I SISTEMI COMPUTERIZZATI PER LA RILEVAZIONE, L ANALISI E L OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI

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1 I SISTEMI COMPUTERIZZATI PER LA RILEVAZIONE, L ANALISI E L OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI Giovanni Barozzi, Agostino Colombi AUTECO SISTEMI SRL Via Nazionale, Stradella (PV) auteco@auteco.net Sommario La sempre maggiore necessità da parte delle industrie di avere sotto controllo i consumi di stabilimento implica una gestione attenta dei servizi. L importanza crescente per le risorse dedicate ai servizi e la capacità degli applicativi software per la raccolta dati di fornire soluzioni flessibili e continuamente implementabili, hanno permesso di realizzare applicazioni rivolte al soddisfacimento di queste esigenze nel campo dei diversi settori industriali. Il controllo dei consumi quindi diventa molto importante in un mondo sempre più globale e competitivo. I consumi da tenere in considerazione sono quelli relativi all energia elettrica, gas, acqua gelida, glicole, aria e tutti quegli elementi fondamentali per poter produrre. In particolare ci siamo rivolti alle aziende alimentari che, per la trasformazione della materia prima in prodotto finale, richiedono l utilizzo degli elementi sopra citati. Tutte le trasformazioni richiedono comunque consumi di energia di diverso tipo e, poter tenere sotto controllo questi consumi linea per linea, permette di comprenderne l incidenza sul costo del prodotto, sapere quanto e dove è stato consumato, controllare impianti non presidiati, registrare i valori e individuare tempestivamente l intervento di un allarme. 1. I PROBLEMI DEI SERVIZI DI STABILIMENTO I dati necessari per poter effettuare un analisi e poter mettere in atto azioni correttive, solitamente sono disponibili a livello locale su strumentazione installata in quadri elettrici posti nelle varie zone dell impianto. La condizione ideale è quella di poter disporre di uno strumento informatico che permetta di gestire in rete tutti i dati dei consumi e di poter fare confronti e statistiche sui vari parametri rilevati. Per capire le problematiche dei consumi e per tenerli sotto controllo è oggi indispensabile utilizzare i moderni sistemi informatici e tutta la componentistica elettronica che, applicata agli impianti industriali, permette di rilevare le variabili in automatico. Per poter tenere sotto controllo i consumi è indispensabile quindi poter disporre di un sistema informatico alimentato in automatico dai moderni sistemi elettronici che permetta di elaborare un data base con statistiche, confronti, proiezioni, ecc Il problema maggiore che si riscontra è la raccolta dei segnali dal campo. Per raccolta dei segnali dal campo si intende la possibilità di archiviare in automatico tutte quelle variabili che possono influire sui consumi dell impianto e quindi sui costi. 1

2 2. IL SISTEMA DI RACCOLTA DATI: OBIETTIVI E FINALITA Nel corso degli anni abbiamo sviluppato un pacchetto software potente e versatile volto a risolvere i problemi di raccolta dati. 2.1 Gli obiettivi del sistema di raccolta dati Gli obiettivi di un sistema di raccolta dati sono quindi: il conteggio dei consumi, la rilevazione degli allarmi inerenti ai consumi, l archiviazione su grafici delle variabili, l elaborazione di statistiche medie - calcoli, le proiezioni e la creazione di un database accessibile on-line. L applicazione è rivolta a stabilire i quantitativi, le tipologie di consumo e il loro controllo, e l individuazione tempestiva dell intervento di un allarme. Una delle funzionalità più semplici dell applicativo è la realizzazione dei sinottici che permettono di controllare a distanza i reparti dei servizi di stabilimento che solitamente non vengono presi in considerazione. Fig. 1: esempio di rappresentazione a video di una centrale termica 3. LA REALIZZAZIONE DEL CONTROLLO DEI SERVIZI DI STABILIMENTO 3.1 Funzionalità di un sistema di raccolta dati Il sistema dovrà essere orientato ai manutentori, di facile utilizzo ed ampliamento e permettere un controllo centralizzato degli impianti con conseguente riduzione delle attività di manutenzione e ripristino in caso di guasto: identificazione tempestiva dei problemi senza dover intervenire sul posto. Le funzionalità più richieste sono: 2

