Článek popisuje projekt modernizace řídicího systému energetického centra v pivovaru Staropramen se zaměřením na úspory energie a technických médií. Cílem bylo nahradit starý systém, který už neumožňoval další technický rozvoj, a přitom z něj využít co nejvíce dosud funkčních prvků. Dalšími cíli bylo realizovat přenos dat o spotřebě energie do centrálního systému vlastníka pivovaru a umožnit vizualizaci stavu provozu a spotřeby energie prostřednictvím webových prohlížečů.
Jeden z nejvýznamnějších pivovarských koncernů, společnost Molson Coors, která na českém trhu vlastní dva pivovary – pivovar Staropramen a pivovar Ostravar –, se na konci roku 2015 rozhodl modernizovat původní monitorovací a řídicí systém energetického centra v pivovaru Staropramen na základě nejnovějších světových trendů.
Jako dodavatel integrovaného systému pro monitorování a řízení energetického centra pivovaru Staropramen byla v roce 2016 v mezinárodním výběrovém řízení vybrána společnost SIDAT.
Cíle projektu
Primárním cílem projektu byla náhrada systému monitorování spotřeby energií, vytvořeného na bázi produktu Energomat (od firmy Energo Dolní Benešov), a realizace některých úprav na systému řízení strojovny chlazení, které se zavedením nového řešení systému monitorování souvisely. Navzdory své nesporné dlouholeté funkčnosti bylo totiž dosavadní řešení již technicky zastaralé. Z tohoto pohledu byl problematický zejména další rozvoj systému. Překážkou byla např. obtížná integrace moderních měřidel vybavených datovou komunikací či nemožnost implementovat rozhraní na přenos energetických dat do dalších systémů, v tomto případě do korporátního systému eSight (viz dále).
Dalším cílem bylo vytvoření centrálního archivačního serveru energetických a provozních dat, který by sloužil pro periodické zasílání informací do centrálního monitorovacího systému eSight vlastníka pivovaru, společnosti Molson Coors.
Specifickým, avšak provozně velmi důležitým třetím cílem bylo kompletní zobrazování technologických obrazovek, zobrazování historizovaných měřených veličin a tvorba časových a poměrových reportů (ukazatelů KPI) ve webovém prohlížeči, a to jak pro platformu PC, tak pro platformu mobilních zařízení. Výchozí stav zde tvořilo měření přibližně 250 energetických veličin, jejichž měřicí body byly rozmístěny ve dvanácti lokálních sběrných jednotkách propojených běžnou kroucenou telefonní dvojlinkou.
Z provozního pohledu bylo tak nutné celý dosavadní systém na bázi systému Energomat transformovat do nového systému, a to postupně, bez ztráty archivovaných dat a zejména bez ztráty dohledu nad energetickým centrem pivovaru v období před začátkem letní výrobní sezony.
Požadovaná koncepce a navržené řešení
Na koncepci řešení měly podstatný vliv některé požadavky zadavatele řešení, společnosti Molson Coors. Jako hlavní archivační server pro sběr provozních dat byl stanoven real-time server iHistorian společnosti GE, pro výběr ostatních komponent řešení byly z důvodu kompatibility se stávajícími řídicími a vizualizačními systémy, které již v pivovaru existují, doporučeny produkty ze sortimentu automatizačních prvků společnosti Siemens. Na rozdíl od dosavadního propojení komunikační linkou RS-485 byla jako komunikační sběrnice propojující jednotlivé sběrné uzly požadována síť na platformě Ethernet.
Koncepce řešení byla stanovena s přihlédnutím k těmto specifickým požadavkům a pro jednotlivé části byla navržena v souladu s aktuálními technickými a optimalizačními možnostmi. Celková koncepce řešení je na obr. 1.
Sběr dat z výrobního procesu
Jednotlivé měřicí přístroje (elektroměry, průtokoměry apod.) jsou připojeny buď digitálním pulzním signálem, nebo komunikačním protokolem na bázi sítě Ethernet. Měřicí přístroje, které mají jako výstup pouze impulzy indikující spotřebované množství (elektrická energie, voda, pára, CO2 atd.), jsou připojeny do malých programovatelných automatů S7-1200, jež jsou umístěny v samostatných rozváděčích. Součástí rozváděče je také ethernetový switch, který dovoluje připojit další měřidla, jež mají přímý výstup komunikačním protokolem. Z důvodu sjednocení se používá protokol Modbus TCP.
