O ile oczekiwania i wyzwania w branży wod-kan, ze szczególnym uwzględnieniem systemów pompowych, pozostają od lat bardzo podobne (i są wspólne dla branży na całym świecie), o tyle ich priorytety stale ewoluują. Obecne badania oraz zmieniająca się rzeczywistość w następujący sposób definiuje podstawowe wyzwania – patrz tabela 1.

Choć na pewno powyższa lista nie wyczerpuje wszystkich wyzwań, problemów i oczekiwań branżowych, dobrze definiuje ich główne obszary. Coraz mniejsza liczba diagnostów i innych specjalistów oraz starzejący się pracownicy to jedne z najpoważniejszych problemów wskazywanych przez przestawicieli przedsiębiorstw wod-kan. Brak możliwości diagnostyki systemów pompowych związany z powyższymi brakami kadrowymi, niewłaściwie podejmowane decyzje remontowe (w obszarze zarówno czasu remontu, jak i jego przebiegu) powodują zwiększone koszty obsługi i napraw.

Brak narzędzi monitorowania i analizy parametrów pracy pomp

Kolejnym, wskazywanym przez specjalistów wod-kan obszarem, istotnym szczególnie w obecnych czasach wysokich cen na rynku energii, jest całkowity koszt energii i trudności w jego planowanej optymalizacji. Możliwość tej optymalizacji jest jednak ograniczona w zakresie istniejących rozwiązań. Wskazuje się tutaj brak odpowiednich narzędzi monitorowania i analizy parametrów pracy pomp czy systemów pompowych, które pozwalają na właściwą weryfikację poprawności ich eksploatacji, sposobu sterowania oraz optymalizacji efektywności operacyjnej i energetycznej.

Na rysunku 1 pokazano uśrednione typowe koszty związane z zakupem, instalacją i eksploatacją pomp w systemach przepompowni.

Jak widać z załączonego zestawienia, około 80% to koszty utrzymania pomp oraz energii, jaką te pompy zużywają w trakcie swojego życia i eksploatacji. Można na tej podstawie zdefiniować konkretne działania każdym z obszarów oraz ocenić ich wpływ operacyjny oraz korzyści ekonomiczne. Trzeba tu nadmienić, że opisywane wyzwania oraz określone typy kosztów nie ograniczają się do jednej, wymienionej tu branży, a efektywność i możliwość optymalizacji eksploatacji pomp (tab. 2) może znacząco zredukować koszty na liniach produkcyjnych w przemyśle motoryzacyjnym, wydobywczym, spożywczym i wielu innych.

Rozwiązania – system Elmodis

Wychodząc naprzeciw omawianym powyżej wyzwaniom, w zakresie eksploatacji systemów pompowych, firma Elmodis opracowała i ciągle doskonali – we współpracy z klientami – rozwiązanie dedykowane systemom pompowym. Bazujące na technologiach internetu rzeczy (IoT) wykorzystuje podłączone do internetu maszyny w celu zbierania danych i ich wykorzystania do diagnostyki i optymalizacji pracy maszyn, ze szczególnym uwzględnieniem pomp.

System Elmodis (rys. 2) to rozwiązanie zapewniające kompleksowe monitorowanie i diagnostykę maszyn przemysłowych ze szczególnym uwzględnieniem pomp. Dzięki swojej elastycznej architekturze jest nie tylko skalowalny, ale również w pełni adaptowalny – możliwy do wdrożenia na dowolnej liczbie pomp z możliwością współpracy zarówno z bezpośrednim zasilaniem, jak i falownikowym. Będąc kompletnym rozwiązaniem obejmuje zakres pomiarów, gdzie dedykowany sprzęt wykonuje pomiary (od elektrycznych, przez procesowe aż do drgań), przetwarza zintegrowane dane (Edge Computing), przesyła do chmury obliczeniowej, gdzie są one ostatecznie przetwarzane i udostępniane użytkownikom w postaci podglądu on-line oraz raportów. Dzięki unikalnej metodzie analizy parametrów elektrycznych oraz zaawansowanej korelacji z parametrami procesowymi (z wykorzystaniem metod uczenia maszynowego) możliwe jest zarówno wykrywanie nieprawidłowości w pracy maszyny przemysłowej (anomalie techniczne i procesowe), ale również – a może przede wszystkim – wielokryterialna optymalizacja monitorowanych obiektów. Dane przetwarzane w chmurze w oparciu o algorytmy uczenia maszynowego, AI oraz tworzone wirtualne modele maszyn (procesowe czy zużyciowe) i dedykowane dla różnych typów pomp tworzą tzw. bliźniaki cyfrowe (ang. digital twin). Algorytmy uczące sprawiają, że każdy nowy zbiór danych jest wykorzystywany do udoskonalania modelu, co przekłada się na skuteczniejsze przewidywanie (wyprzedzanie ewentualnych awarii) i analizę bieżącego stanu, optymalizację systemów i procesów.

