Jak monitorować zużycie energii maszyn?

Aby monitorować zużycie energii maszyn, trzeba mierzyć pobór przypisany do konkretnego urządzenia, a następnie zestawiać go ze stanem pracy, czasem cyklu i wielkością produkcji. Sam odczyt kWh nie wystarczy, ponieważ nie pokazuje, czy energia została zużyta podczas produkcji, postoju, oczekiwania czy przezbrojenia. Najbardziej użyteczne wyniki to pobór energii maszyny na postoju, zużycie podczas pracy oraz liczba kWh przypadająca na cykl lub jednostkę produktu.

Jak monitorować zużycie energii maszyny krok po kroku?

Skuteczny monitoring nie zaczyna się od zakupu rozbudowanego systemu informatycznego, lecz od określenia konkretnego pytania. Może nim być ustalenie, ile energii zużywa maszyna podczas jednej zmiany, wykrycie nadmiernego poboru w trybie gotowości albo porównanie dwóch urządzeń wykonujących podobne zadania.

Podstawowy proces obejmuje:

1. określenie celu pomiaru,
2. wybór maszyny lub zespołu urządzeń,
3. ustalenie granicy mierzonego układu,
4. dobranie sposobu pozyskiwania danych,
5. rejestrowanie stanów pracy,
6. połączenie zużycia energii z liczbą cykli lub wielkością produkcji,
7. porównanie wyników w podobnych warunkach,
8. powtórzenie pomiaru po wprowadzeniu zmiany.

Taka kolejność pozwala uniknąć zbierania dużej ilości danych, które później trudno prawidłowo zinterpretować.

Od czego zacząć pomiar energii pojedynczej maszyny?

Określ cel monitorowania

Cel wpływa na sposób pomiaru, częstotliwość zapisu oraz zakres potrzebnych informacji produkcyjnych. Gdy celem jest sprawdzenie zużycia podczas nocnego postoju, potrzebne będą dane obejmujące okresy bez produkcji. Przy analizie energii na cykl produkcyjny konieczne jest natomiast dokładne określenie początku i końca cyklu.

Najczęściej monitorowanie prowadzi się, aby:

• określić zużycie energii podczas pracy maszyny,
• zmierzyć pobór w trybie gotowości,
• porównać podobne urządzenia,
• sprawdzić wpływ ustawień technologicznych,
• wykryć zmianę profilu poboru,
• ocenić efekt modernizacji lub przeglądu technicznego.

Cel powinien być możliwie konkretny. Pytanie „ile energii zużywa maszyna na wykonanie 100 sztuk produktu” jest bardziej użyteczne niż ogólne „czy maszyna zużywa dużo energii”.

Ustal granicę mierzonego układu

Przed rozpoczęciem pomiaru trzeba ustalić, jakie urządzenia zostaną objęte wynikiem. Można mierzyć wyłącznie główne zasilanie maszyny, konkretny napęd, maszynę wraz z podajnikiem albo całą linię produkcyjną.

Granica ma szczególne znaczenie, gdy kilka stanowisk korzysta ze wspólnego chłodzenia, odciągu, instalacji sprężonego powietrza lub transportu materiałów. Jeżeli te odbiorniki nie zostaną uwzględnione, wynik może zaniżać rzeczywiste zapotrzebowanie procesu. Z kolei przypisanie całego zużycia wspólnej instalacji do jednej maszyny może prowadzić do jego zawyżenia.

Sposób rozdzielenia urządzeń powinien być ustalony przed montażem aparatury, dlatego ważny jest prawidłowy wybór punktów pomiarowych. Dzięki temu porównywane wyniki będą dotyczyły rzeczywiście takich samych zakresów technologicznych.

Jak uzyskać dane o zużyciu energii maszyny?

Stały licznik lub podlicznik

Dedykowany licznik energii umożliwia ciągłe przypisanie pomiaru do konkretnej maszyny. Dane mogą być odczytywane lokalnie albo przesyłane do rejestratora, sterownika, systemu SCADA, MES lub platformy monitoringu energii.

Stały pomiar sprawdza się, gdy przedsiębiorstwo chce obserwować urządzenie przez wiele zmian, analizować powtarzalność cykli albo sprawdzać efekty kolejnych działań optymalizacyjnych. Pozwala również wykrywać pobór występujący po zakończeniu produkcji, który przy okazjonalnym odczycie mógłby pozostać niezauważony.

Dobór i instalację licznika należy powierzyć osobom posiadającym odpowiednie kwalifikacje. Urządzenie musi być dopasowane między innymi do rodzaju instalacji, zakresu prądowego, oczekiwanej dokładności i sposobu przesyłania danych. Artykułowa analiza wyników nie zastępuje oceny technicznej instalacji elektrycznej.

