co 5 MPa oraz nastawy 54 MPa, która stanowi 20% przekroczenia nastawy ciśnienia 45 MPa. Uzyskane wyniki symulacji przedstawiono w postaci charakterystyki roboczej na rys. 5. Rys. 5. Charakterystyka robocza zaworu przelewowego DN10 uzyskana drogą symulacji przepływów metodą CFD [7] MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 54 7. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA NATĘŻENIA PRZEPŁYWU MEDIUM W ZAWORZE DN10/4,5 METODĄ ANALITYCZNĄ Dla konstruktora zaworu przelewowego przy ustalaniu wstępnych wymiarów zaworu istotne jest stwierdzenie, czy odpowiadają one wymaganiom normy PN-EN 1804-3 pod względem wielkości uzyskiwanych przez zawór objętościowych natężeń przepływu medium (tzw. wydajności zaworu). Mimo stosunkowo prostej konstrukcji charakter pracy zaworu przelewowego stosowanego w układach hydraulicznych sekcji obudowy zmechanizowanej cechuje duża zmienność natężenia przepływu medium w czasie, a co za tym idzie – występują trudności z ustaleniem jego wielkości. Przed wprowadzeniem oprogramowania obliczającego natężenia przepływu metodą CFD jedynymi metodami obliczeń natężenia przepływu medium dla przyjętych parametrów konstrukcyjnych były metody analityczne. Sprowadzały się one do korzystania z uproszczonych zależności, określających natężenie przepływu medium w zaworze w oparciu o ciśnienie zasilania i wymiary węzła stożka zaworu. Jedną z najczęściej stosowanych zależności pozwalającą obliczyć objętościowe natężenie przepływu medium w zaworze przelewowym była zależność zaproponowana przez Z. Koreckiego [3], mająca następującą postać: 2 ∆ (1) gdzie: Q – objętościowe natężenie przepływu [m3/s], βq – współczynnik przepływu, którego wartość dla zaworów kulkowych i stożkowych przyjmuje się od 0,6 do 0,65, Fsz – powierzchnia przekroju szczeliny przy otwartym zaworze [m2], Δp – spadek ciśnienia [Pa], ρ – gęstość cieczy [kg/m3]. W przypadku obliczeń natężenia przepływu medium dla zaworu przelewowego DN10 (rys. 1) wystąpiła konieczność zmodyfikowania postaci zależności (1). W tej wersji zaworu medium przepływa przez 5 otworów rozmieszczonych promieniowo w tłoczku. Sumaryczne pole tych otworów stanowi wartość Fsz uwzględnionej zależności (1). Na rys. 6. przedstawiono schemat węzła stożka z zaznaczeniem wymiarów uwzględnionych w obliczeniach analitycznych natężenia przepływu. Pole otworów, przez które przepływa medium, obliczono osobno dla poszczególnych wartości otwarcia h. Na rys. 7. przedstawiono przykładowe porównanie wartości natężenia przepływu medium w zaworze DN10 uzyskanych na drodze obliczeń analitycznych i w wyniku symulacji komputerowych metodą CFD dla otwarcia zaworu h = 2,2 mm. Rys. 6. Parametry zaworu DN10/4,5 uwzględnione w analitycznych obliczeniach natężenia przepływu medium [7] Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 55 Rys. 7. Porównanie wartości natężeń przepływu medium w zaworze DN10 pochodzących z obliczeń analitycznych i uzyskanych na drodze symulacji metodą CFD dla h = 2,2 mm [7] 8. PODSUMOWANIE Wykorzystanie oprogramowania bazującego na metodzie CFD pozwala na uzyskanie wiarygodnych wartości charakteryzujących przepływ medium w danym elemencie hydrauliki bez konieczności przeprowadzenia badań i pomiarów na rzeczywistym obiekcie. Jest to główną zaletą stosowania analizy CFD. Daje ona możliwość przeanalizowania danych dotyczących obiektu bez tworzenia drogich, rzeczywistych modeli oraz pozwala na dokonanie zmian poprawiających konstrukcję i parametry obiektu jeszcze na etapie prac projektowokonstrukcyjnych. W związku ze znaczącymi różnicami pomiędzy wynikami natężenia przepływu uzyskanymi metodą analityczną i w drodze symulacji