Kuidas programmeerida nutikat koormuse tasakaalustamist PLC-s energiatõhususe saavutamiseks

Nutikas koormuse tasakaalustamine PLC-s tähendab elektriliste koormuste järjestamist, moduleerimist ja piiramist vastavalt protsessi nõudlusele ja rajatise võimsuspiirangutele. Praktikas nõuab see astmelisi käivitusi, analoogvõimsuse jälgimist, prioriteedipõhist koormuse piiramist ja valideerimist realistliku seadmete käitumise alusel enne juurutamist.

Tippnõudluse kulu on sageli kontrolliprobleem, mis on maskeeritud kommunaalteenuste probleemiks. Paljud tööstusrajatised ei maksa ainult tarbitud kWh eest; nad maksavad ka kõrgeima kW nõudluse eest, mis saavutati arveldusperioodi jooksul, tavaliselt 15-minutilise akna jooksul vastavalt tariifistruktuuridele. Üks ebaõnnestunud järjestus võib oluliselt mõjutada igakuist arvet.

See on erinevus süntaksi ja juurutatavuse vahel. Palju loogikat töötab, kuid mitte kõik pole valmis reaalprotsessiks.

Tippnõudluse tasud võivad oluliselt ületada seda, mida paljud insenerid sõna "energia" all mõistavad. USA energeetikaministeerium ja kommunaalsektori juhised eristavad tavaliselt energiatarbimise tasusid, mida arveldatakse kWh-des, ja nõudluse tasusid, mida arveldatakse kW-des vastavalt arveldusperioodi kõrgeimale mõõdetud intervallnõudlusele. Sõltuvalt tariifiklassist ja rajatise profiilist võivad nõudluse tasud moodustada suure osa elektriarvest. Mõnede äri- ja tööstusklientide puhul tuuakse sageli välja vahemik 30% kuni 70%, kuid see vahemik sõltub tariifist ja asukohast, mitte ei ole universaalne.

Aritmeetika on lihtne. Rajatis, mille tippkoormus on 10 MW ja nõudluse tasu 15 $/kW, kannab järgmisi kulusid:

• 10 000 kW × 15 $/kW = 150 000 $ kuus
• 150 000 $ × 12 = 1,8 miljonit $ aastas

See arv ei ole turunduslik liialdus. See on tariifi tagajärg.

Jõumeetodi (brute-force) loogika maksumus

Kehv järjestamine võib tekitada välditavaid nõudluse tippe isegi siis, kui protsess ise ei ole ebatavaliselt energiamahukas. Kui kolmel suurel kompressoril, jahutil või pumpade rühmal lubatakse koos käivituda, võib PLC tekitada lühiajalise elektrilise sündmuse, mis määrab rajatise kuu arveldusnõudluse.

Tüüpilised tõrkemustrid on järgmised:

• samaaegsed mootorikäivitused,
• käivituslubade astmelisuse puudumine,
• rajatise kW järelevalve puudumine,
• kriitiliste ja edasilükatavate koormuste eristamata jätmine,
• PID-ahelad, mis on häälestatud piisavalt tihedalt, et pigem "jahtida" kui reguleerida.

Kommunaalettevõtteid ei huvita, kas tipp tuli elegantsest või kiirustades kirjutatud koodist.

Nutikas koormuse tasakaalustamine ei ole loosung. See on kogum jälgitavaid juhtimiskäitumisi, mis vähendavad tarbetuid elektrilisi tippe, säilitades samal ajal protsessi nõuded.

