Na první pohled:

• Přečtěte si, jak vypadá konstrukce chytrého hydraulického agregátu.
• Většina hydraulických okruhů není nepřetržitě pracujícím systémem – spotřeba energie v době nečinnosti je značná.
• Použití VFD a některých dalších přístrojů může pomoci ušetřit energii a zkrátit prostoje.

Hydraulické pohonné jednotky (HPU) vytvářejí tlak oleje pro pohon hydraulických zařízení. Hydraulická zařízení poskytují větší množství síly než tradiční elektrické a mechanické pohonné jednotky a lze je řídit s větší přesností. Na tyto hydraulické systémy jsou kladeny vyšší nároky na výkon, zejména při nepřetržitém provozu ve zpracovatelském průmyslu. Proto jsou náklady na provoz a údržbu – spolu s prostoji způsobenými poruchami – problémem pro závody a provozy, které pracují 24 hodin denně, 7 dní v týdnu.

Co je to hydraulická pohonná jednotka?

Hydraulické pohonné jednotky jsou samostatné jednotky, které se skládají z motoru, nádrže, pojistného ventilu, filtru, manometru, průtokoměru, výměníku tepla, tlakového spínače, plovákového spínače/spínače hladiny, snímače teploty a hydraulického čerpadla. Tento hydraulický agregát slouží k přenosu výkonu z jednoho místa na druhé pomocí hydromotorů nebo hydraulických pohonů.

Jak se podobá elektrický a hydraulický výkon?

Pro analogii lze říci, že hydraulický agregát pomáhá vyvíjet tlak podobně jako elektrické napětí generované generátorem. Jinými slovy, hydraulický agregát je generátorem energie pro hydraulický systém podobně, jako elektrický generátor vyrábí potenciál pro přenos energie z generátorové stanice do rozvoden pro další distribuci do našich domácností.

Typické schéma jednočlánkového agregátu.

Jak funguje a spotřebovává energii typický hydraulický agregát?

Hydraulické agregáty se používají v nesčetných aplikacích, od oceláren, zinkoven a různých úpraven oceli až po zábavní park a lokomotivy. Hydraulický agregát slouží k přenosu výkonu z jednoho místa na druhé pomocí hydromotorů. Ohřívač (nebo výměník tepla) připojený k pohonné jednotce pomáhá udržovat olej na navržené viskozitě.

Elektrický indukční motor pracuje při konstantních otáčkách a dodává hydraulický olej pod konstantním tlakem do hydraulického okruhu. Průtokoměr v potrubí ukazuje průtok, když hydraulický olej pod tlakem vykonává práci. Když je práce vykonávána, olej proudí a tlak klesá (viz graf níže).

Zobrazuje průtok v závislosti na tlaku.

Když je práce ukončena nebo není hydraulickým okruhem vykonávána, olej v té době hydraulickým systémem neproudí. Tlak v potrubí se zvýší, a proto se otevře pojistný ventil, který přepouští olej zpět do nádrže. Tlakoměr, průtokoměr a průtokový spínač jsou součástí důležitých přístrojů, které obsluze signalizují, že hydraulické čerpadlo udržuje dostatečný tlak, aby bylo dosaženo požadovaného průtoku v hydraulickém systému.

Systémy, které jsou v provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu na takových místech, jako jsou zpracovatelské závody, nemocnice a letiště, se střídavými motory HPU po celé lince, spotřebovávají energii nepřetržitě, i když hydraulický systém pouze tlačí olej přes pojistný ventil, místo aby vykonával skutečnou práci. V tomto případě zvyšuje provozní náklady na účty za energii za žádnou práci. S VFD, které řídí tlak a průtok v potrubí, lze snížit otáčky motoru, a tím snížit tlak, což má přímý dopad na spotřebu energie.

Záměrem je snížit tlak snížením otáček čerpadla na takovou úroveň, aby olej neměl dostatečný tlak a nebyl zbytečně tlačen přes pojistný ventil, když je soustava v chodu naprázdno, a ne udržovat tlak na tak nízké úrovni, aby udržoval potrubí naplněné, aby se v případě potřeby spustilo čerpání. Snížením otáček motoru pomocí frekvenčního měniče (VFD) nejen ušetříme energii, ale také zabráníme zbytečnému plýtvání.