Ve vlastním PLC Simatic S7-1200 je nainstalováno standardizované programové vybavení, které umožňuje převádět pulzní signály na aktuální a kumulovanou hodnotu a dále archivuje poslední naměřené hodnoty pro eliminaci případného výpadku komunikační sítě.
Současně tato nová PLC také nahradila původní vstupně-výstupní moduly systému Energomat. Byla tak zachována kompletní kompatibilita nového systému řízení a monitorování energií s výrobními řídicími systémy.
Sběrná PLC jsou připojena na nově dobudované rozšíření stávající průmyslové komunikační sítě Ethernet. Tato komunikační síť propojuje řídicí systémy jednotlivých technologických celků pivovaru a nyní je určena nejen pro sběr energetických a provozních hodnot, ale také pro přenos informací o množství vyráběného piva v hektolitrech nebo popř. údajů, které jsou důležité pro výpočet energetických ukazatelů a ukazatelů KPI.
Operátorská úroveň a archivace dat
Vzhledem ke kumulované funkci systému bylo nutné do systému zařadit část, která bude operátorům zobrazovat stav výroby v reálném čase a umožní realizovat funkce klasických systémů HMI/SCADA. Při analýze současných produktů a jejich možností se ukázalo, že těmto požadavkům nejlépe vyhoví standardní produkt společnosti Siemens WinCC realizovaný v několikaobrazovkové konfiguraci klient-server. Tento systém je v pivovaru používán i v jiných technologických úsecích. Na platformě tohoto produktu byly vytvořeny operátorské obrazovky pro monitorování a řízení provozu energetiky. Současně byla tato úroveň rozšířena i o obrazovky umožňující řízení čtvrthodinového maxima. Pro vlastní řízení výroby jsou použity standardní tzv. tlusté klienty. Vzhledem k požadavku na možnost sledovat data na ostatních zařízeních prostřednictvím webového portálu byla tato instalace WinCC rozšířena o modul WinCC WebUX (obr. 3), který umožňuje sledovat operátorské obrazovky prostřednictvím webového portálu. V této aplikaci byly vytvořeny zjednodušené verze obrazovek s využitím jako webový online monitor provozu technologických částí pivovaru.
Současně s provozem systému WinCC a jeho webových částí se veškerá provozní energetická data archivují v systému iHistorian společnosti GE. Tento server je na dálku přístupný vlastníku pivovaru, přičemž hodnoty jednotlivých archivovaných spotřeb energií jsou z této historizační databáze periodicky přenášeny do centrálního monitorovacího energetického systému eSight. V prostředí produktu eSight je následně umožněno uživatelům sledovat energetické bilance výroby v globálním pohledu.
Serverová infrastruktura
Pro serverovou infrastrukturu bylo použito řešení, které společnost SIDAT úspěšně implementuje již několik let. Jde o řešení, ve kterém na jednom centralizovaném serveru v prostředí virtuálních počítačů VM Ware běží všechny systémy, tedy jak server, tak i klienty systému WinCC a historizační server iHistorian GE. Toto řešení redukuje počet běžných PC, která je třeba udržovat. Je sice spojeno s vyšší vstupní investicí, z dlouhodobého hlediska však snižuje náklady na provoz a údržbu. Vizualizační stanice, pro něž jsou použity jednoduché terminály, na kterých není instalováno žádné speciální softwarové vybavení, se následně připojují k jednotlivým virtuálním počítačům prostřednictvím vzdálené plochy.
Integrovaný webový portál SIDAS IEM
Přestože produkt eSight nabízí uživatelům značné množství funkcí pro práci s hodnotami energetických veličin, bylo třeba celé řešení rozšířit o aplikaci, která by prostřednictvím webového portálu uživateli umožňovala operativní práci s hodnotami energetických a provozních veličin, a to zejména webové online zobrazování a uživatelskou tvorbu reportů. Po důkladné analýze byl pro realizaci této úlohy zvolen vlastní produkt společnosti SIDAT s názvem SIDAS IEM. S využitím funkcí tohoto osvědčeného produktu byl pro tento projekt SIDAS IEM zkonfigurován tak, aby jako zdrojovou databázi využíval instalovanou historizační databázi GE iHistorian. Proto uživatel může prohlížet historická data uložená v databázi GE iHistorian prostřednictvím webového prohlížeče.