PLC mõistes hõlmab see tavaliselt:

• Juht/järgija (lead/lag) järjestamist, et jaotada tööaega ja lülitada seadmeid sisse ainult siis, kui nõudlus seda nõuab
• Astmelisi käivitusi, kasutades `TON` või samaväärset ajastusloogikat, et vältida samaaegset käivitusvoolu
• Analoogvõimsuse jälgimist, kasutades rajatise või alamsüsteemi kW signaale
• Prioriteedipõhist koormuse piiramist, mis lülitab mitte-kriitilised koormused välja, kui piirmäärad on ületatud
• Surnud tsooni (deadband) ja jahtimisvastast loogikat, et vältida sagedusmuundurite või ventiilide pidevat mikro-reguleerimist
• Komparaatoripõhiseid otsuseid, kasutades käske nagu `CMP`, `GRT`, `LES`, `GEQ` või tarnijapoolseid vasteid
• Matemaatilisi plokke nagu `ADD`, `SUB`, `MUL` ja `DIV`, et jaotada koormust või vooluhulka varade vahel

Kasulik operatiivne määratlus on järgmine: nutikas koormuse tasakaalustamine on juhtimisloogika, mis hoiab protsessi jõudluse vastuvõetavates piirides, piirates samal ajal teadlikult elektrilise nõudluse käitumist.

See määratlus on testitav. Kui loogikat ei saa jälgida, koormata ja kontrollida ebanormaalsete olekute suhtes, ei ole see veel reaalprotsessiks valmis.

Juht/järgija järjestamine optimeerib nii tööaja jaotust kui ka elektrilist nõudlust, kontrollides, millal lisaseadmed võrku lülitatakse. Põhimuster on lihtne: üks seade on juht, teine järgija ja PLC lülitab järgija sisse alles siis, kui juhtseade ei suuda enam protsessi määratletud piirides rahuldada.

See muutub majanduslikult oluliseks pumpade ja ventilaatorite süsteemides sarnasusseaduste tõttu. Geomeetriliselt sarnaste tsentrifugaalseadmete puhul:

• Vooluhulk on ligikaudu võrdeline kiirusega
• Surve on ligikaudu võrdeline kiiruse ruuduga
• Võimsus on ligikaudu võrdeline kiiruse kuubiga

See kuupseos on see osa, mida insenerid mäletavad, sest see mõjutab elektriarvet.

Pumba sarnasusseadused redelloogikas

Levinud väärarusaam on, et üks täiskiirusel töötav masin on alati tõhusam kui kaks vähendatud kiirusel töötavat masinat. Tsentrifugaalsüsteemide puhul muutuva nõudluse korral ei ole see usaldusväärselt tõsi. Tegelik tulemus sõltub pumba karakteristikust, süsteemi karakteristikust, juhtimismeetodist ja minimaalsetest stabiilsetest tööpiirangutest, kuid kuupseos aitab selgitada, miks astmeline sagedusmuunduri (VFD) töö võib õiges rakenduses võimsust vähendada.

Lihtsustatud juhtimisskeem näeb välja selline:

- Üks pump 100% kiirusel: kõrgeim suhteline võimsustarve antud tööpunkti jaoks - Kaks pumpa vähendatud kiirusel: potentsiaalselt madalam kombineeritud võimsus sarnase nõutava vooluhulga jaoks, sõltuvalt hüdrosüsteemist - PLC nõue: arvutada nõudlus, võrrelda piirmääradega ja jaotada väljundkäsud saadaolevate seadmete vahel

Redelloogikas tähendab see sageli:

• `CMP` või `GEQ` kasutamist, et teha kindlaks, millal juhtseadme võimsusest ei piisa,
• `TON` kasutamist järgija käivitamise viivitamiseks,
• `ADD` ja `DIV` kasutamist vooluhulga või kiiruse referentsi jagamiseks,
• analoogväljundite skaleerimist VFD kiiruse käskudeks,
• juhtseadme määramise roteerimist vastavalt tööaja akumulatsioonile.

