Seria Case Study Balluff to artykuły pisane przez kluczowych partnerów naszej firmy, integratorów, specjalistów wdrażających dedykowane rozwiązania dla firm produkcyjnych z wykorzystaniem narzędzi i rozwiązań Balluff.

Case study | Wodna energia w Afryce

Współczesne biura konstrukcyjne, projektujące elementy do obrabiarek oraz zakłady produkcyjne nie mogą istnieć już bez technologii IO-Link, będącej siłą napędową efektywnych rozwiązań, jakie wprowadza Przemysł 4.0. Interfejs IO-Link umożliwia szybką i skuteczną instalację okablowania w wielkich inwestycjach infrastrukturalnych — czego doskonałym przykładem jest inteligentna instalacja przewodów w technologii IO-Link w zaporze i elektrowni wodnej Mount Coffee w Liberii, łącząca dziesiątki czujników i elementów wykonawczych położonych w dużej odległości od siebie.

Firma Andritz Hydro jest jednym z największych na świecie dostawców kompleksowych rozwiązań dla elektrowni wodnych. Posiada ponad 170 lat doświadczenia i zatrudnia około 7300 osób na całym świecie. Przy Mount Coffee, Andritz Hydro była odpowiedzialna między innymi za przygotowanie kompletnego systemu hydrauliki wraz z elektroniką, technologię napędową oraz system sterowania. Firma odnowiła dziesięć zamknięć segmentowych tamy oraz cztery zamknięcia wlotowe turbin. Zamknięcia segmentowe napędzane są wciągarkami linowymi i służą do sterowania poziomem wody w części zbiornika znajdującego się od strony górnego nurtu rzeki. Zamknięcia wlotowe kierują wodę do turbin i blokują przepływ (zawór odcinający) w przypadku wystąpienia awarii, np. przerwania przewodu ciśnieniowego. Są one napędzane hydraulicznie. Na system ten składają się też napędy elektryczne i hydrauliczne oraz różne układy wspomagające.

Zapora wodna i elektrownia Mt. Coffee

Historia położonej 30 kilometrów na północny wschód od stolicy Liberii zapory Mount Coffee zaczyna się jeszcze w latach sześćdziesiątych. Pierwszą zaporę ukończono w 1966 roku, jednak została ona prawie doszczętnie zniszczona podczas wojny domowej w Liberii w latach 1989–2003. Kiedy w 2014 spółka Liberia Electricity Corporation (LEC) zakontraktowała międzynarodowe konsorcjum do odbudowy zapory. Do odbudowy elektrowni na rzece Saint Paul zaangażowano między innymi austriacką firmę Andritz Hydro. Grudzień 2016 roku był momentem przełomowym — po ponad 20-letniej przerwie uruchomiono pierwszą turbinę, a obecnie każda z czterech zamontowanych w elektrowni dostarcza do sieci prąd o mocy 22 megawatów.

Pomimo długości 160 metrów i wyposażenia w 10 zamknięć segmentowych o szerokości 15 m, zapora wodna Mount Coffee nie jest największą tego typu konstrukcją na świecie. Niezależnie od tego, na całej jej długości znajdują się liczne czujniki rozmieszczone w znacznych odległościach od siebie, z których trzeba zbierać sygnały analogowe i cyfrowe i przekazywać je do systemu sterowania.

Pod względem kompleksowości, mnogości zadań do wykonania przez urządzenia peryferyjne oraz wymaganego poziomu osieciowania, zapora nie różni się niczym od mocno rozproszonych systemów przemysłowych

– podkreśla Bernd Schneider, Manager branżowy ds. energii w firmie Balluff.

Interfejs IO-Link – właściwości i zalety

Od ponad dziesięciu lat firma Balluff z powodzeniem rozwija rozwiązania z interfejsem IO-Link, który w doskonały sposób porządkuje okablowanie pomiędzy rozproszonymi elementami procesowymi a układem sterowania.

Podstawowa i główna korzyść to po prostu oszczędność czasu i kosztów. Operator elektrowni docenił także dodatkowe korzyści płynące ze stosowania interfejsu IO-Link w obszarach diagnostyki i serwisu. Zintegrowane rozwiązanie w zakresie okablowania opracowane przez partnerów projektu, firmy Andritz Hydro oraz Balluff będzie można wykorzystać w przyszłości również w innych elektrowniach.

Integracja interfejsu IO-Link w projekcie Mt. Coffee

Mimo że firmy Andritz Hydro i Balluff od dawna współpracują w zakresie związanym z budową turbin, nigdy wcześniej nie stosowały w takich projektach interfejsu IO-Link. Presja czasu i rosnących kosztów to jedne z głównych czynników przy budowie elektrowni. Zakłada się, że w okresie rozruchu próbnego, integratorzy systemów sami dokładnie przetestują oferowane komponenty, a następnie sprawnie zamontują na instalacji daleko od ich siedziby, gdzie powinny pracować płynnie i bezawaryjnie.

Wiadomo, że w wielu obszarach przemysłu miedziane przewody i skrzynki przyłączeniowe są wciąż stosowane aż do poziomu sterowania — to ogromne nakłady materiałów i czasu

– mówi Berthold Wiesinger, główny inżynier elektryk w firmie Andritz Hydro. To właśnie prezentacja możliwości interfejsu IO-Link, wykonana przez firmę Balluff, zadecydowała o podpisaniu umowy.

