Preventívne sledovanie stavu v čističkách odpadových vôd

Takmer každý a navyše každý deň využíva tieto prevádzky: 99 % domácností v Nemecku je pripojených k čistiarni odpadových vôd. Čistiarne odpadových vôd čistia odpadovú vodu do takej miery, aby mohla byť bezpečne vrátená do riek a vodných tokov a vrátená späť do obehu vody. Čistiarne vykonávajú túto úlohu nepretržite, 24 hodín denne, sedem dní v týždni. Základným predpokladom je, aby všetky procesy čistenia odpadových vôd fungovali hladko. V čistiarni odpadových vôd v meste Rotenburg nad Fuldou však vznikol tento problém: v čerpacej stanici recirkulácie kalu sa opakovane objavovali poruchy prevodovky špirálového čerpadla.
Preventívne sledovanie stavu v čističkách odpadových vôd

O čistiarni v Rotenburgu nad Fuldou

Čistiareň odpadových vôd v meste Rotenburg nad Fuldou je mestský podnik. Jeho služby obsahujú zásobovanie všetkých zákazníkov na území mesta vodou a likvidáciou odpadových vôd. Oblasť dodávky a likvidácie zahŕňa centrum mesta, ako aj všetky mestské časti. Prívod pitnej vody je zo štyroch hĺbkových vrtov, dvoch plytkých studní a viacerých prameňov. Odstraňovanie odpadových vôd zahŕňa predovšetkým čistenie a likvidáciu odpadových vôd z domácností aj priemyselných a servisných spoločností, ktoré sa tam nachádzajú.

Poruchy spôsobené nesprávnym návrhom

Čistiareň odpadových vôd v Rotenburgu nad Fuldou je dimenzovaná na zaťaženie s ekvivalentom 34 000 obyvateľov a v súčasnosti zabezpečuje služby pre približne 20 000 ľudí. Tri závitovkové (Archimedove) čerpadlá sú pripojené k sekundárnemu vyrovnávaciemu kotlu v čerpacej stanici na recirkuláciu kalu. Tie zabezpečujú, že biologický kal zo sekundárneho kotla neprúdi do rieky Fulda, ale späť do prevzdušňovacích nádrží, kde mikroorganizmy zabezpečia rozpad rozpustných organických znečisťujúcich látok v odpadových vodách. „Kal z biologického čistenia by sa za žiadnych okolností nemal dostať do rieky Fulda, pretože mikroorganizmy by spôsobili ohrozenie životného prostredia. Musíme si byť istí, že pohony čerpadiel v čerpacej stanici recirkulácie kalu sú vždy v poriadku. V núdzových situáciách dokážeme pomocou ponorných čerpadiel udržať prietok,“ vysvetľuje Antonio Genovese, manažér čističky odpadových vôd v Rotenburgu.

Pre konštrukčnú chybu zlyhalo každé z troch čerpadiel spravidla raz za rok. Maximálna životnosť prevodovky bola asi dva a pol roka. V čase, keď došlo k poruche, sa objavilo iba mechanické poškodenie: pre poškodenie ložiska bol blok ozubenia doslova roztrhnutý a musel byť úplne vymenený, čo bolo nákladné.

Riešenie monitorovania bolo implementované rýchlo

Čistička odpadových vôd v Rotenburgu spolupracuje so spoločnosťou Willich od roku 1992. Systémový integrátor sa opiera o automatizačné riešenia spoločnosti Mitsubishi Electric. V Rotenburgu tak možno nájsť rôzne generácie meničov Mitsubishi Electric, riadiacich systémov a V/V modulov, ako aj prevádzkových jednotiek. Na riešenie problémov v čerpacej stanici recirkulácie kalov Willich a Mitsubishi Electric navrhli riešenie monitorovania stavu postavené na systéme FAG SmartChecks. Michael Böttner, programátor vo firme Willich, konštatuje: „Monitorovaním pomocou vibračných snímačov získavame včas informácie o akýchkoľvek odchýlkach od normálnych hodnôt, ktoré by mohli viesť k poškodeniu stroja. Na základe veľkosti nameranej odchýlky možno presne určiť chybu a problém môže byť rýchlo odhalený a vyriešený. Takto sa dá vyhnúť časovo aj nákladovo náročným odstávkam s pozitívnym dopadom na prevádzkovú bezpečnosť a celkové prevádzkové náklady.“