Kompaktne juht/järgija strateegia sisaldab tavaliselt:

• Võrrelda protsessi muutujat seadeväärtuse vahemikuga
• Mõõta praeguse juhtseadme väljundit või kiirust
• Kui juhtseade ületab kõrge kasutusastme piirmäära määratud aja jooksul, luba järgija
• Kui kombineeritud nõudlus langeb madala piirmäära alla määratud aja jooksul, eemalda järgija
• Vaheta juhtseadme määramist tööaja või käivituste arvu alusel
• Väldi samaaegseid käivitusi
• Jõusta minimaalne väljalülitusaeg ja taaskäivitamise viivitus

1. Nõudluse hindamine
2. Sisselülitamise tingimus
3. Väljalülitamise tingimus
4. Roteerimisloogika
5. Elektriline kaitse-loogika

Siin lõpetab redelloogika olemast joonistamisharjutus ja hakkab käituma nagu tehase poliitika.

Astmelised käivitused vähendavad tippnõudlust, takistades mitmel mootoril samaaegselt käivitusvoolu tarbimast. See on otsene mehhanism. Juhtimise eesmärk on lihtne: ärge laske käivitusjärjestusel tekitada nõudluse sündmust, mis on suurem, kui protsess nõuab.

Standardne rakendus kasutab `TON`-käske seadmete käivitamiseks kaskaadis pärast lubade täitmist.

### Näide: kaskaadne käivitusjärjestus

Lihtne muster võib välja näha selline:

• Käivituskäsk vastu võetud
• Kontrolli ühiseid lubasid
• Käivita mootor 1 kohe
• Pärast `TON_1` lõppemist käivita mootor 2
• Pärast `TON_2` lõppemist käivita mootor 3
• Katkesta või peata järjestus, kui rajatise kW ületab hoiatuse piirmäära

Keel: Ladder Diagram (Redelskeem)

Redelloogika näide:

- `[Analoogsisend: Total_kW] ---- [GRT] ------------------------(OTE Shed_Tier_3_Relay)` - `Allikas A: Total_kW` - `Allikas B: 8500` - `[Motor_1_Run_FB] -------------------------------------------(TON T4:1 15s)` - `[T4:1.DN] [Permissives_OK] [NOT High_kW_Alarm] ------------(OTE Motor_2_Start)` - `[Motor_2_Run_FB] -------------------------------------------(TON T4:2 15s)` - `[T4:2.DN] [Permissives_OK] [NOT High_kW_Alarm] ------------(OTE Motor_3_Start)`

• `[Start_Command] [Permissives_OK] ---------------------------(OTE Motor_1_Start)`

Pildi alttekst: OLLA Lab redelloogika redaktori ekraanipilt, mis kuvab "suurem kui" (Greater Than) komparaatori plokki, mis käivitab 3. taseme koormuse piiramise relee, kui simuleeritud rajatise võimsus ületab 8500 kilovatti.

Täpsed taimeri väärtused sõltuvad mootori suurusest, toiteliini võimsusest, protsessi kiireloomulisusest ja tariifidest. 15 sekundit ei ole püha. See on lihtsalt pikem kui null.

PID-häälestus mõjutab energiatarbimist, kuna ebastabiilsed või liiga agressiivsed ahelad sunnivad mehaanilisi süsteeme pidevalt korrigeerima müra, ületamist ja võnkumist. Ahel, mis "jahib", ei ole kasulikus mõttes tundlik; see võib olla ka kulukas.

See on kõige olulisem:

• jahutusvee süsteemides,
• õhukäitlussüsteemides,
• pumpamisvõrkudes,
• rõhu reguleerimise ahelates,
• temperatuuri reguleerimise ahelates, kus on sagedusmuunduriga juhitavad seadmed.

Miks on surnud tsoon (deadband) oluline

Korralikult piiritletud surnud tsoon võib vähendada tarbetut ajami liikumist ja ühtlustada reguleeritud süsteemi võimsusprofiili. Kui anduri müra või väikesed protsessi häired põhjustavad pidevaid kiiruse muutusi, kulutavad ajam ja juhitavad seadmed oma aega tühiste vigade tagaajamisele.

Praktilises mõttes aitab surnud tsoon:

• eirata ebaolulisi kõrvalekaldeid,
• vähendada väljundi "lobisemist" (chatter),
• piirata ventiilide ja ajamite kulumist,
• vältida tarbetut kiiruse moduleerimist,
• parandada stabiilsust seadeväärtuse ümber.

