Nasze życie toczy się w różnych kierunkach. Każdy zajmuje się czynnościami do których szkolił się czy to samodzielnie, za pomocą kursów, czy w szkołach i na uczelniach. Życie każdego z nas wygląda zatem nieco inaczej. Ale mamy w naszym życiu wiele wspólnych mianowników. Niezależnie czy jesteś kierowcą, lekarzem, sprzedawcą, piekarzem czy automatykiem, każdy z nas ma szereg identycznych potrzeb np: odpoczynku, snu, prokreacji czy jedzenia. Oczywiście to tylko fundamentalne potrzeby i jest ich znacznie więcej – tu polecam zapoznać się z pojęciem piramidy Maslowa.
Jako, że nie jest to portal zajmujący się zdrowiem psychicznym, pozwólcie, że nie będę już ciągnął tej myśli dalej :). W końcu i tak większość osób, które zainteresował tytuł artykułu i która go przeczyta, to osoby ściśle związane z przemysłem i jego różnymi branżami. Jedną z tych branż, mającą ogromny zasięg, a zarazem ściśle powiązaną z jedną z potrzeb podstawowych jest branża spożywcza. Zwykli konsumenci zazwyczaj widzą tylko efekt końcowy przetwórstwa żywności, w postaci gotowych produktów na półce w markecie. W kręgu zainteresowania jest to, na co w danej chwili mamy chęć, jakich składników do dania potrzebujemy no i na końcu jak to wszystko będzie smakować :D. Mnie jako automatyka (i pewnie nie tylko mnie), biorąc produkt z półki zawsze interesuje też, jak została przylepiona ta mała naklejka na jabłko czy banan, jak nalano jogurtu i przyklejono wieczko, kto lub co tak ładnie wszystko spakowało w karton, który stoi na półce. Trzeba wykonać tyle różnych czynności, kilka razy przetransportować produkt, żeby w końcu trafił na „półki”.
Dlatego w tym artykule, razem z firmą Danfoss chciałbym zabrać Cię w krótką podróż po różnych aplikacjach z branży spożywczej. Zobacz jak ich przetwornice częstotliwości wpłynęły na poprawę efektywności energetycznej w zakładach produkcyjnych, co przy obecnej sytuacji energetycznej na świecie i szalejących cenach energii było zdecydowanie dobrą decyzją! Może i Ty w swoim zakładzie zdecydujesz się na modernizację?
Środowisko przetwórstwa – HVAC
Niezależnie od rodzaju produktów spożywczych, głównymi warunkami ich przetwarzania jest utrzymanie właściwych warunków środowiskowych bezpośrednio w otoczeniu prowadzonych procesów. Zakłady przetwórcze obowiązują rygorystyczne normy i zasady zachowania higieny, tak aby wytworzony produkt nie zagrażał spożywającym go ludziom w żadnym przypadku. Linie produkcyjne są wykonane najczęściej ze stali nierdzewnej, często czyszczone przy czym nie ma tu znaczenia czy są to zamknięte rurociągi czy otwarte podajniki (sprawdź pojęcie CIP – clean in place).
Drugi parametr to otaczające powietrze, o które dbają układy HVAC (heating, ventilation, air conditioning). Pozwalają na utrzymanie odpowiedniej temperatury, wilgotności, ciśnień w pomieszczeniach oraz ilości wymian powietrza i jego filtrację. We wszystkich aplikacjach HVAC wspólną cechą jest wykorzystanie przepływu powietrza, które w ruch wprawiają wentylatory w dużej mierze napędzane za pomocą przetwornic częstotliwości. I jest to jak najbardziej właściwe rozwiązanie! Wentylatory bez możliwości regulacji prędkości obrotowej zużywają zadaną ilość energii, często swoją wydajnością przewyższając potrzeby. A pełna wydajność nie jest wymagana przez cały czas. Zastosowanie w tym miejscu przetwornicy częstotliwości i regulacja wydajności pozwala na oszczędności mimo uwzględnienia kosztu samej przetwornicy. Ograniczenie średniej prędkości silnika wentylatora ze 100% do 80% umożliwia oszczędność energii wynoszącą 50%. Zmniejszenie średniej prędkości o około 50% zwiększa oszczędności do 80%. Liczby najlepiej obrazują jak duża jest to oszczędność! A wentylatory w zakładach spożywczych spotkamy nie tylko przy utrzymaniu przepływu powietrza w kanałach czy centralach wentylacyjnych, ale i w różnych urządzeniach. Układ sterowania wentylatorem skraplacza również zapewnia szereg korzyści. Mniejsze zapotrzebowanie na czynnik chłodniczy, redukcja zabrudzeń skraplacza oraz możliwość wprowadzenia zmiennej wartości zadanej gwarantują oszczędność energii.