komputerowej CFD, sięgającymi 30-40%, obliczenia analityczne z wykorzystaniem m.in. zmodyfikowanego wzoru (1) ze względu na swoją niedokładność nie mają uzasadnienia do stosowania nawet we wstępnych fazach projektowych. Autorzy pragną jednak podkreślić, że korzystanie z oprogramowania wykorzystującego metodę CFD wymaga dużego doświadczenia i intuicji inżynierskiej. Początkowo przy konstruowaniu elementów hydrauliki górniczej również oni korzystali z metod analitycznych określania wartości natężeń przepływu. Jednak znaczne rozbieżności pomiędzy wynikami pomiarów natężeń przepływu uzyskiwanych w prototypowych elementach a wynikami obliczeń analitycznych skłoniły ich do zastosowania oprogramowania wykorzystującego metodę CFD. Było to o tyle prostsze, że dysponowali oni zarówno pełną doku- mentacją techniczną bloków zaworowych, jak i wynikami badań np. [7]. Pozwoliło to na porównywanie uzyskanych wyników obliczeń numerycznych z wartościami natężeń przepływu dla danego elementu uzyskanymi na drodze pomiarów stanowiskowych. Dzięki temu można było oszacować różnicę wyników obliczeń analitycznych i numerycznych. Dla większości rodzajów elementów hydraulicznych różnice wyników uzyskanych za pomocą obydwu metod wahały się w granicach 35-45%. Trzeba w tym miejscu dodać, że wyniki obliczeń uzyskanych na drodze numerycznej (z wykorzystaniem metody CFD) odbiegały od wartości natężeń przepływu medium uzyskanych w wyniku pomiarów o 3-5%. Literatura 1. Computational Fluid Dynamics [online], dostępny w Internecie: http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/products/computationalfluid-dynamics. 2. Domagała M.: Metodyka modelowania zaworów maksymalnych bezpośredniego działania, praca doktorska, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Kraków 2007. 3. Korecki Z.: Napędy i sterowanie hydrauliczne maszyn górniczych, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice 1993. 4. Władzielczyk K., Cymerys A.: Nowe konstrukcje zaworów przelewowych stosowanych w hydraulice górniczej. „Hydraulika i Pneumatyka”, 2008 (28), nr 6, s. 9-12. 5. Władzielczyk K., Stępień P.: Wykorzystanie pakietu CFD FLUENT do analizy przepływu medium w elementach hydrauliki górniczej. „Pneumatyka” (Wrocław), 2007, nr 1, s. 41-43. 6. Władzielczyk K., Cymerys A.: Analiza pracy roboczego zaworu przelewowego metodą CFD w układzie hydraulicznym sekcji zmechanizowanej obudowy ścianowej. „Przegląd Górniczy”, 2011, t. 67, nr 11, s. 98-105. 7. Badania zmodernizowanego bloku zaworowego według wymagań hiszpańskich, Zakład Badań Atestacyjnych Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, Gliwice, wrzesień 1990, niepublikowane. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. dr hab. inż. JOACHIM PIELOT Politechnika Śląska w Gliwicach Wybrane zagadnienia hierarchicznego sterowania i zarządzania w zakładzie przeróbki węgla – cz. II W pierwszej części artykułu [16] omówiono zagadnienia dekompozycji funkcjonalnej i przestrzennej celu sterowania oraz warstwową strukturę sterowania i zarządzania w zakładzie przeróbki węgla kamiennego. W drugiej części scharakteryzowano modele obiektu sterowania w różnych warstwach struktury hierarchicznej sterowania i zarządzania oraz własności algorytmów sterowania w strukturze hierarchicznej. Omówione zostały też zagadnienia planów produkcyjnych oraz optymalizacji bieżącej stanu ustalonego automatyzowanych procesów. 