Insenertehniline seisukoht ei ole see, et surnud tsoon on alati hea. Liiga suur surnud tsoon võib halvendada juhtimise kvaliteeti. Kitsam ja täpsem väide on järgmine: protsessi ja instrumentide kvaliteedile vastav surnud tsoon võib vähendada juhtimise "lobisemisest" tingitud energiaraiskamist.

OLLA Lab kasutamine PID-ga seotud energiakäitumise valideerimiseks

Siin muutub OLLA Lab operatiivselt kasulikuks. Selle brauseripõhine redelloogika keskkond, simulatsioonirežiim, muutujate paneel, analoogtööriistad ja PID-juhtpaneel võimaldavad inseneridel testida, kuidas ahela seaded mõjutavad nii protsessi reaktsiooni kui ka elektrilist käitumist enne riistvara puudutamist.

Piiratud valideerimistöövoos saab insener:

• määrata protsessi muutuja ja seadeväärtuse,
• rakendada analoogmüra või nõudluse muutusi,
• jälgida kontrolleri väljundi liikumist,
• võrrelda kitsa ja laiema surnud tsooni käitumist,
• kontrollida, kas ahel stabiliseerub või jahib,
• kontrollida, kas lisaseadmed lülituvad tarbetult sisse.

See on see, mida simulatsioonivalmidus siin tähendab: insener, kes suudab tõestada, jälgida, diagnoosida ja karastada juhtimisloogikat realistliku protsessi käitumise suhtes enne, kui see jõuab reaalprotsessini.

Tippnõudluse piiramise loogika jälgib rajatise või alamsüsteemi võimsust ja eemaldab madalama prioriteediga koormused, kui määratletud piirmäär on ületatud. Disaini eesmärk on säilitada kriitilise protsessi järjepidevus, vältides samal ajal välditavaid tariifseid karistusi või elektrilist ülekoormust.

Põhiarhitektuur sisaldab tavaliselt:

• ühte või mitut analoogset kW või voolust tuletatud sisendit,
• piirmäära komparaatoreid,
• prioriteedimaatriksit,
• taimereid, et vältida häirivat väljalülitamist,
• taastamisloogikat hüstereesiga,
• operaatori nähtavust ja häireseisundeid.

Prioriteedimaatriksi koostamine

Kasulik piiramise disain algab koormuste järjestamisest vastavalt protsessi tagajärgedele, mitte mugavusele.

- 1. tase: Kriitilised koormused - Reegel: ärge kunagi lülitage automaatselt välja ilma eraldi ohutuse poolt üle vaadatud filosoofiata

• ohutusventilatsioon
• oluline juhtimistoide
• pidev reaktsioon või elutähtsate protsessifunktsioonidega seotud seadmed

- 2. tase: Puhverkoormused - Reegel: lülitage välja ainult siis, kui piirmäära ületamine püsib ja protsess saab ohutult "rannasõidul" jätkata

• termilise inertsiga jahutusvee ahelad
• üleliigsed tsirkulatsiooniseadmed
• mitte-kohese tähtsusega kommunaalteenuste tugiseadmed

- 3. tase: Mitte-kriitilised koormused - Reegel: lülitage esimesena välja, kui nõudluse piirmäär on ületatud

• materjali transpordikonveierid
• edasilükatavad pakendamisfunktsioonid
• mitte-kiireloomulised abiseadmed

This is not just an energy strategy. It is a control philosophy document in executable form.

Näide koormuse piiramise loogikast

Minimaalne loogikamuster sisaldab:

1. Loe `Total_kW`
2. Võrdle kõrge piirmääraga
3. Käivita püsivuse taimer
4. Kui piirmäära ületamine püsib, pingesta 3. taseme koormuste väljalülitusrelee
5. Taasta alles pärast seda, kui nõudlus langeb madalama piirmäära alla määratud aja jooksul

See madalam piirmäär on oluline. Ilma hüstereesita hakkab PLC koormusi sisse-välja lülitama.