Specjalnie do takich aplikacji powstały przetwornice Danfoss VLT® HVAC Drive FC 102. Pozwalają na znaczne obniżenie całkowitych kosztów operacyjnych. Jednocześnie te przetwornice mogą zostać zamontowane nawet na zewnątrz w ekstremalnych warunkach klimatycznych w temperaturze otoczenia nawet od -25°C do 50°C lub we wnętrzu np. centrali wentylacyjnej. Nie wymagane są zatem chroniące je szafy sterownicze co nie oznacza, że aby zaprogramować przetwornice trzeba będzie znaleźć się w jej pobliżu. Dzięki panelowi sterującemu LCP z możliwością zdalnego dostępu możemy parametryzować przetwornicę z bezpiecznej odległości i w komfortowych dla nas warunkach pracy. Z systemem sterowania skomunikujemy się przez protokół komunikacyjny, gdzie dla aplikacji HVAC do wyboru nie mogło zabraknąć BACnet/IP, popularnego w systemach zarządzania budynkami – BMS.
Między innymi tego typu przetwornice w swoim zakładzie produkcyjnym zastosowała duńska firma Arla Foods Ingredients zajmująca się produkcją żywności dla dzieci, między innymi sproszkowanej laktozy, pełniącej ważną rolę w początkowym żywieniu niemowląt. Gotowy półprodukt będący składnikiem dla producentów żywności pozwala w ich zakładach wyeliminować konieczność przeprowadzania procesów jego przygotowania zawierającego energochłonne mieszanie i odparowywanie. Już na tym etapie widać oszczędność energii. Tymczasem firma Arla po swojej stronie także zdecydowała się wprowadzić zmiany i wszystkie napędy oparła o przetwornice firmy Danfoss. czym zyskała 5-15% całkowitej oszczędności energii. Przy rocznym zużyciu 120GWh, oszczędności kilku, kilkunasto procentowe mają bardzo duże znaczenie! Dodatkową oszczędność przynoszą jednolite, małe stany magazynowe, gdyż wystarczy kilka sztuk przetwornic o różnej mocy, aby całkowicie zabezpieczyć zakład przed przestojami, gdzie ciągle pracuje ponad 1400 przetwornic. O takich oszczędnościach często się zapomina, a te też mają niemały wpływ.
Sterowanie pompami
Do wspomnianego powyżej procesu uzyskania właściwych warunków środowiskowych, użytkowane są również pompy dostarczające wodę lodową oraz grzewczą, której energia poprzez wymienniki trafia do powietrza. Zastosowania HVAC to wyłącznie czubek góry lodowej wykorzystania pomp w przemyśle spożywczym. Sam produkt jak woda butelkowana, olej, napoje i inne, transportowane są bezpośrednio za pomocą pomp do docelowych opakowań. Z drugiej strony zakłady dostarczające żywność pochodzenia roślinnego, czy zwierzęcego muszą zadbać o ich czystość przez odpowiednie mycie przed zapakowaniem.
Wprawienie cieczy w ruch, niezależnie czy tyczy się to bezpośrednio produktu końcowego, czy procesu jego przygotowania i obróbki, wymaga pomp, które zużywają znaczne ilości energii. A tymczasem obowiązują je te same zasady to wentylatory. Zmniejszenie wydajności ze 100% do 80% umożliwia oszczędność energii wynoszącą 50%. Zmniejszenie średniej prędkości o około 50% zwiększa oszczędności do 80%. Zatem otrzymując pełną kontrolę nad ciśnieniem w rurociągach, zyskujemy też ogromne oszczędności energii. Przy procesach mycia zużywane są też ogromne ilości wody, której uzdatnienie do procesu również wymaga energii. Optymalizacja procesu mycia wszechobecnego w branży przemysłu spożywczego przez chociażby zmianę dysz i ciśnień, zmniejszy ilość zużywanej wody i ponownie przełoży się na oszczędności. Mniejsza ilość zużywanej wody i energii to także troska o środowisko i mimo, że może do ekologa mi daleko, to za takimi działaniami jestem jak najbardziej na „tak” !