4. MODELE OBIEKTU W WARSTWOWEJ STRUKTURZE STEROWANIA I ZARZĄDZANIA Wypracowanie decyzji jest czynnością skierowaną ku przyszłości, gdyż sterowaniu podlegają jedynie przyszłe stany procesu. Z tego powodu, oprócz znajomości stanu procesu, potrzebne są modele matematyczne wykorzystywane do prognozowania przyszłych stanów procesu. Modele matematyczne są stosowane w algorytmach sterowania, których zadaniem jest osiągnięcie celów procesu. Algorytmy te wyznacza się metodami analitycznymi i symulacyjnymi. Ten sam proces może mieć różne modele matematyczne w różnych warstwach struktury hierarchicznej, zależnie od rozwiązywanego zadania decyzyjnego. Procesy przemysłowe, w tym procesy, którym jest poddawana struga węgla surowego w zakładzie przeróbki, są procesami dynamicznymi [20]. W produkcji sortymentów handlowych węgla ważne jest, aby ich jakość była stabilna. Z tego powodu sterowanie przebiegiem procesów rozdzielczych ma na celu stabilizację parametrów jakościowych produktów oraz odpowiednie reagowanie na różne zakłócenia, wpływające na zmianę tychże parametrów. W warstwie sterowania bezpośredniego i zabezpieczeń układy sterujące poszczególnych operacji mają za zadanie przede wszystkim bezpieczne prowadzenie procesów. Wartości zadane zmiennych sterujących przekazywane do tych układów z warstwy sterowania nadrzędnego lub optymalizacji mają na celu stabilizację parametrów – głównie parametrów koncen- tratów z operacji wzbogacania węgla. Zmiany wartości zadanych zmiennych sterujących oraz zakłócenia, zwłaszcza szybkie, powodują wahania stabilizowanych parametrów wskutek inercji i opóźnień w obiekcie sterowania, we wzbogacalnikach, przenośnikach, przesiewaczach i operacjach pomocniczych. Jeżeli układy regulacji bezpośredniej funkcjonują poprawnie, to po okresach takich fluktuacji1 zachodzi stabilizacja wartości określonych parametrów produktów, a precyzyjniej mówiąc, parametry te zawierają się w pewnych akceptowalnych przedziałach wartości. Można zatem powiedzieć, że obiekty sterowania – a więc poszczególne operacje przeróbcze – są przez układy regulacji nadrzędnej oraz algorytmy optymalizacji bieżącej postrzegane jako wolne procesy dynamiczne. Tak więc względnie szybkie procesy w operacjach wzbogacania wraz z warstwą sterowania bezpośredniego stanowią system wykonawczy (rys. 1) [16] dla układów regulacji nadrzędnej i algorytmów optymalizacji [19]. Dlatego zmiany parametrów jakościowych produktów handlowych2, które są procesami wolnozmiennymi, pozwalają 1 Zakłócenia w procesach wzbogacania występują oczywiście nieustannie – np. chwilowe fluktuacje składu ziarnowego i wzbogacalności węgla surowego czy ilości nadawy do procesów wzbogacania [5]. Mimo różnych zabiegów – najprostszym jest tutaj uśrednianie, ale częściowe tylko, parametrów węgla w zbiornikach buforowych – zakłócenia te wpływają na chwilowe zmiany parametrów produktów wzbogacania. 2 Oczywiście poszczególne ziarna w produktach końcowych, trafiające do ekspedycji, mogą mieć różne parametry jakościowe, jednak istotne są uśrednione parametry odpowiednio dużej masy węgla, np. wagonu; postulowane jest nawet określanie średnich parametrów jeszcze większej masy węgla [2, 9], np. całego składu wagonów. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 traktować produkcję sortymentów handlowych węgla jako procesy optymalizowane na bieżąco poprzez algorytmy warstwy optymalizacji oraz, ze mniejszą częstotliwością interwencji, przy harmonogramowaniu produkcji i planowaniu strategii, w ramach działań podejmowanych w warstwach zarządzania. W hierarchicznej strukturze warstwowej sterowania i zarządzania (rys. 1) [16] każda warstwa steruje wprawdzie tym samym obiektem, lecz każda w inny sposób, gdyż obiekt jest widoczny przez pryzmat warstwy niższej. Modelowanie obiektu pod kątem projektowania sterowania uwzględnia tylko istotne zależności – im wy- 57 żej w modelu hierarchicznym, tym sygnały są wolniej