Insenerid saavad kasutada OLLA Lab keskkonda ülesannete harjutamiseks, mida on raske reaalrajatises katsetada: tõusva analoogkoormuse sisestamine, komparaatori käitumise jälgimine, taimeri püsivuse valideerimine ja kinnitamine, et piiramise prioriteedid vastavad kavandatud juhtimisfilosoofiale.

Toote väide peaks jääma piiratuks. OLLA Lab on valideerimis- ja harjutuskeskkond, mitte asendus kohapealsele kasutuselevõtule, tariifide ülevaatusele või ametlikule ohutuse heakskiidule.

Praktiline OLLA Lab valideerimisjärjestus näeks välja selline:

• Ava stsenaarium mitme mootori või kommunaalkoormusega
• Kaardista `Total_kW` analoogmuutujana
• Loo piirmäära komparaatorid hoiatuse ja piiramise tasemete jaoks
• Lisa `TON` püsivuse taimerid, et vältida häirivaid väljalülitusi
• Määra koormused 1., 2. ja 3. taseme väljunditele
• Käivita simulatsioonirežiim
• Suurenda analoogvõimsuse signaali, kuni piirmäär on ületatud
• Kinnita, et ainult ettenähtud koormused lülituvad välja
• Langeta signaali ja kontrolli kontrollitud taastamist

Väärtus ei seisne selles, et simulaator kuulutab loogika õigeks. Väärtus seisneb selles, et insener saab ühes keskkonnas kontrollida põhjust ja tagajärge redeli oleku, tagi oleku ja simuleeritud seadmete käitumise lõikes.

Ekraanipiltide galerii on nõrk tõend. Kompaktne insenertehniliste tõendite kogum on tugevam, sest see näitab arutluskäiku, vigade käsitlemist ja revisjonidistsipliini.

Kasutage seda struktuuri:

Määratlege protsess, varad, tööeesmärk ja elektriline piirang. Näide: kolme pumbaga jahutusvee ahel 8,5 MW rajatise nõudluse piirmääraga.

Märkige, mida edu tähendab jälgitavates terminites. Näide: ei mingeid samaaegseid käivitusi, 3. taseme koormused lülituvad välja üle piirmäära pärast 10 sekundit, 1. taseme koormusi ei lülitata välja, stabiilne ahela juhtimine määratletud vahemikus.

Tutvustage teadlikult realistlikku ebanormaalset seisundit: anduri hüpe, ebaõnnestunud töö tagasiside, viivitatud ventiili tõestus või äkiline nõudluse kasv.

Dokumenteerige täpne muudatus: lisatud hüsterees, laiendatud surnud tsoon, sisestatud käivitusviivitus, muudetud sisselülitamise piirmäära või parandatud lubade loogikat.

1. Süsteemi kirjeldus
2. Õige toimimise operatiivne määratlus
3. Redelloogika ja simuleeritud seadmete olek Näidake asjakohaseid redelipulki, tage, analoogväärtusi ja seadmete vastuseid koos. Loogika ilma protsessi olekuta on vaid pool lugu.
4. Sisestatud vea juhtum
5. Tehtud revisjon
6. Õppetunnid Märkige, mida algne loogika ei arvestanud ja miks revisjon parandas juurutatavust.

See on selline artefakt, mis demonstreerib kasutuselevõtu otsustusvõimet.

Energia optimeerimise loogika asub juhtimise jõudluse, elektrilise nõudluse juhtimise ja ohutu süsteemi käitumise ristumiskohas. Mitte iga koormuse piiramise funktsioon ei ole ohutusega seotud, kuid kui loogika mõjutab protsessi järjepidevust, väljalülitusi, lubasid või operaatori reaktsiooni, on standardite distsipliin oluline.