3 - rilevazione e memorizzazione degli allarmi; - generazione chiamate al manutentore reperibile via SMS/modem; - lettura valori analogici con min. e max. del giorno ed archiviazione su tabella e grafico (temperatura, portata, energia, ecc ); - lettura conteggi con archiviazione ed azzeramento a tempo impostabile; - lettura stati degli impianti con memorizzazione su storico ed eventuale abbinamento ai grafici; - facile impostazione degli indirizzamenti con possibilità di modifica e ampliamento da parte del manutentore; - controllo degli allarmi a distanza: assorbimento corrente, pressione olio, temperatura olio, temperatura fluido, livello separatore, livello vasche, massimo assorbimento motore. 3.2 La realizzazione del progetto Come gia anticipato, prima di poter realizzare un progetto è necessario effettuare l analisi del campo; sovente sono presenti negli stabilimenti dei trasduttori locali che devono essere adattati o in alcuni casi sostituiti per l interfacciamento col sistema di raccolta dati al fine di poter gestire in automatico dati in rete. Le difficoltà più frequenti che si riscontrano nell analisi dei reparti sono: - hardware fuori standard; - PLC e strumentazione obsoleti; - strumentazione locale utilizzata per la regolazione; - rilevatori elettromeccanici non utilizzabili per l integrazione nel sistema. Fig. 2: esempio di architettura per la raccolta dati dei servizi Per poter eseguire un progetto di integrazione con presenza di hardware e materiali obsoleti è necessaria la sostituzione della strumentazione con conseguenti elevati costi di investimento. Per poter applicare questi criteri è necessario effettuare un inventario degli impianti e degli elementi che consumano energia e dei sistemi di controllo. 3

4 La prima analisi da effettuare impianto per impianto è la verifica dell esistenza dei trasmettitori in campo che possono essere elettromeccanici o elettronici. Nel caso in cui l impianto ne sia sprovvisto è necessario provvedere all installazione di nuovi sensori che, in base alle più recenti tecnologie, possono essere collegati in rete direttamente ad un hardware concentratore di dati. Nel caso in cui le macchine dell impianto siano gestite da un Plc la soluzione più semplice è verificare se le variabili dei consumi sono elaborate dai Plc e verificare se i Plc sono collegabili in rete o se sono già collegati. Per esempio, per tenere sotto controllo i consumi di ENERGIA, è necessario effettuare: - una rilevazione dei consumi generali in cabina; - una rilevazione dei carichi collegati; - una rilevazione dei consumi dei singoli reparti; - le rilevazioni dei malfunzionamenti. Per raggiungere questi obiettivi è necessario: - il collegamento con analizzatori di rete posti nei quadri di distribuzione; - il collegamento con centraline termometriche; - l acquisizione dello stato degli interruttori. La soluzione più semplice è l istallazione di nuovi Multimetri con misura delle tensioni concatenate e di fase nelle linee trifasi, misura dei consumi di energia attiva, interfaccia configurabile in rete. I segnali e le variabili rilevabili da rilevare sono: Segnali per l energia elettrica: - tensioni di linea L1-L3; - correnti di linea L1-L3; - fattori di potenza L1-L3; - potenza apparente L1-L3; - potenza reattiva; - frequenza; - energia attiva. Segnali per l aria compressa: - consumo corrente; - posizione slitta %; - pressione aspirazione; - pressione mandata; - stato macchina (marcia arresto allarme). Segnali per l acqua gelida: - temperatura glicole celle; - pressione celle; 4

5 - stato pompe glicole (Run Stop Allarme); - velocità pompe mandata %; - conducibilità H2O condensazione; - stato pompe H2O gelida (Run Stop Allarme); - pressione H2O gelida. 3.3 Il progetto hardware per la gestione dei consumi Fig. 3: esempio di architettura di un sistema semplice 5

6 Fig. 4: esempio di architettura di un sistema complesso Il Sistema di servizio e supervisione è applicabile sia a semplici architetture monostazione che ad architetture pluristazione distribuite con server ridondanti e soluzioni con Web-Client estese all'intero sito produttivo. 4 IL SOFTWARE 4.1 La configurazione La piattaforma informatica potrà essere sviluppata come integrazione verticale, estendendola così a tutta l'azienda. Le funzioni orientate all'industria per la segnalazione e la conferma di eventi, l'archiviazione di segnalazioni e valori di misura, la registrazione in protocollo di tutti i dati di processo e di configurazione, la gestione degli utenti e la visualizzazione fanno parte dell'equipaggiamento base del sistema. Il software base deve gestire delle interfacce di programmazione aperte per sviluppare una molteplicità di opzioni (algoritmi, calcoli, ecc ). 6