zmienne. Rys. 3. ilustruje sposób modelowania obiektu w postaci struktury zagnieżdżonej w następujących po sobie warstwach sterowania i zarządzania. W konkretnej warstwie przyjmuje się model obiektu łącznie z układami sterowania wszystkich niższych warstw, a w konsekwencji – efekty działania tych układów, które pozwalają na takie uproszczenia modelowe. W praktyce przemysłowej jest to sprawdzony i skuteczny sposób projektowania, sterowania i optymalizacji automatyzowanych procesów [19]. Rys. 3. Modelowanie obiektu sterowania w hierarchicznej strukturze warstwowej [15] W tabeli 1. podane zostały najważniejsze cele realizowane w poszczególnych warstwach struktury hierarchicznej, typowe okresy interwencji oraz rodzaje modeli matematycznych w rozpatrywanych warstwach. Operacje przeróbcze oraz układy technolo- giczne przeróbki węgla są procesami i obiektami dynamicznymi [20]. W wyższych warstwach struktury hierarchicznej obiekty te są postrzegane jako statyczne i charakteryzują stany ustalone. Tabela 1. Cele, okresy interwencji i rodzaje modeli w warstwach struktury hierarchicznej [19] Warstwa Sterowania bezpośredniego i zabezpieczeń Regulacji nadrzędnej Optymalizacji Zarządzania produkcją Zarządzania przedsiębiorstwem Główny cel Okres interwencji Model Stabilizacja i nadzorowanie procesu Ułamek sekundy, sekundy Dynamiczny szybki – liniowy lub nieliniowy Dynamiczny wolny – liniowy lub nieliniowy Statyczny nieliniowy (dynamiczny) Statyczny bilansowy – liniowy lub nieliniowy Statyczny bilansowy – liniowy (nieliniowy) Sterowanie jakością produktów, regulacja zmiennych decyzyjnych Maksymalizacja bieżącej wartości produkcji Maksymalizacja wartości produkcji w dłuższych okresach Strategiczna maksymalizacja wartości produkcji Minuta Godzina Zmiana produkcyjna, kilka dni Miesiące, lata 58 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 4.1. Właściwości algorytmów sterowania w warstwowej strukturze sterowania [14] W zakładzie wzbogacania węgla znajomość charakterystyk węgla surowego i potrzeb rynku (zwłaszcza na etapie projektowania układu technologicznego) jest niepełna. Z kolei podczas produkcji zmieniają się często punkty pracy maszyn przeróbczych, ceny węgla, a nawet normy ekologiczne. Wszystkie te czynniki wpływają na konieczność stosowania – oprócz optymalizacji projektowej wstępnej – optymalizacji bieżącej procesów przeróbczych w warstwie optymalizacji, czyli takiego sterowania procesów wzbogacania, dzięki któremu uzyskać można np. maksymalną wartość produkcji o zadanej jakości. Celem optymalizacji bieżącej jest więc najlepsze wykorzystanie węgla surowego, zależnie od bieżących kontraktów handlowych, wymuszających określoną jakość produktów3. Wypracowane w warstwie zarządzania produkcją sterowania optymalne (optymalne wartości parametrów rozdziału operacji przeróbczych) są przekazywane i zadawane do niższych warstw struktury sterowania w celu realizacji odpowiedniego zadania produkcyjnego. W praktyce przemysłowej w warstwie optymalizacji najczęściej stosowane jest sterowanie stanem ustalonym. Wskutek różnych zakłóceń, czyli zmian wartości wejść niesterowanych oraz nieuniknionych błędów sterowania, wynikających chociażby z niepewności pomiarów w warstwie sterowania bezpośredniego, współrzędne rzeczywiście osiągniętego punktu pracy obiektu sterowania różnią się od współrzędnych punktu optymalnego. Gdyby wartości zakłóceń były znane, czyli poprawnie zmierzone bądź zidentyfikowane, wtedy zadanie optymalizacji mogłoby być poprawnie rozwiązane przy znajomości modelu statycznego obiektu sterowania. Charakterystyka statyczna obiektu jednak zmienia się, i to nieraz znacząco, pod wpływem