Produkt SIDAS IEM dále uživateli nabídl možnost rozčlenit energetická měření do jednotlivých skupin podle technologických celků. Díky tomuto členění je poté možné vytvářet jednotlivé kumulované kalkulované veličiny, kterými je možné hodnotit spotřeby jednotlivých technologických celků. Tyto kumulované kalkulované veličiny lze zobrazovat formou online zobrazení nebo z nich, obdobně jako je tomu u měřených veličin, vytvářet sestavy – tzv. reporty (obr. 4).
Reporty v principu představují nejdůležitější část celého řešení. Běžně je možné vytvářet reporty, které obsahují měřené základní energetické veličiny, souhrnné veličiny podle technologických celků nebo specifické kalkulované veličiny zobrazené v čase, tj. v denním, týdenním či měsíčním snímku s grafickým a tabulkovým výstupem. Součástí řešení SIDAS IEM je také možnost generovat reporty s poměrovými ukazateli, kdy reporty zobrazují energetické veličiny přepočtené na jednotky produkce jednotlivých technologických center.
Realizace projektu
Projekt byl realizován v období několika měsíců. Postupně byly připojovány jednotlivé moduly původního systému Energomat na nová PLC S7-1200 a paralelně oživovány nové operátorské obrazovky v systému WinCC nebo WinCC WebUX. Současně byly stanovovány energetické veličiny v systémech GE iHistorian, SIDAS IEM a eSight. Díky spoluúčasti pracovníků pivovaru Staropramen se i přes značný rozsah projektu podařilo celý systém postupně oživit a uvést do plného provozu v první polovině roku 2016. Nyní se celý realizační tým soustřeďuje na připojování dalších energetických a provozních veličin a také na automatizované získávání veličin využívaných pro výpočty poměrových ukazatelů (KPI) z většiny technologických celků.
Hlavní poznatky, které vyplynuly z realizace projektu
Celková náročnost projektu byla v rozsahu přibližně jednoho tisíce člověkohodin. Během realizace se potvrdilo, že základem úspěšného vyřešení projektu v takovémto rozsahu je zejména důsledná příprava realizačních podkladů. Dodavatel projektu se v tomto případě v první řadě soustředil na podrobnou inventuru jednotlivých měřicích bodů a související infrastruktury, v rámci níž byl původní systém sběru dat provozován. Neméně důležité bylo i vyhodnocení toho, co z dosavadního řešení bude možné využít a které části budou muset být nahrazeny. Oba tyto kroky vyžadovaly také značnou součinnost pracovníků uživatele, neboť původní instalace procházela mnohaletým vývojem a dostupnou dokumentaci bylo v mnoha případech nutné doplnit i historickými souvislostmi, které na papíře ani jinou formou podchyceny nebyly.
Radim Novotný, Miroslav Dub, Sidat
Obr. 1. Koncepce řešení
Obr. 2. Velín chlazení v pivovaru Staropramen
Obr. 3. Systém pro webovou vizualizaci WinCC WebUX
Obr. 4. Reporty ze Staropramenu
Ekonomické úspory i ochrana životního prostředí
Značné investice do modernizace provozů, které mají za cíl ekonomické úspory i zajištění splnění nejvyšších standardů ohleduplnosti k okolnímu prostředí – to jsou jedny z priorit společnosti Pivovary Staropramen. Výsledkem těchto snah je dlouhodobé snižování spotřeby energií, vody a emisí CO2. Za posledních osm let česká pivovarnická dvojka do provozu pivovarů Staropramen a Ostravar investovala přes jednu miliardu korun.
Pivovary skupiny Molson Coors se zavázaly do roku 2020 výrazně snížit spotřebu energií a vody. „Už nyní dosahujeme výsledků, které jsou v rámci skupiny nejlepší, a podle dostupných informací se na špici držíme i ve světovém měřítku, nicméně si dobře uvědomujeme, že je zde stále prostor pro zlepšení,“ říká Zdeněk Lux, vrchní sládek pivovaru Staropramen, kde už mnoho let funguje tzv. ekologický modernizační program. Ten stojí na čtyřech základech – snižování spotřeby energie, snižování hlučnosti provozů, redukce prašnosti a omezení rizika havárií a úrazů na pracovišti. V jeho rámci byly např. v roce 2010 vyměněny chladicí věžě pivovaru Staropramen, což vedlo k poklesu hluku způsobovaného provozem pivovaru. Velký důraz společnost Pivovary Staropramen věnuje i dlouhodobé snaze o snižování spotřeby vody, která je pro pivovar klíčová. A tento úkol se daří plnit. Společnosti se v rámci pivovaru Staropramen za posledních pět let podařilo snížit spotřebu vody ze 4,9 na 3,5 hl na 1 hl uvařeného piva. Tím se Pivovary Staropramen řadí mezi domácí špičku.
