book - Mining - Informatics, Automation and Electrical

Transkrypt

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
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.
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.
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
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
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
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.
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
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.
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
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]
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.
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.
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.
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).
Rys. 2. Obwód aktywnego zrównoważenia ogniw [1]
Rys. 3. Mechanizm równoważenia ogniw w obwodzie aktywnym [1]
21
22
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.
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
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).
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
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.
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.
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].
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
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)
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).
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).
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.
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:
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.
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:
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.
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
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
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
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
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-
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
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
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
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,
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
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
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
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.
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
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.
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.
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]
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]
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]
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.
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.
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
Statyczny nieliniowy
(dynamiczny)
Statyczny bilansowy
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
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].
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
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.

book - Mining - Informatics, Automation and Electrical

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wzory rysunków Laserowe urządzenie będzie słuyło do

Rozwiązać podaną ramę (wykresy M Q N ) HB 30 3 20 20 C 20 3 x

zał.13-rys.nr.19-przykład oprawy lampy

Zielony dach o kącie nachylenia 17-40%

Grzałka indukcyjna - rabat, nowa cena - Auto

lokalizator czujek

zał.13-rys.nr.20-przykład oprawy lampy

Rysunki przedstawiające przyrządy służące do mierzenia