zakłóceń, które najczęściej są niemierzalne albo trudne do zmierzenia [18]. Możliwe jest, w ograniczonym stopniu, poszukiwanie punktu ekstremalnego tradycyjnymi metodami regulacji ekstremalnej z badaniem znaków pochodnych wymuszeń i odpowiedzi [10]. Opracowane zostały jednak predykcyjne, iteracyjne algorytmy regulacji ekstremalnej, których ogólna struktura przedstawiona jest na rys. 4. W warstwowej strukturze sterowania najistotniejszą cechą są hierarchiczne powiązania między algorytmami sterowania w różnych warstwach. Algorytm warstwy wyższej wypracowuje parametry, zmienne sterujące, wykorzystywane w warstwie niższej. Najważniejsze właściwości algorytmów powiązanych hierarchicznie sformułować można następująco: problemy decyzyjne rozwiązywane w warstwach wyższych są bardziej złożone i mniej przejrzyste, algorytm warstwy wyższej wyznacza decyzje dotyczące większego fragmentu procesu lub decyzje bardziej ogólne, horyzont sterowania w algorytmu warstwy wyższej jest dłuższy – cele są osiągane w dłuższym czasie; algorytmy są opracowywane na podstawie modeli statycznych obiektów sterowania, zakłócenia kompensowane przez algorytmy warstwy wyższej mają większe znaczenie, ale węższe widmo częstotliwościowe, wyniki identyfikacji obiektów w warstwach wyższych zależą od struktury i parametrów algorytmów w warstwach niższych. 5. PLANY PRODUKCYJNE I OPTYMALIZACJA BIEŻĄCA Przy tworzeniu planów produkcyjnych względnie łatwe jest przewidywanie w zakładzie wzbogacania węgla – przynajmniej, jeśli chodzi o zakład funkcjonujący w ramach kopalni – struktury składu ziarnowego nadawy węgla surowego w horyzoncie czasowym rzędu roku. Struktura ta wynika z właściwości węgla w pokładach eksploatowanych i planowanych do eksploatacji, a także ze stosowanych technik i technologii eksploatacji oraz wydobycia węgla. Natomiast o jakości i rodzaju sortymentów handlowych decydują technologie przeróbki węgla, wyposażenie techniczne w zakładach przeróbki oraz warunki kontraktów handlowych, które mogą być zmienne, zwłaszcza w przypadku odbiorców mniejszych ilości węgla niż energetyka zawodowa. Ważnym zagadnieniem optymalizacji produkcji jest opracowanie odpowiednich scenariuszy i harmonogramowanie produkcji. Z reguły są to wielowariantowe i wielokryterialne [21] analizy wartości produkcji, które powinny być wypracowane w warstwie zarządzania produkcją. Bilansowanie i programowanie produkcji w zakładzie przeróbki węgla podane jest przykładowo w pracach [6, 13]. 3 Doświadczenia innych zakładów przemysłowych, w których od dawna stosuje się optymalizację bieżącą, pokazują, że jest to proces nieustanny, którego nie należy traktować jako jednorazowy etap, lecz jako kierunek ciągłego działania [14]. Zwłaszcza sterowanie komputerowe otwiera tutaj nowe możliwości [7, 11]. Nr 5(519) WRZESIEŃ-PAŹDZIERNIK 2014 59 Rys. 4. Struktura sterowania iteracyjnego optymalizacji stanu ustalonego [19] Algorytmy predykcyjne po każdym próbkowaniu sygnałów wejściowych i optymalizacji funkcji celu, sformułowanej w pewnym określonym horyzoncie czasowym, wyznaczają odpowiednie sterowania. Względnie prostym sposobem jest wykorzystanie danych nowego punktu pomiarowego do identyfikacji oraz poprawy – adaptacji – modelu obiektu [8]. Inne, zaawansowane algorytmy iteracyjnej optymalizacji bieżącej punktu pracy zostały obszernie, wraz z przykładami, scharakteryzowane w pracy [19]. Są to algorytmy działające w warunkach dużej niepewności, wynikającej zarówno z niedokładności modelu obiektu, jak i błędów szacowania zakłóceń. W układzie z algorytmem sterowania (jak na rys. 4.) ocena bieżącej wartości produkcji (na podstawie danych ekspedycyjnych z wag