Od prvotnej myšlienky až po nasadenie monitorovania prešlo len niekoľko týždňov: návrh systému bolo definovaný na stretnutí priamo na mieste, káblovanie, inštalácia a uvedenie do prevádzky zabrali jeden deň. Prvý poplach prišiel po deviatich mesiacoch. Po ďalších štyroch mesiacoch prevodovka zlyhala úplne. „Na základe vytváranej dokumentácie sa dalo ukázať, ako včasné varovanie umožnilo upozorniť na odchýlku od normálu, ktorú možno zvyčajne ľahko napraviť, ale o tri mesiace neskôr to už môže viesť k úplnému zlyhaniu. Pomocou monitorovania stavu možno chybu zamerať a opraviť ju. V závislosti od závažnosti problému možno tiež pokračovať v používaní motora až do konca jeho životnosti, ale práve vďaka včasnému varovaniu si dokážete včas objednať jeho výmenu. Výmena sa potom môže zrealizovať bez akéhokoľvek oneskorenia.“ hovorí A. Genovese.

Inteligentné snímače hlásia alarm

Riadiaci systém MELSEC monitoruje nielen mechanické časti pomocou systému FAG SmartCheck, ako je to aj v prípade čističky v Rotenburgu, ale aj elektrické komponenty. Komunikačný protokol SLMP, ktorý je implementovaný špeciálne pre riadiace jednotky Mitsubishi MELSEC radu L a Q, umožňuje priamy prenos definovaných hodnôt. Integrovaný snímač vibrácií je pripojený ku každému z troch pohonov čerpadiel a poskytuje včasné informácie o zmenách vibrácií, ktoré prekročia definované hraničné hodnoty normálneho rozsahu. V prípade, že dôjde k poruche, zvyčajne to súvisí s nárastom teploty, ktorú snímač dokáže zaznamenať a vygenerovať hlásenie o poruche. „Ak je napríklad poškodené koleso prevodovky, na pohone dochádza k vibráciám, ktoré na začiatku človek nedokáže spozorovať. Časom sa ďalšie ozubené kolesá navzájom zadrhávajú. V priebehu týždňov možno už počuť aj zvuky a potom je to len otázka niekoľkých ďalších týždňov, kým sa zvýši teplota motora. Celkový rozpad nastane potom v priebehu niekoľkých dní. Zmeny vibrácií sú prvým znamením, že niečo nie je v poriadku,“ vysvetľuje M. Böttner.

Po inštalácii si systém pomocou automatického ladenia určí štandardné hodnoty zodpovedajúce štandardnej prevádzke. Na tomto základe sa stanovujú určité rozsahy alarmov v závislosti od typu, sily a pôvodu vibrácií. Varovné hlásenia zaslané prostredníctvom regulátora do riadiaceho centra alebo vzdialenej údržbe rozlišujú jasným textom medzi rôznymi typmi porúch, ako je poškodenie ložiska, zlé vyváženie, nesprávna súosovosť alebo nedostatok mazacieho prostriedku. Odchýlky sa prekladajú do špecifických kódov chýb, ktorým sa prideľujú určité opatrenia. A. Genovese vysvetľuje: „Systém rozlišuje medzi žiadnym, predbežným a hlavným alarmom, t. j. miernym alebo masívnym odchýlením sa od normálnych hodnôt. Povinnosťou operátorov je posúdiť, či existuje okamžitá potreba konať alebo či stačí údržba v priebehu nasledujúcich 24 hodín. LED dióda priamo na snímači tiež zobrazuje stav údržby: zelená znamená žiadny alarm a žltá predbežný alarm, čo znamená, že je potrebná údržba. Červená signalizuje hlavný alarm a požaduje sa okamžitá akcia. „Mikroprocesor integrovaný do FAG SmartCheck nielen vytvára chybové hlásenia, ale dlhodobo ukladá všetky hodnoty tak, aby ich bolo možné zobraziť retrospektívne a externe vyhodnocovať pomocou integrovaného webového servera prostredníctvom riadiaceho systému MELSEC.