(Molson Coors)
Rozhovor s Martinem Havlem, manažerem technických služeb, a Petrem Fedorem, procesním inženýrem energetiky pivovaru Staropramen
Mohli byste prosím stručně představit váš pivovar?
Pivovar Staropramen je spolu s pivovarem Ostravar součástí firmy Molson Coors. Pivovar byl založen 23. října 1869 a v současné době vaříme kromě piv značek Staropramen a Braník v licenci také piva značek Asahi a Stella Artois. Kapacita ročního výstavu je tři miliony hektolitrů.
Proč jste nebyli spokojeni se starým systémem řízení energetiky?
Nemůžu říci, že bychom s ním nebyli spokojeni. Systém Energomat od firmy Energo Dolní Benešov u nás sloužil od roku 1991 k naší plné spokojenosti.
Jaký tedy byl důvod pro jeho náhradu novým systémem?
Společnost Molson Coors velmi dbá na snižování negativního vlivu výroby na životní prostředí. Po začlenění do Molson Coors jsme potřebovali náš řídicí systém napojit na manažerský informační systém celého koncernu, aby bylo možné sledovat efektivitu našeho pivovaru, porovnávat ji s ostatními závody a hodnotit její vývoj v čase, a současně jsme chtěli vytvořit rozhraní, které by informovalo pracovníky přímo v provozu, jak efektivně vyrábějí. Ukázalo se, že splnění těchto požadavků by bylo se systémem Energomat obtížné.
Pro Molson Coors bylo důležité, aby byl nový systém kompatibilní s databází iHistorian od GE, kterou koncern používá jako základ informačního systému ve všech pivovarech, které vlastní.
To znamená, že jako databázi používáte iHistorian, a jak je v článku popsáno, k ní přistupují uživatelé prostřednictvím rozhraní eSight. K čemu je tedy vlastně třeba Sidas IEM?
Sidas je nástroj pro technické řízení provozu energetiky. Aplikace eSight zobrazuje ekonomické a provozní informace, zatímco Sidas sbírá, zobrazuje a zpracovává hodnoty teplot, tlaků, průtoků, aktuální spotřeby, doby provozu kompresorů, čtvrthodinových maxim atd. Zpočátku jsme si kladli podobnou otázku, ale zjistili jsme, že bez nástroje jako Sidas se neobejdeme, eSight pro technické řízení provozu použít nelze.
To znamená, že Sidas IEM je určen pro operátory energetiky, zatímco eSight pro pracovníky výroby a také jejich manažery?
Ano, to je přesné. Naším cílem nebylo zavést eSight, abychom splnili požadavky koncernu, ale abychom využili lokální možnosti snižování spotřeby energie a médií. Aplikaci eSight používají především operátoři výrobních linek jednotlivých provozů. Ti mají, nebo budou mít, po dokončení celého projektu modernizace díky eSight aktuální přehled o tom, kolik produktu vyrobili a kolik při tom spotřebovali energie, tlakového vzduchu, vody, oxidu uhličitého atd. Operátor linky nepotřebuje znát tak detailní technické informace jako operátor energetiky, který používá Sidas, ale potřebuje si dát do souvislostí typ a množství vyráběného produktu se spotřebou energie a médií.
Aplikace eSight má i výstupy pro manažery, ale pro nás je cenné zvláště to, že je to nástroj pro operátory v provozu. Když po nich požadujeme, aby se zajímali nejen o to, zda jejich linka pracuje, ale také o to, jak efektivně pracuje, musíme jim dát potřebné informace, ale přitom je nesmíme přetěžovat podrobnostmi, které možná stejně nedokážou ani sledovat, ani ovlivnit. Proto v současné době sledujeme spotřebu pro jednotlivé produkty a receptury a podle nich vytváříme pásma optimální spotřeby. Operátor potom vidí, zda se pohybuje v doporučených limitech, a jestliže ne, může začít situaci řešit.
Je tedy operátor nějak hmotně zainteresovaný na tom, aby nejen plnil plán výroby, ale také nepřekračoval doporučenou spotřebu?