taśmowych i popiołomierzy) oraz oszacowanie zakłóceń (np. zmian własności technologicznych węgla surowego za pomocą pomiarów parametrów jakościowych oraz analizy składu ziarnowego w trybie on-line) oddziałujących na obiekt sterowania prowadzić mogą do wypracowania odpowiednich korekt wartości zadanych parametrów rozdziału. Reasumując, można stwierdzić, że optymalizacja bieżąca stanu ustalonego polega na etapowych, sukcesywnych działaniach dostrajania wartości zadanych do regulatorów w warstwie sterowania bezpośredniego. Wartości zadane są optymalizowane, a celem ich zmian jest kompensacja zmian sygnałów na wejściach niesterowanych oraz cech obiektu [19]. 6. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonej kwerendy różnych opracowań wynika, że węgiel kamienny będzie jeszcze przez dłuższy czas pełnił rolę podstawowego surowca, zapewniającego bezpieczeństwo energetyczne kraju [1, 3, 4, 15, 17]. Niezwykle ważnym zagadnieniem ekonomicznym jest więc lepsze wykorzystanie węgla surowego poprzez 60 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA jego optymalne wzbogacanie, czemu sprzyja hierarchiczna struktura warstwowa. Sterowanie i zarządzanie złożonym obiektem przemysłowym, jakim jest układ technologiczny przeróbki węgla, jest dokonywane w kilku warstwach uporządkowanych hierarchicznie. Scharakteryzowano zatem zagadnienia dekompozycji celu sterowania na odpowiednie cele cząstkowe, które wyznaczają odpowiednie zadania cząstkowe, realizowane w poszczególnych warstwach struktury hierarchicznej. Omówione zostały ogólnie rozwiązania aktualnie stosowane oraz postulowane. Zestaw zadań, które są wykonywane przez system automatyki, oraz powiązania pomiędzy tymi zadaniami tworzą strukturę funkcjonalną systemu automatyki. Najbardziej charakterystyczną cechą struktury funkcjonalnej są hierarchiczne powiązania między grupami algorytmów sterowania w różnych warstwach sterowania struktury hierarchicznej (z reguły algorytm warstwy wyższej wyznacza parametry zadawane do kilku algorytmów warstwy niższej). Najważniejsze właściwości hierarchicznego sterowania i zarządzania [14], to: dokonywana jest dekompozycja złożonego problemu decyzyjnego na szereg problemów decyzyjnych prostszych i bardziej precyzyjnie określonych, algorytmy sterowania w poszczególnych warstwach mogą być wykonywane równolegle, co skraca czas obliczeń, a to z kolei jest szczególnie istotne przy krótkim horyzoncie sterowania, podział obciążenia obliczeniowego pozwala na osiągnięcie większej niezawodności systemu automatyki, w przypadku konieczności modyfikacji algorytmów sterowania zasięg modyfikacji jest bardziej ograniczony, niezawodność sytemu jest znacząco lepsza – awaria lokalnego układu regulacji nie pociąga za sobą konieczności przerwania ruchu całego zakładu. Struktura warstwowa pozwala również na elastyczne reagowanie w przypadkach różnych typów zakłóceń produkcji. Ułatwia wprowadzenie odpowiednich scenariuszy postępowania przy różnych awariach, a także tworzenie alternatywnych harmonogramów produkcji. Wszystko to razem, wraz z modelowaniem produkcji w warstwach zarządzania, może być źródłem wiedzy o układzie technologicznym przeróbki węgla. Wiedza jest podstawą rozwoju przedsiębiorstw przyszłości, będzie ona też najistotniejszym czynnikiem przewagi konkurencyjnej [12]. Można nawet powiedzieć, że barierą rozwoju społecznego nie jest zdolność produkcyjna przedsiębiorstw, lecz zdolność opracowywania nowych idei, a więc szybkość rozwoju technologii. W dużym stopniu opracowywanie nowych koncepcji produkcyjnych i wyna- lazków zależy od technologii przetwarzania informacji i zarządzania wiedzą [15]. Zagadnienia te w istotnym stopniu mogą być rozwijane w hierarchicznej strukturze sterowania i zarządzania. Literatura 1. Barszcz M., Kaliś H.: Polityka energetyczna. Zagrożenia dla polskiej gospodarki. „Nowa Energia”, 2009, nr 3(9), s. 14-22. 