Drobné prekážky vo vývoji

Riešenie monitorovania integrované do existujúceho systému pozostáva prevažne z troch FAG SmartChecks od spoločnosti Schaeffler FAG, smerovača eWon typu 4005CD a riadiaceho systému Mitsubishi Electric MELSEC System Q. Mitsubishi Electric a Schaeffler FAG spolupracujú od roku 2010 v rámci aliancie e-F@ctory aeWonje partnerom aliancie e-F@ctory od roku 2011.

Kompaktný systém FAG SmartCheck monitoruje vibrácie v pohone čerpadla, pričom je tiež schopný zaznamenávať ďalšie parametre stroja a procesu, ako napr. teplota, rýchlosť alebo tlak, ktoré riadiaci systém MELSEC prenáša v previazanosti s vibráciami. To znamená, že merací systém na základe parametrov včas rozpozná možné poškodenie zariadenia. Prispieva to k predchádzaniu neplánovaných prestojov a následných nákladných škôd. Kompaktný, inteligentný systém monitorovania je z hľadiska prevádzkovania veľmi jednoduchý a umožňuje trvalé decentralizované online monitorovanie v reálnom čase.

Pre presnú analýzu vibrácií potrebuje FAG SmartCheck hodnoty z frekvenčných meničov, ktoré riadia čerpadlá s premenlivými otáčkami na nastavenie príslušného prietoku. V prípade čističky v Rotenburgu nie sú frekvenčné meniče pripojené priamo k čerpadlám, ale nachádzajú sa v rozvodnej skrini asi 50 metrov a sú riadené riadiacim systémom MELSEC, ktorý je tu inštalovaný. „Čo teraz?“ uvažovali technici realizujúci riešenie. Neexistoval žiadny sieťový zbernicový kábel, ale bol tu nepoužitý sedemžilový signálový kábel. Odborníci na integráciu použili tento signálový kábel na pripojenie riadiacej jednotky MELSEC k nadradenému systému riadenia procesu, ku ktorému sú pripojené tri frekvenčné meniče. Problém s pripojením bol vyriešený.

„Aby sa určila rýchlosť pri rôznej veľkosti prietoku, musel systém MELSEC Q získavať hodnoty z frekvenčných meničov. Priamy prístup k sieti meničov však nebol možný. Z tohto dôvodu sme tieto hodnoty presunuli do existujúceho riadiaceho systému a vytvorili analógové pripojenie k systému Q prostredníctvom sedemžilového signálového kábla,“ hovorí M. Böttner. „Riadiaci systém Mitsubishi konvertoval analógové hodnoty na hodnoty frekvencie a odovzdal ich do FAG SmartChecks. To znamená, že by sme mohli využiť existujúcu infraštruktúru riadenia. Dodatočné sieťové káble neboli potrebné.“ V tomto prípade regulátor neplní úlohu riadenia, ale spracúva všetky informácie pre FAG SmartChecks. Na porovnanie prenáša hodnoty rýchlosti z meničov na snímače, prijíma hlásenia o stave, ak sa zistia odchýlky, a prenáša ich na nadradený riadiaci systém.