Můžeme analyzovat řízení spotřeby a komponenty přístrojové techniky v tomto typickém hydraulickém systému spolu s možnostmi úspory energie a nákladů na údržbu, zkrácení prostojů zařízení a nasazení prediktivní údržby. To lze považovat za alternativní přístup k integraci typického hydraulického systému.

Tradičně se komponenty řízení výkonu, jako jsou indukční motory pro hydraulická čerpadla a výměníky tepla, spouštějí napříč linkou, což způsobuje velké opotřebení motoru a zařízení.

Protože tyto indukční motory nejsou řízeny úměrně průtoku, tlaku nebo požadavku na teplotu, běží střídavé motory po spuštění konstantními otáčkami, což vede k nežádoucí spotřebě energie v době klidu. Při vědomí toho, že většina hydraulických obvodů není nepřetržitě pracujícím systémem, je spotřeba energie v době volnoběhu značná. Veškerou energii spotřebovávanou motorem čerpadla a motorem výměníku tepla v době volnoběhu lze ušetřit použitím VFD pro tyto střídavé motory.

V neposlední řadě jsou přístroje, které jsou na hydraulických agregátech, tradičně nasazovány buď pro zobrazení tlaku a průtoku obsluhou, nebo pro nouzové vypnutí agregátu. To se provádí spíše v případě, že jednotka vytvoří vysoký tlak v důsledku ucpání potrubí, než aby se tato instrumentace používala pro řízení střídavých motorů v úzké smyčce.

Připojením stávající instrumentace přímo do digitálních vstupů VFD, přidáním dalších analogových snímačů do hydraulického systému a integrací všeho do VFD se vytvoří efektivnější řízení agregátu, a to při nižších nákladech a minimální údržbě.

V posledních letech jsou VFD vybaveny technologií IoT. Díky tomu, že přístrojové vybavení přechází přímo do VFD, získává uživatel výhodu prediktivní údržby, která snižuje nežádoucí prostoje.

Jak by vypadala konstrukce inteligentního hydraulického agregátu?

1. Nainstalujte VFD pro motor hydraulického čerpadla a další pro motor chladicího čerpadla na výměníku tepla. U kritických hydraulických agregátů jsou pro každý z nich redundantní motory. V takovém případě byste museli nainstalovat samostatné VFD pro redundantní motory.
2. Zavřete všechny ventily v obtokovém potrubí. Havarijní pojistný ventil by měl být nastaven tak, aby přišel ke slovu pouze tehdy, když pohon nedokáže regulovat tlak.
3. Instalujte snímač diferenčního tlaku mezi přívodní a zpětnou hlavici u procesní zátěže (umístěný v nejvzdálenější vzdálenosti od pohonné jednotky). Určete tlakovou ztrátu potřebnou k udržení dostatečného průtoku nejvzdálenějším bodem procesní zátěže v hydraulické síti. Řiďte otáčky hydraulického čerpadla VFD pomocí interního PID, aby byl udržován dostatečný diferenční tlak.
4. Na hydraulický agregát nainstalujte snímač teploty, který bude zpětně přenášet teplotu oleje do VFD výměníku topení a řídit průtok chladicí vody výměníkem tepla.
5. Zapojte internet věcí na VFD, aby pravidelně odesílal chytré informace do chytrého telefonu a porovnával informace s cílem upozornit uživatele, aby v případě potřeby přijal proaktivní opatření pro údržbu.

Spojení všeho dohromady:

Indukční motor hydraulického čerpadla by měl být řízen spíše pomocí VFD než přes síťový startér. Referenční otáčky VFD mohou být řízeny interním PID regulátorem pohonu, který dostává zpětnou vazbu ze snímače diferenčního tlaku přidaného do hydraulického systému. Nastavenou hodnotou pro PID bude udržování dostatečného tlaku dP v nejvzdálenějším bodě hydraulické sítě.

To znamená, že podle pravidel afinity bude VFD spouštět motor hydraulického čerpadla při otáčkách potřebných k udržení žádané hodnoty tlaku, a nikoliv vždy na plné otáčky, když běží přes spouštěč vedení a spotřebovává energii při volnoběhu.