Dane ze sterownika, falownika lub napędu

Niektóre maszyny już udostępniają wartości dotyczące mocy lub energii. Informacje mogą pochodzić z falowników, napędów, liczników wbudowanych albo układu sterowania.

Przed wykorzystaniem takich danych trzeba sprawdzić, czego dokładnie dotyczą. Wartość z falownika może obejmować jedynie zasilany przez niego silnik, a nie całą maszynę wraz z grzałkami, pompami, wentylatorami i podajnikiem. Należy też ustalić, czy dana wartość jest rzeczywistym pomiarem, czy jedynie wynikiem obliczeń wykonanych przez sterownik.

Dane z maszyny są szczególnie przydatne, gdy można je połączyć ze stanem pracy, numerem programu, liczbą cykli i informacją o produkowanym wyrobie. Ich poprawność warto jednak okresowo porównać z niezależnym pomiarem.

Tymczasowy miernik do pilotażu

Gdy celem jest wstępne rozpoznanie zużycia, można rozpocząć od pomiaru tymczasowego. Pozwala on sprawdzić, czy urządzenie ma istotny pobór podczas postoju, jak wygląda profil pojedynczego cyklu oraz czy istnieją wyraźne różnice przed i po zmianie ustawień.

Pilotaż nie musi od razu obejmować wszystkich maszyn. Lepiej wybrać jedno urządzenie o dużym zużyciu, długim czasie pracy albo podejrzanie wysokim poborze w trybie oczekiwania. Dopiero po potwierdzeniu użyteczności danych można zdecydować o montażu stałego licznika.

Również pomiary tymczasowe w obwodach elektrycznych powinny być wykonywane przez osoby uprawnione, z zastosowaniem aparatury odpowiedniej do warunków pracy.

Jakie dane należy rejestrować?

Energia i moc opisują różne zjawiska

Energia wyrażana w kWh pokazuje, ile energii urządzenie zużyło w określonym czasie. Moc wyrażana w kW informuje natomiast o chwilowym lub uśrednionym zapotrzebowaniu maszyny.

Do obliczenia zużycia na zmianę, cykl lub sztukę potrzebne są kWh. Profil mocy pomaga z kolei zauważyć rozruchy, krótkie szczyty, okresy stabilnej produkcji oraz spadki związane z oczekiwaniem.

Nie należy utożsamiać wysokiej mocy chwilowej z wysokim zużyciem energii. Krótki rozruch może powodować wyraźny szczyt, lecz mieć niewielki udział w całkowitej liczbie kWh. Z drugiej strony umiarkowany, ale stały pobór podczas wielogodzinnego postoju może generować znaczące zużycie.

Interwał zapisu musi odpowiadać procesowi

Częstotliwość zapisu należy dobrać do czasu trwania analizowanych zdarzeń. Przy długiej, stabilnej pracy wystarczające mogą być rzadsze odczyty. Jeżeli maszyna wykonuje krótkie cykle, często się uruchamia lub szybko zmienia obciążenie, dane muszą mieć większą rozdzielczość czasową.

Nie istnieje jeden interwał odpowiedni dla wszystkich urządzeń. Powinien być na tyle krótki, aby odróżnić istotne fazy procesu, ale nie tak szczegółowy, by generować dużą liczbę danych bez wartości analitycznej.

Wszystkie źródła informacji powinny korzystać ze zgodnych znaczników czasu. Nawet dokładny licznik będzie mało przydatny, jeśli nie da się dopasować jego odczytów do momentu rozpoczęcia cyklu, postoju lub przezbrojenia.

Potrzebny jest kontekst produkcyjny

Do wartości energetycznych należy dołączyć dane opisujące pracę maszyny. W zależności od procesu mogą to być:

• status urządzenia,
• czas rozpoczęcia i zakończenia cyklu,
• liczba wykonanych cykli,
• liczba dobrych sztuk,
• produkt lub wariant produktu,
• zlecenie produkcyjne,
• prędkość linii,
• obciążenie,
• czas przezbrojenia,
• czas oczekiwania,
• awaria lub postój planowany.

Bez tych informacji wzrost zużycia może zostać błędnie uznany za pogorszenie efektywności, mimo że maszyna wyprodukowała więcej sztuk, obsługiwała trudniejszy materiał albo pracowała z większą wydajnością.

Jak oddzielić zużycie podczas pracy od poboru na postoju?

Zdefiniuj stany maszyny

Monitoring powinien rozróżniać co najmniej produkcję i postój. W bardziej złożonym procesie warto zastosować dodatkowe stany, takie jak:

• wyłączona,
• tryb gotowości,
• rozruch,
• produkcja,
• oczekiwanie na materiał,
• przezbrojenie,
• postój planowany,
• awaria.