2. Bartoniek W., Głowiak S.: Ekonomiczne aspekty eksploatacji osadzarek, Materiały IX Konferencji Automatyzacji Procesów Przeróbki Kopalin, Szczyrk, 4-6 czerwca 2003, s. 7-2,; Szczyrk, 28-30 maja 2008, s. 9-21. 3. Blaschke W.: Perspektywy węgla w gospodarce świata i Polski – szanse polskiego węgla w Unii Europejskiej. Polityka Energetyczna, t. 8, z. spec., WIGSMiE, Kraków 2005, s. 13-34. 4. Buchwald P.: Rola węgla w założeniach do bilansu paliwowoenergetycznego Polski, Materiały Konferencyjne Kongresu Górnictwa Podziemnego, Gliwice 2010, s. 19-31. 5. Cierpisz S.: Zakłócenia w układach sterowania produkcji mieszanek węgla. „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, 1997, nr 3 (320), s. 28-33. 6. Cierpisz S.: Bilansowanie produkcji zakładu wzbogacania węgla. „Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej”, nr 1697, s. Górnictwo, z. 269, Gliwice 2005, s. 353-359. 7. Duda J. T: Modele matematyczne, struktury i algorytmy nadrzędnego sterowania komputerowego, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo–Dydaktyczne AGH, Kraków 2003. 8. Forbes J.F.: Model Structure and Adjustable Parameter Selection For Operations Optimization, McMaster University, 1994. 9. Głowiak S.: Wybrane zagadnienia regulacji jakości produktów wzbogacania w osadzarce, Materiały XII Konferencji Automatyzacji Procesów Przeróbki Kopalin, Szczyrk, 31 maja – 2 czerwca 2006, s. 83-96. 10. Halawa J.: Symulacja i komputerowe projektowanie dynamiki układów sterowania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007. 11. Havlena V., Lu J.: A distributed automation framework for plantwide control, optimization, scheduling and planning, 16th IFAC World Congress, Prague, Czech Republic, 4-8 July 4, 2005, p. 80-94, DVD Tu-M03-TP/14 (paper code). 12. Klonowski Z. J.: Systemy informatyczne zarządzania przedsiębiorstwem. Modele rozwoju i właściwości funkcjonalne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004. 13. Kostorz I.: Prognozowanie i bilansowanie produkcji zakładu wzbogacania węgla jako obiektu sterowania z zastosowaniem modelu symulacyjnego, -raca doktorska (niepublikowana), Gliwice 2008, Biblioteka Główna Politechniki Śląskiej. 14. Niederliński A.: Systemy komputerowe automatyki przemysłowej, t. 2. Zastosowania, WNT, Warszawa 1985. 15. Pielot J.: Wielokryterialna optymalizacja produkcji układów technologicznych grup wzbogacalników grawitacyjnych, Monografia nr 306, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. 16. Pielot J.: Wybrane zagadnienia hierarchicznego sterowania i zarządzania w zakładzie przeróbki węgla, cz. I. „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, 2014, nr 3 (517), s. 37-44. 17. Sienkiewicz M.: Węgiel a bezpieczeństwo energetyczne Polski. „Nowa Energia”, 2009, nr 4(10), s. 48-51. 18. Świątek J.: Wybrane zagadnienia identyfikacji statycznych systemów złożonych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009. 19. Tatjewski P.: Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych. Struktury i algorytmy, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2002. 20. Trybalski K.: Analiza właściwości dynamicznych procesów i układów technologicznych przeróbki surowców mineralnych, Rozprawy Monografie nr 83, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo–Dydaktyczne AGH, Kraków 1999. 21. Witkowski T.: Decyzje w zarządzaniu przedsiębiorstwem, WNT, Warszawa 2000. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.