7 4.2 Le funzionalità Il conteggio dei consumi Una delle funzioni più importanti del sistema di raccolta dati è la gestione dei totalizzatori dei consumi. E possibile visualizzare i conteggi per ora, giorno, turno, settimana, mese, anno. I conteggi vengono eseguiti sul Plc Concentratore ed archiviati sullo Scada con cadenza impostabile (es. cadenza oraria). In base alla richiesta dell utente è possibile visualizzare il dato per giorno, turno, ecc e impostare delle soglie di allarme per ottenere segnalazioni di superamento del limite di accettabilità. I dati di conteggio sono quindi visualizzabili in base alle esigenze dell utente e possono essere confrontati su periodi diversi (stesso valore su periodi diversi, valori diversi sullo stesso periodo) I report dei consumi Sul video del Pc vengono visualizzati i report dei consumi proponibili secondo vari modelli; calcolo consumi giornalieri per reparto/linea (energia, tensione, frequenza, intensità corrente, fattore potenza, potenza attiva, reattiva, apparente). Fig. 5: esempio di report consumi Questa pagina visualizza lo storico dei consumi per gruppi di contatori in un determinato periodo impostabile. I contatori vengono visualizzati in modalità giornaliera, mensile, annuale selezionando la relativa colonna. Viene visualizzata un riga complessiva che evidenziata il totale del periodo selezionato. I dati possono essere stampati o esportati in formato CSV. La pagina sopra può anche generare un grafico a barre: è sufficiente selezionare una riga e compare una finestra con barre verticali di: a) valori di consumo su un giorno; b) valore di consumo in un periodo da - a. 7

8 L aggregazione dei valori dei vari consumi può essere impostata dall utente in modo da poter creare in forma semplice pagine di suo gradimento. Fig. 6: esempio grafico a barre per statistiche sui consumi Viene creata una formula che, abbinata alle variabili memorizzate dal sistema in una tabella, genera un risultato che può essere a sua volta rielaborato Le statistiche sui consumi Una volta generato l archivio dei consumi il sistema è in grado di confrontare consumi di diverse utenze nello stesso periodo. Fig. 7: esempio di grafico per statistiche sui consumi per media mensile vapore 8

9 4.3 I grafici Al sistema di raccolta dati vengono collegate tutte quelle variabili analogiche che richiedono di essere controllate in un punto definito dello stabilimento (server) e mediante i client sarà possibile visualizzare e controllare l andamento delle variabili. La visualizzazione dei grafici permette di rappresentare: - l unità di misura della variabile. - la scala della prima variabile. - la scala dei tempi ora/giorno Su una pagina possono essere rappresentate più curve permettendo di confrontare più variabili. Fig. 8: esempio di stampa di un grafico E possibile passare dalla modalità Attuale alla modalità Storico ed indicare il giorno di inizio del periodo da visualizzare; vi è la possibilità di scorrere il periodo di storico o del grafico. 9

10 4.4 I calcoli (statistiche, medie, proiezioni, costi) E importante poter effettuare i calcoli matematici tra le varie misure. Mediante questa funzionalità l utente può elaborare i valori archiviati sul database ed ottenere valori nuovi. Sono possibili elaborazioni con operazioni matematiche semplici come somma, sottrazione, ecc oppure operazioni complesse; tipicamente si calcola: - il valore medio in un periodo; - la somma di alcune misure; - il valore di un consumo ipotetico futuro. Mediante l utilizzo della funzionalità calcoli è possibile ad esempio fare delle proiezioni dei consumi di un reparto elaborandoli con un indice stagionale e calcolandone i costi. Stabilito in questo modo un budget annuale di consumi reparto per reparto è possibile verificare mensilmente il confronto previsione/realtà ed effettuare azioni correttive sulla produzione. 4.5 Gli allarmi Fig. 9: esempio di calcoli ed elaborazione formule Quando i vari servizi degli impianti sono collegati in rete risulta molto semplice rilevare gli allarmi che determinano malfunzionamenti. Il sistema di raccolta dati archivia tutti gli allarmi e li visualizza a video. Una rappresentazione tipica a quella sotto rappresentata in cui lo sfondo rosso identifica l istante d intervento dell allarme mentre lo sfondo bianco rappresenta l istante di rientro. Per visualizzare gli allarmi di periodi diversi da quelli in corso (esempio il mese precedente) vengono utilizzati i tasti DA e A che permettono di selezionare una data precisa. 10