Po implementácii projektu sa pri prenose signálov do počítača na úrovni riadenia objavili drobné problémy. Pomocou špeciálneho smerovača eWon 4005CD možno zabezpečiť požadovaný prenos informácií. Pripojený prístupový bod na smerovači prenáša všetky informácie z riadiaceho systému do riadiaceho centra prostredníctvom bezdrôtového ethernetového pripojenia.

Na externý prístup ponúka eWon funkciu Talk2M s integrovanou VPN (Virtual Private Network), pomocou ktorej môže systémový integrátor nakonfigurovať a zobraziť systémy MELSEC System Q a FAG SmartChecks. Informácie sa exportujú ako webové rozhranie v programe Internet Explorer. Systémový integrátor, spoločnosť Willich, má teda kedykoľvek k dispozícii rýchly a flexibilný vzdialený prístup.

Zlepšená celková účinnosť zariadenia

FAG SmartCheck významne prispieva k zvýšeniu celkovej účinnosti prevádzky a je súčasťou OEE ControlPack od spoločnosti Mitsubishi Electric (OEE = celková efektívnosť zariadenia). Tento systém škálovateľného monitorovania stavu v reálnom čase zabezpečuje vysokú dostupnosť zariadení či už vo výrobe, alebo v úpravni vôd, ako je to v prípade Rotenburgu, kde nejde o maximalizáciu produktivity alebo zisku, ale o zabezpečenie nepretržitej bezporuchovej prevádzky. Celková účinnosť zariadení a energetická účinnosť sú navzájom úzko prepojené, pretože prediktívna údržba minimalizuje náklady na životný cyklus – a to aj znížením spotreby energie vďaka včasnému rozpoznaniu opotrebenia. V kombinácii so systémom riadenia energie, ako je napríklad balík Mitsubishi Electric Energy ControlPack (ECP), môže OEE ControlPack používať na monitorovanie stavu aj hodnoty elektrického prúdu, čo znamená, že možno znížiť náklady na energiu.

Riešenie OEE je vhodné pre rôzne oblasti použitia. V čističke odpadových vôd v Rotenburgu by napríklad mohol byť systém monitorovania stavu použitý na vstupných čerpadlách, v prevzdušňovacej nádrži, na väčších pohonných systémoch alebo tiež na kogeneračnej jednotke. FAG SmartCheck možno použiť v čističkách odpadových vôd, pevných, kvapalných, vákuových alebo tepelných čerpadlách, ako aj vo ventilátoroch, ventilačných jednotkách, kompresoroch, CNC strojoch, separátoroch alebo odstredivkách. „Snímač vibrácií môže zaručiť efektívne monitorovanie stavu všade tam, kde sa opotrebovávajú mechanické či rotujúce časti, alebo tam, kde dochádza k zmenám v dôsledku iných vplyvov. V riešení Mitsubishi Electric snímač meria zmeny stavu, ktoré sú porovnané so stanovenou normálnou hodnotou. Ak dôjde k prekročeniu tejto hodnoty, zobrazí sa chybové hlásenie, a to bezprostredne, niekoľko mesiacov pred úplným zlyhaním. To znamená, že údržbu možno lepšie naplánovať,“ konštatuje M. Böttner. „Vďaka dobrým výsledkom v rámci skúšobnej prevádzky v Rotenburgu môžeme výhody systému ešte lepšie tlmočiť našim ďalším zákazníkom.“

V neposlednom rade riešenie monitorovania stavu Mitsubishi Electric prináša aj niektoré ekologické výhody tým, že zaručuje bezchybné postupy. Napríklad v prípade Rotenburgu zabezpečuje, že splaškový kal zostane tam, kde patrí, a to v čističkách odpadových vôd – a neznečisťuje rieku Fulda.

Zdroj: Preventative condition monitoring in the sewage treatment plants. [online]. Publikované 17. 11. 2016. Dostupné na: https://tr3a.mitsubishielectric.com/fa/tr/service/sendfile?id=1112&type=6