Podział należy dostosować do rzeczywistego sposobu pracy urządzenia. Ważniejsza od liczby stanów jest ich jednoznaczna definicja. Jeżeli operatorzy i system sterowania inaczej rozumieją „postój”, wyniki z różnych zmian nie będą porównywalne.

Powiąż stan ze znacznikiem czasu

Każda zmiana statusu powinna mieć zapisaną godzinę rozpoczęcia i zakończenia. Dzięki temu odczyty z licznika można przypisać do właściwej fazy pracy.

Informacja o stanie może pochodzić ze sterownika PLC, systemu monitoringu produkcji, sygnału napędu, licznika cykli albo zapisu operatora. W prostym pilotażu ręczne notowanie stanów może być wystarczające, pod warunkiem że czas jest rejestrowany konsekwentnie.

Po połączeniu danych można obliczyć osobno:

• energię zużytą podczas produkcji,
• energię zużytą podczas oczekiwania,
• pobór energii maszyny na postoju,
• zużycie podczas przezbrojenia,
• energię pobraną po zakończeniu zmiany.

Nie każda energia zużywana podczas postoju jest zbędna. Niektóre procesy wymagają podtrzymania temperatury, chłodzenia, wentylacji, ciśnienia albo działania układów bezpieczeństwa. Przed ograniczeniem poboru trzeba sprawdzić wymagania technologiczne i dokumentację producenta.

Jak obliczyć energię na cykl produkcyjny?

Energię pojedynczego cyklu można obliczyć jako różnicę pomiędzy wskazaniem licznika na końcu i początku cyklu. Przy krótkich procesach pojedynczy wynik może być mało stabilny, dlatego lepiej zmierzyć większą liczbę powtarzalnych cykli, a następnie podzielić całkowite zużycie przez ich liczbę.

Energia na cykl = energia zużyta przez serię cykli / liczba wykonanych cykli

Wynik powinien być przypisany do konkretnego produktu, programu, materiału i ustawień. Porównywanie cyklu wykonywanego przy pełnym obciążeniu z cyklem dla małej partii może prowadzić do błędnych wniosków.

Jeżeli jeden cykl wytwarza różną liczbę sztuk, bardziej użyteczny będzie wskaźnik zużycia na jednostkę:

Energia na jednostkę = energia zużyta w analizowanym okresie / liczba prawidłowo wykonanych jednostek

Jednostką może być sztuka, kilogram, tona, metr albo partia. Do mianownika najlepiej przyjmować produkty spełniające wymagania jakościowe, ponieważ wysoka liczba braków zwiększa rzeczywiste zużycie energii potrzebne do uzyskania prawidłowego wyrobu.

Sam spadek całkowitej liczby kWh nie oznacza poprawy, jeżeli równocześnie zmalała wielkość produkcji. Dlatego właściwie obliczona energochłonność produkcji daje lepszą podstawę oceny niż porównywanie samych odczytów licznikowych.

Jak porównywać zużycie podobnych maszyn?

Porównanie zużycia podobnych maszyn powinno odbywać się przy możliwie zbliżonych warunkach. Nie wystarczy zestawić całkowitych wartości kWh z dwóch liczników, ponieważ urządzenia mogły pracować przez różny czas albo wykonywać inne produkty.

Należy uwzględnić między innymi:

• rodzaj produktu i materiału,
• liczbę cykli,
• prędkość pracy,
• obciążenie,
• program i ustawienia technologiczne,
• temperaturę procesu,
• liczbę wyprodukowanych dobrych sztuk,
• udział przestojów,
• urządzenia pomocnicze objęte pomiarem.

Maszyna zużywająca więcej energii na godzinę może być efektywniejsza, jeżeli produkuje znacznie szybciej. Dlatego w porównaniu warto zestawiać przede wszystkim kWh na cykl, kWh na jednostkę produktu, pobór w trybie gotowości oraz czas pozostawania w tym trybie.

Wyniki mogą też różnić się z powodu stanu technicznego, zużycia podzespołów, jakości konserwacji lub odmiennego sposobu obsługi. Dane energetyczne wskazują, gdzie warto szukać przyczyny, ale same nie przesądzają, co powoduje różnicę.

Jak interpretować profil zużycia energii maszyny?

Profil pokazujący moc w czasie pozwala zobaczyć kolejne fazy pracy urządzenia. Powtarzalny cykl powinien zwykle tworzyć podobny wzorzec. Zmiana jego kształtu może sygnalizować odmienny sposób pracy, zmianę materiału, ustawień lub stanu technicznego.