Asjakohased viited hõlmavad:

• IEC 61508 funktsionaalse ohutuse raamistiku jaoks, mis reguleerib elektrilisi, elektroonilisi ja programmeeritavaid elektroonilisi ohutusega seotud süsteeme
• ISA-5.1 instrumentide sümbolite ja identifitseerimise konventsioonide jaoks, mis on kasulikud juhtimisfunktsioonide dokumenteerimisel
• ASHRAE ja DOE juhised HVAC ja rajatise energiahalduse kontseptsioonide jaoks
• Pumpade ja ventilaatorite sarnasusseaduste kirjandus muutuva kiirusega energiakäitumise jaoks
• Juhtimiskirjandus PID-häälestuse, võnkumise ja protsessi tõhususe kohta
• Digitaalse kaksiku ja simulatsioonikoolituse kirjandus virtualiseeritud süsteemide kasutamise kohta valideerimisel ning operaatori või inseneri ettevalmistamisel

Vajalik parandus on järgmine: simulatsiooni valideerimine ei ole sama mis ohutussertifikaat. See võib parandada valmisolekut ja vähendada kasutuselevõtu riski, kuid see ei anna SIL-kvalifikatsiooni, kohapealset aktsepteerimist ega ametlikku vastavust seose kaudu.

OLLA Lab sobib enne reaalset juurutamist, koolituse ajal ja kõrge riskiga kasutuselevõtu ülesannete loogika harjutamiseks. Selle praktiline väärtus seisneb selles, et insenerid saavad luua redelloogikat veebipõhises redaktoris, käivitada simulatsiooni, kontrollida muutujaid ja I/O-d, töötada analoog- ja PID-käitumisega ning võrrelda koodi olekut realistlike tööstuslike stsenaariumitega ilma tegelikke seadmeid pingestamata.

Õigesti piiritletuna näeb töövoog välja selline:

• ehita järjestus,
• simuleeri normaalset tööd,
• sisesta ebanormaalsed tingimused,
• jälgi tagi ja seadmete käitumist,
• vaata loogika üle,
• korda, kuni juhtimisfilosoofia on kaitstav.

See on usaldusväärne kasutusjuht. See on ka odavam koht halva komparaatori piirmäära avastamiseks kui reaalne elektriarve.

Nutika koormuse tasakaalustamise programmeerimine energiatõhususe saavutamiseks ei seisne peamiselt nutika redelloogika kirjutamises. See seisneb sellise tööfilosoofia kodeerimises, mis austab tariifistruktuuri, protsessi stabiilsust, seadmete piiranguid ja ebanormaalse oleku käitumist.

Kõrge väärtusega juhtimismustrid on selged:

• astmelised käivitused käivitusvoolust tingitud tippude vähendamiseks,
• juht/järgija loogika kasutamine seadmete arukaks lülitamiseks,
• PID-käitumise häälestamine energiat raiskava võnkumise vältimiseks,
• rajatise kW jälgimine ja ainult selle piiramine, mida protsess saab ohutult kaotada,
• kõige selle valideerimine realistliku simuleeritud käitumise suhtes enne juurutamist.

See on praktiline üleminek PLC süntaksist kasutuselevõtu otsustusvõimeni.

- USA energeetikaministeeriumi (DOE) Better Buildings / Nõudluse juhtimise ressursid - USA DOE pumbasüsteemi jõudluse käsiraamat (PDF) - ISA-5.1 Instrumentide sümbolid ja identifitseerimine - IEC 61508 Funktsionaalse ohutuse standard - ASHRAE HVAC süsteemide ja seadmete käsiraamat

Ampergon Vallis Lab meeskond on pühendunud tööstusautomaatika ja PLC-loogika valideerimise standardite edendamisele läbi simulatsioonipõhiste töövoogude.

Käesolev artikkel on koostatud tuginedes tööstusautomaatika parimatele tavadele, elektrienergia tariifide üldistele põhimõtetele ja PLC-põhise juhtimisloogika valideerimise metoodikatele. Simulatsioonimõõdikud on tuletatud OLLA Lab keskkonna kontrollitud teststsenaariumitest.