Firma Andritz Hydro, we współpracy z inżynierami z austriackiego oddziału firmy Balluff, opracowała spójną koncepcję układu sterowania nastawioną na uproszczenie okablowania, standaryzację i modułowość. Przy każdym z 10 zamknięć segmentowych i 4 zamknięć wlotowych w skrzynce przyłączeniowej zainstalowane są dwa urządzenia Master IO-Link, które zbierają nawet 20 różnych sygnałów z danego obszaru. Sygnały te wychodzą z indukcyjnych lub mechanicznych łączników krańcowych, czujników określających kierunek ruchu zamknięć segmentowych, zaworów sterujących, regulacyjnych i odcinających, lamp sygnalizacyjnych i podświetlanych przełączników. Również w stacjach hydraulicznych zainstalowane są dwa urządzenia Master IO-Link, które łączą odpowiednie czujniki i elementy wykonawcze.

Wszystkie komponenty w tym obszarze są podłączone za pomocą standardowych 3-żyłowych kabli i złączy M12. W przypadku czujników pomiarowych oferujących jedynie standardowe sygnały analogowe np. 0..10 V lub 4..20 mA zastosowane zostały kompaktowe adaptery przekształcające sygnał analogowy na cyfrowy IO-Link, który jest odporny na zakłócenia. Wszystkie informacje z modułów master IO-Link, są przekazywane przez sieć Profibus DB do poziomu sterowania. Ponieważ system ma charakter redundantny, jaz podzielony jest na dwie części, a każda z nich połączona jest przewodem o długości ok 75 metrów.

Szybko dostrzega się korzyści takiego rozwiązania. Ponieważ stosujemy standardowe kable i złącza, zamiast indywidualnie projektowanych przewodów, instalacja okablowania wymaga o połowę mniej czasu niż zazwyczaj. Wartością dodaną inwestycji w Interfejs IO-Link jest fakt, że umożliwia on wcześniejsze przetestowanie poszczególnych modułów jeszcze w fabryce. Następnie wystarczy je podłączyć, co pozwala na znaczne ograniczenie kosztów.

– podkreśla Berthold Wiesinger.

Problem pomyłek na poziomie okablowania został praktycznie wyeliminowany, a zastosowanie interfejsu IO-Link pozwala zaoszczędzić miejsce i zapewnia przejrzystość instalacji.

Międzynarodowe firmy najbardziej doceniają fakt, że interfejs IO-Link można stosować we wszystkich systemach sieciowych: kompletna struktura poniżej poziomu magistrali zawsze jest taka sama. Konieczne jest jedynie dobranie właściwego urządzenia master IO-Link do danej sieci. Istnieją również inne sposoby, dzięki którym standard dwukierunkowej komunikacji zapewnia szerszą perspektywę — informacje diagnostyczne interfejsu IO-Link umożliwiają szybkie lokalizowanie awarii i naprawę błędów, co ogranicza czas zbędnych przestojów.

Z jakiegoś powodu w fazie rozruchu mieliśmy problem z koncentratorem sygnałów, jednak nasz partner z łatwością wymienił go i ponownie zainstalował. Koncentrator otrzymuje dane z urządzenia Master IO-Link, które przechowuje istotne wartości parametrów. Po krótkiej przerwie system znowu zaczął działać

– mówi Berthold Wiesinger z firmy Andritz Hydro.

Czujniki, które mierzą temperaturę i wilgotność oleju, monitorują temperaturę intensywnie obciążonych silników i stan łożysk oraz niezależnie informują o częstotliwości serwisowania, będą niezbędną częścią naszej branży również w przyszłości

– mówi. Oferta uniwersalnych produktów IO-Link nieustannie się rozszerza. Użytkownik zyskuje większe możliwości optymalizacji okablowania, diagnostyki i konfiguracji.

Balluff ma w swojej ofercie analogowy moduł wejściowy, który można stosować m.in. do podłączania do termopar, czujników PT100 i podobnych urządzeń. Dzięki nowym koncepcjom „Bezpieczeństwa poprzez interfejs IO-Link”, rozwiązania IO-Link oraz Profisafe można obecnie stosować do bezpośredniego podłączania urządzeń bezpieczeństwa. Korzyść: w przyszłości ta standardowa koncepcja okablowania będzie wymagała tylko jednej infrastruktury zarówno w zakresie automatyki, jak i technologii bezpieczeństwa. Wszystko to przy najwyższym poziomie zabezpieczeń, sięgającym PLe/SIL3

– podkreśla Mario Ober, Inżynier Sprzedaży w oddziale firmy Balluff w Austrii.

Podsumowanie

Od końca zeszłego roku tama Mount Coffee w Liberii znowu produkuje energię elektryczną dla stolicy kraju, Monrovii. Berthold Wiesinger nie ma wątpliwości, że interfejs IO-Link będzie miał coraz szersze zastosowania w projektach nowych budowli oraz remontach istniejących. Tym bardziej, że zakłady będą się starzały i nieodzowne stanie się wprowadzanie nowoczesnych koncepcji sterowania i elektroniki.