Uruchomienie procesu uczenia się

Tworzone modele pozwalają na uruchomienie procesu uczenia i wykrywanie anomalii w pracy pomp oraz wykorzystanie wyliczanych parametrów w celu poprawy warunków pracy (optymalizacji). Przykładem może być wykrywanie i przeciwdziałanie procesom kawitacji (rys. 3) lub wyjścia z obszarów optymalnych parametrów procesowych (co skutkuje zwiększonym zużyciem energii i podwyższeniem kosztu jednostkowego na przepompowanie 1 m3 wody).

Istotną funkcjonalnością systemu Elmodis w części przetwarzania brzegowego jest możliwość lokalnej komunikacji z systemem sterowania/falownikiem. Pozwala to na szybkie, w czasie rzeczywistym, reagowanie na wykrywane zdarzenia eksploatacyjne: wykryta kawitacja, suchobieg czy tzw. „soft clogging”, z których każde może doprowadzić finalnie do trwałego uszkodzenia pompy lub znaczącej degradacji stanu technicznego.

W zakresie implementacji systemu Elmodis oraz tworzenia optymalizacyjnych modeli należy zwrócić uwagę na dwa aspekty:

1. Bliźniaczy model cyfrowy samej pompy nie jest wystarczający do opisu i jego użycia do optymalizacji. Wymagane jest zdigitalizowanie również części rurociągowej, zbiorników i parametrów procesowych. Nie można bowiem traktować pojedynczej pompy w odewaniu od kolektora czy rurociągu na jakim pracuje, czy też innych pomp, z którymi współpracuje w określonych warunkach.

2. Optymalizacja realizowana jest dla kompletnej struktury sieci przesyłowej wraz z parametrami sterowania całej przepompowni. Poniżej typowe podłączenie systemu Elmodis do przepompowni ścieków z trzema pompami (rys. 4).

Funkcjonalności środowiska

W oparciu o realizowane pomiary i integrację z innymi już istniejącymi systemami, System Elmodis wypracowuje szereg parametrów charakteryzujących zarówno proces, jak i stan techniczny pomp, wykrywa odstępstwa od typowych zachowań i wartości, sygnalizując wszystkie krytyczne poprzez centrum powiadomień oraz dedykowane wiadomości z centrum notyfikacji. Równocześnie wszystkie dane dostępne są online poprzez przeglądarkę WEB naportalu użytkownika (rys. 5). Niezależnie od powyższych, system generuje szereg standardowych lub dedykowanych raportów (dziennych, tygodniowych, miesięcznych czy rocznych), które mogą dotyczyć obszarów związanych z odpowiedzialnością różnych użytkowników systemu: raporty predykcyjne i diagnostyczne, raporty efektywności, raporty o stanie procesu, raporty kosztowe. Przykłady zamieszczono na rysunku 6.

***

Proces podejmowania decyzji w przemyśle jest tak efektywny, jak bardzo niezawodne i efektywne są źródła danych, które używamy. Systemy przepompowni to obiekty o dużej złożoności i rzetelna analiza oraz możliwość diagnostyki czy optymalizacji wymaga implementacji modeli cyfrowych tych obiektów.

System Elmodis w tym kontekście stanowi łatwe do użycia i przejrzyste narzędzie wsparcia decyzyjnego, poprzez wykorzystanie do zaawansowanych obliczeń wiedzy eksperckiej, metod modelowania cyfrowego i nowoczesnych rozwiązań sztucznej inteligencji oraz uczenia maszynowego, pracujących „w tle”.

Daje to użytkownikowi możliwość:

• szczegółowej analizy stanu maszyny przedstawionej w sposób przystępny dla inżyniera,

• wykrywania stanów anormalnych, odstępstw od stanu normalnego, umożliwiającego wczesne wykrywanie problemów i trafione, efektywne działania,

• separację i analizę stanów eksploatacyjnych pomp w różnych trybach pracy, podnoszącą jakość wykonywanych analiz oraz umożliwiającą optymalizację parametrów dla obszarów nieefektywnej pracy.

Wdrożenie rozwiązania Elmodis jako narzędzia do ciągłej kontroli stanu maszyn zapewnia wydłużenie czasu ich życia, minimalizację nieprzewidzianych awarii oraz podniesienie efektywności energetycznej eksploatacyjnej.