Stały pobór podczas oczekiwania może wynikać z pozostawionych napędów, grzałek, pomp albo układów pomocniczych. Zanim zostanie uznany za stratę, trzeba ustalić, które elementy muszą pozostać aktywne ze względów technologicznych lub bezpieczeństwa.

Stopniowy wzrost energii przypadającej na podobny cykl może być związany między innymi ze zmianą obciążenia, większym tarciem, zużyciem części, zabrudzeniem, innymi ustawieniami albo pogorszeniem działania instalacji pomocniczej. Taka obserwacja powinna prowadzić do kontroli procesu lub przeglądu, a nie do automatycznej diagnozy awarii.

Krótkie szczyty mocy mogą być naturalnym elementem rozruchu. Istotna jest ich powtarzalność, czas trwania oraz zgodność z typowym przebiegiem pracy. Porównanie należy prowadzić z wcześniejszymi cyklami tej samej maszyny, a nie tylko z dowolnie przyjętym poziomem.

Różnice między zmianami produkcyjnymi mogą natomiast wynikać z innego asortymentu, liczby przezbrojeń, długości przerw, tempa pracy lub organizacji dostaw materiału. Nie powinny być automatycznie przypisywane operatorom bez sprawdzenia pozostałych warunków.

Jak przeprowadzić pilotaż monitoringu maszyny?

Pilotaż powinien objąć urządzenie, dla którego wynik może doprowadzić do konkretnej decyzji. Dobrym kandydatem jest maszyna o dużej mocy, długim czasie pracy, częstych postojach albo zauważalnym poborze po zakończeniu produkcji.

Praktyczny pilotaż można przeprowadzić w następujący sposób:

1. Wybrać maszynę i zdefiniować cel pomiaru.
2. Określić, które urządzenia obejmuje granica pomiarowa.
3. Ustalić rejestrowane stany pracy.
4. Zebrać dane z reprezentatywnych cykli, zmian i postojów.
5. Sprawdzić zgodność czasu pomiędzy licznikiem i danymi produkcyjnymi.
6. Obliczyć zużycie podczas pracy, postoju oraz na cykl lub jednostkę produktu.
7. Wybrać jedną zmianę możliwą do przetestowania.
8. Powtórzyć pomiar w porównywalnych warunkach.
9. Ocenić, czy potrzebny jest stały monitoring.

Pilotaż powinien obejmować wystarczającą liczbę typowych cykli. Jednorazowy pomiar wykonany podczas nietypowego zlecenia może nie odzwierciedlać normalnej pracy maszyny.

Przed wprowadzeniem zmiany należy zapisać wynik bazowy. Po jej wdrożeniu trzeba ponownie zmierzyć zużycie przy podobnym produkcie, obciążeniu i czasie pracy. Tylko takie porównanie pozwala ocenić, czy działanie rzeczywiście zmniejszyło zużycie, a nie jedynie zbiegło się ze zmianą wielkości produkcji.

Kiedy rozszerzyć monitoring na linię produkcyjną?

Pomiar pojedynczej maszyny nie zawsze opisuje pełne zużycie procesu. W liniach technologicznych część energii pobierają wspólne przenośniki, pompy, systemy chłodzenia, odciągi, piece, suszarnie lub instalacje sprężonego powietrza.

Monitoring energetyczny linii produkcyjnej jest potrzebny, gdy efektywność jednego urządzenia zależy od pracy pozostałych elementów. Maszyna może mieć niski pobór własny, ale powodować długie oczekiwanie innych stanowisk albo wymagać ciągłej pracy wspólnego układu pomocniczego.

Przy rozszerzaniu pomiaru trzeba zachować możliwość oddzielnego analizowania najważniejszych urządzeń. Jeden licznik dla całej linii pokaże jej całkowite zużycie, ale nie wskaże, który element odpowiada za zmianę profilu.

Jak wykorzystać wyniki monitoringu?

Dane powinny prowadzić do konkretnego działania. Na ich podstawie można skrócić czas pozostawania maszyny w trybie gotowości, zmienić harmonogram rozgrzewania, poprawić procedurę wyłączania albo sprawdzić ustawienia urządzeń pomocniczych.

Powtarzalny wzrost energii na cykl może uzasadniać kontrolę stanu technicznego. Porównanie dwóch maszyn może pomóc wybrać urządzenie odpowiednie do określonego produktu, a pomiar przed i po modernizacji pozwala zweryfikować rzeczywisty efekt inwestycji.

Monitoring sam w sobie nie zmniejsza zużycia energii. Wartość powstaje dopiero wtedy, gdy wynik zostanie zestawiony z warunkami produkcji, zamieniony na decyzję i ponownie sprawdzony po jej wdrożeniu. Każda optymalizacja powinna przy tym zachować wymagany poziom bezpieczeństwa, jakości produktu i niezawodności maszyny.