Dříve to nebylo možné, protože ruční sledování spotřeby a následné vyhodnocování neumožňovalo operátorům získat včas potřebné informace. Nyní systém zavádíme, to znamená, že teprve stanovujeme cílové limity spotřeby a učíme operátory, jak se systémem zacházet, jak zkontrolovat, zda jsou v něm zadané správné výchozí údaje atd. Jestliže spotřeba převyšuje stanovenou hodnotu, operátora nepostihujeme, ale diskutujeme o možných příčinách, aby se situace vyřešila. Ne všechno mohou ovlivnit provozní pracovníci: velký vliv má také konkrétní receptura, typ balení a různé vlivy okolí. Postupně tedy sbíráme data a celý systém zdokonalujeme. Systém byl spuštěn na konci loňského roku, ale s firmou Sidat jsme se dohodli o pokračování prací ještě v následujících třech letech: do systému potřebujeme doplnit ještě další měřicí body, abychom mohli správně hodnotit efektivitu jednotlivých linek.
Co konkrétně ještě chybí?
Dokážeme dobře měřit spotřebu elektřiny, vody, CO2, ale například neměříme ještě spotřebu tlakového vzduchu. Umíme sice změřit výkon kompresorů, ale neumíme změřit spotřebu jednotlivých linek a jejich zařízení. Bez doplnění dalšího měření není možné vyhodnotit efektivitu spotřeby výrobních linek a bez toho nemůžeme diskutovat s příslušnými operátory o tom, zda je třeba například lépe dodržovat technologické postupy, nebo bránit únikům vzduchu lepší údržbou.
Dále probíhá instalace měření tepla pro všechny podstatné spotřebiče.
V třetí etapě potom k oddělenému měření spotřeby celých linek a celků (sklady, kancelářské budovy, restaurace, návštěvnické centrum, muzeum apod.) doplníme i měření spotřeby rozhodujících strojů s největší spotřebou: myček, tunelových pastérů apod.
Proč jste se rozhodli právě pro Sidat?
Sidat vyhrál naše výběrové řízení. Našimi kritérii byly kromě splnění technických podmínek zadání také perspektiva dlouhodobé spolupráce, garance servisu a technické podpory, záruka bezpečného zálohování dat a výhodná cena. Při finálním rozhodování potom hrály svou roli také dobré zkušenosti z předchozích projektů.
To znamená, že pořizovací cena není na prvním místě?
Na prvním místě jsou technické parametry a záruka, aby realizace projektu proběhla včas a bez problémů. Cena je také důležitá – modernizace může pokračovat jen tak rychle, jak nám to rozpočet dovolí. Důležitější je ale návratnost vynaložených prostředků.
Na základě nezávislé studie jsme v mezinárodním měřítku z hlediska efektivity mezi pivovary v první desítce: spotřeba vody je 3,5 hl, spotřeba elektřiny je 6,15 kW a tepla 49 MJ na hektolitr prodaného piva, ale naše cíle jsou ještě ambicióznější.
Z hlediska spotřeby je negativním faktorem šíře sortimentu a omezené velikosti výrobních šarží, protože přechody mezi jednotlivými druhy piva jsou energeticky náročné a vlastně neproduktivní. Jenže zákazníci pestrý sortiment požadují. Proto je pro nás systém měření spotřeby tak důležitý: pomáhá nám optimalizovat spotřebu energie a médií i při častých změnách výroby.
Od nového systému si dále slibujeme, že nám pomůže při hledání i malých možností úspor. Často jde o jednoduché a levné úpravy. Dříve jsme si mohli myslet, že nám mohou přinést úsporu několika procent, ale skutečnou velikost úspor jsme neuměli ověřit. Nyní můžeme zjistit skutečnou úsporu na pilotním projektu například na jednom stroji nebo lince, a když změříme, že to opravdu stojí za pozornost, můžeme změnu realizovat v rámci celého podniku. Bez podrobného měření bychom možnosti těchto drobných úspor často ani neuměli najít, natož ověřit jejich návratnost.
Můžete na závěr shrnout hlavní cíle celého projektu modernizace řízení energetiky?
Hlavním cílem pro nás je to, abychom dokázali všechny zaměstnance zapojit do našeho programu snižování spotřeby energie a médií. Chceme, abychom na případné problémy dokázali reagovat co nejdříve a odstraňovat jejich příčiny. Kontinuální měření parametrů médií, například čistoty CO2, také pomáhá udržovat vysokou kvalitu výroby. Nový systém nám zaprvé umožňuje snižovat náklady na energie a média a zadruhé nám pomáhá chovat se společensky odpovědně a ohleduplně k životnímu prostředí.
Děkuji Vám za rozhovor.
(Rozhovor vedl Petr Bartošík.)