Při uplatnění prvního principu bude kombinace hydraulického čerpadla a elektromotoru na hydraulickém výkonu řídit průtok oleje pro ovládání pístu nebo otáčení hydromotoru. Průtok (g/min) je funkcí výtlaku oleje na otáčku * otáčky. Proto lze použít VFD ke snížení otáček čerpadla k řízení průtoku, když je požadován minimální průtok v době, kdy je hydraulický systém v klidu.

Během práce vykonávané hydraulickým systémem se udržuje určitý průtok, který souvisí s dP v nejvzdálenějším bodě, přičemž se zohledňuje práce vykonávaná pohonem nebo případná netěsnost. Tento konstantní průtok vyvolává tlakový rozdíl způsobený odporem, který klade zátěž.

Pomocí PID VFD v uzavřené smyčce se tedy řídí otáčky motoru; v době nečinnosti nedochází k přetlakování systému a průtok potřebný k udržení požadovaného tlaku je dodáván v době práce vykonávané hydraulickým systémem.

Celkově lze konstatovat, že snížením otáček čerpadla v době, kdy je systém v nečinnosti, a spuštěním čerpadla právě na požadované otáčky pro udržení dostatečného průtoku během fáze mimo nečinnost lze v systému, který je v provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, ušetřit energii a provozní náklady v dané aplikaci. Pokud se otáčky nesníží a olej je stále čerpán, aniž by vykonával nějakou práci, zvolí cestu nejmenšího odporu a vrátí se do nádrže přes přetlakový ventil, což uživatele stojí zbytečnou spotřebu energie.

Druhé, v systému, kde je dobře definováno dP, které má být udržováno, systém již zná normální provozní otáčky motoru. Proto případ netěsnosti v systému způsobí, že čerpadlo bude po určitou dobu pracovat s vyššími otáčkami, než je normální. To signalizuje, že je třeba čerpadlo seřídit nebo že v systému dochází k úniku. To je výhoda prediktivní diagnostiky při použití VFD pro hydraulické čerpadlo.

Připojením stávajícího průtokového spínače a tlakového spínače k digitálním vstupům na pohonu se pohon automaticky vypne, pokud je naprogramován na vypnutí při aktivaci jednoho z těchto spínačů. Poskytnutím dodatečné inteligentní bezpečnosti a pohonu s podporou internetu věcí poskytuje uživatelům včasné upozornění na akci požadovanou týmem údržby.

Viskozita oleje je důležitou funkcí pro prevenci případné kavitace čerpadla a dosažení požadovaného průtoku při projektovaném tlaku. Udržování teploty oleje je klíčem k udržení jeho viskozity. V závislosti na velikosti hydraulického systému mají jednotky nějaký druh výměníku tepla pro udržení teploty oleje. Pokud je motor s výměníkem tepla řízen pomocí VFD, použití PID regulátoru pro regulaci průtoku chladicí vody na základě teploty oleje ušetří náklady na energii, protože výkon je P (výkon) α Ƭ (točivý moment motoru) * N (otáčky).

Protože komponenty hydraulického agregátu byly navrženy a uvedeny do provozu s provozními parametry, jako je proud motoru, otáčky motoru a tlak, jakákoli změna těchto parametrů v průběhu času je dobrou indikací pro uživatele jako součást funkce prediktivní údržby. Upozorní uživatele, že se v systému něco změnilo, například netěsnost, ztráta ložiska nebo ucpané vedení (proto motor běží na vyšší otáčky, než je obvyklé, aby dosáhl požadovaného tlaku). Díky VFD s podporou IoT mají uživatelé všechny tyto parametry k dispozici na dosah ruky, což zvyšuje snadnost používání a zlepšuje zážitek ze správy dat.

Shrnem lze říci, že použití VFD a některých dalších přístrojů u hydraulických agregátů může uživateli přinést úspory energie, zkrácení prostojů a snížení nákladů na údržbu díky prediktivní údržbě.

Ranbir (Ron) Ghotra je aplikační inženýr produktové řady ve společnosti Eaton. Ghotra má 20 let celosvětových zkušeností v oblasti inženýrství a řízení řídicích a automatizačních projektů, kdy řešil problémy pro různá průmyslová odvětví od bytové výstavby až po letecký průmysl. Je profesionálem v oblasti řízení projektů, má bakalářský titul v oboru elektrotechniky a titul MBA z Katz Business School.