11 Fig. 10: esempio di report allarmi 4.6 La manutenzione sulla rete Tenere sotto controllo le ore di lavoro e l usura di valvole e pompe, il numero di volte che sono stati fatti interventi di manutenzione, la data dell ultima verifica, è un esigenza di tutti i manutentori. Disponendo di una rete che permette di rilevare gli stati on/off di motori, pompe, valvole, risulta molto facile registrare quante ore hanno lavorato o quante volte sono state attivate. Il sistema permette di: - registrare le ore di lavoro dei motori e il numero di attivazione di ogni valvola; - registrare gli allarmi intervenuti e le loro durate; - registrare gli interventi di manutenzione; - ridurre i costi di manutenzione e programmazione degli interventi. 4.7 Funzionalità aggiuntive Gestione mappa di stabilimento L integrazione di tutta la fabbrica in un unico sistema che rileva lo stato dei servizi permette di visualizzare la mappa dello stabilimento e di far lampeggiare dei segnalini all insorgere di un allarme. 11

12 Fig. 11: esempio mappa di stabilimento Al fine di tenere sotto controllo l area di tutto lo stabilimento, il software gestisce: - mappa generale; - mappe di dettaglio; Per ogni mappa di dettaglio sono rappresentabili: - i segnalini; - i valori di consumo; Sulla mappa generale sono visualizzate alcune icone per il richiamo delle mappe di dettaglio; l icona lampeggia se è presente un allarme sulla mappa di dettaglio relativa. Sulla mappa di dettaglio è possibile configurare alcune finestre con rappresentati i consumi; i valori dei consumi visualizzabili su ogni mappa di dettaglio sono al massimo 10 e possono essere emessi per ora, giorno, mese, anno. I segnalini sulle mappe di dettaglio sono abbinabili ad allarmi/stati presenti nel database con la possibilità di abbinare un icona a scelta presente nella libreria. L utente ha la possibilità di spostare tali segnalini ove desidera, nonché di configurarli, previa introduzione di password. E possibile abbinare degli allarmi ad ogni segnalino; quando interviene l allarme il segnalino lampeggia. Selezionando la voce Cambia Icona diventa visibile, in alto a destra, la finestra che consente di modificare l icona: (l elenco mostrato è puramente indicativo). 12

13 4.7.2 Gestione SMS o invio di ai manutentori reperibili Gestendo gli allarmi, il pacchetto software ha la possibilità di trasmettere in modo tempestivo SMS e/o al personale di manutenzione all intervenire di un allarme in zone non presidiate. Per gestire gli SMS viene impostata la pianificazione delle fasce orarie e dei giorni della settimana abilitati per l invio di messaggi SMS su telefoni cellulari. In questa pagina vengono visualizzati i report dei messaggi inviati con le informazioni dell ora, dell esito dell invio OK o KO il testo del messaggio e il numero di telefono del destinatario L utilizzo del palmare Sfruttando le moderne tecnologie Wireless è possibile utilizzare dei palmari con un duplice scopo: - poter impostare alcuni valori di misura non visibili in rete; - poter visualizzare valori di consumo e/o allarmi del sistema. Fig. 12: esempio di palmare 13

14 5 CONCLUSIONI Il pacchetto software di raccolta dati dei servizi permette di consultare in rete tutti i dati dei consumi utilizzando la tecnologia Web. I vantaggi del sistema sono: - eliminazione dei supporti cartacei e stampe selezionate in base all occorrenza; - realizzazione statistiche di facile comprensione; - totale disponibilità dei dati sulla rete; - possibilità di confrontare i dati di consumi rilevati con soglie ipotetiche impostate ed archiviate in base ad un indice stagionale; - possibilità di impostare delle soglie di max. consumo che allertano l utente. All obiettivo di base identificato come rilevazione dei consumi vengono abbinate altre funzionalità molto utili per la gestione dei servizi di stabilimento come: - rilevazione ed archiviazione degli allarmi; - invio di SMS e/o ; - rilevazione ore lavoro motori; - importazione di foto/immagini/disegni/mappe; - visualizzazione sulla mappa di stabilimento del luogo remoto ove sono presenti anomalie. Fig. 13: esempio di grafico del consumo giornaliero 14