W ofercie Danfoss-a znajdziemy dedykowane VLT® AQUA Drive FC 202, które umożliwiają napęd i sterowanie wszystkimi typami pomp. Wbudowany sterownik kaskady pozwala na pracę kaskadową pomp w rozbudowanych aplikacjach o dużej zmienności na zapotrzebowanie czynnika. Taka opcja przyda się również w sytuacji, gdy zależy nam na zwiększeniu bezawaryjności układu. Kaskada dwóch pomp zapewni, że jeśli jedna z nich ulegnie awarii, jej funkcję przejmie druga. Układ zadba również o wyrównanie czasu pracy obu pomp pozwalając na równomierne zużycie i nie dopuszczając do zastania się jednej z pomp. Innym zagrożeniem dla pomp, którym jest praca na sucho (tzw. suchobieg), może zostać bezpośrednio obsłużona przez przetwornicę. Analogiczna sytuacja dotyczy utrzymania stałego ciśnienia, zgodnie z wartością zadaną. Wystarczy podłączyć czujnik np: ciśnienia, aby układ sam kontrolował jego wartość na podstawie setpointu zadanego z panelu lub systemu sterowania. W prostych aplikacjach możemy dzięki temu uniknąć konieczności stosowania sterownika PLC z zaimplementowanym regulatorem, a mimo to sterować przetwornicą także z panelu HMI dzięki komunikacji chociażby Modbus RTU.
Na zastosowanie przetwornic VLT® AQUA Drive FC 202 w przynależącej stacji uzdatniania wody, zdecydowało się kilka lat temu przedsiębiorstwo wodociągowe Affinity Water w Chertsey, Anglia. Poprzednio stosowane rozwiązanie 12-pulsowych przetwornic o mocy 500kW stwarzało problemy przez wyeksploatowanie. Było także dużo mniej wydajne energetycznie. Uwzględniając wymagania niskiej emisji zakłóceń harmonicznych oraz specyficzny typ silników elektrycznych (pozostawiono stare silniki), poszukiwania rozwiązań zawężono do dwóch rozwiązań, spośród których wybrano VLT® AQUA Drive z aktywnymi filtrami wyższych harmonicznych. W zestawieniu z drugim rozważanym rozwiązaniem, przetwornice VLT w 20 letnim okresie eksploatacji pozwolą osiągnąć dodatkowe 300 tyś funtów oszczędności. To tylko różnica między dwoma konkurencyjnymi rozwiązaniami, a oszczędność w porównaniu do oryginalnie stosowanego rozwiązania jest dużo, dużo większa! Oszczędność energii przekłada się też na mniejsze zanieczyszczenie środowiska wywołane jej wyprodukowaniem. Te obliczono na 1776 ton CO2.
Komentarz eksperta:
Nasi rodzimi producenci od lat z powodzeniem stosują obie serie przetwornic częstotliwości. Dostarczają one nie tylko ciepło i chłód w kontrolowany sposób, ale także półprodukty dozowane w optymalnych ilościach, tak aby zapewnić doskonałą jakość żywności przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia surowców i energii. Przetwornice serii Danfoss VLT® HVAC Drive FC 102 i VLT® AQUA Drive FC 202 możemy spotkać zabudowane zarówno w rozdzielniach lub w szafach sterowniczych, ale także jako jednostki o wysokim stopniu ochrony obudowy zainstalowane bezpośrednio na maszynach i na halach produkcyjnych. Dzięki elastyczności silnikowej mogą być stosowane do urządzeń z silnikami dowolnego producenta bez obaw o osiągi i efektywność energetyczną zespołu napędowego. Wspomniana funkcjonalność dotyczy również wysokosprawnych rozwiązań napędowych w postaci silników z magnesami trwałymi i silników reluktancyjnych.
Jacek Janiszewski
koordytanor współpracy z branżą spożywczą Danfoss Drives
Sprężarki inverter-owe
Ściśle związane z branżą spożywczą jest chłodnictwo i ciepłownictwo. Z jednej strony wysokotemperaturowe procesy pozwalają na eliminację wszelkich z bakterii z produktów. Najlepszym przykładem jest proces pasteryzacji, któremu podlegają wyroby pochodzenia roślinnego, mlecznego, browarniczego ale i mięsnego. Procesem wysokotemperaturowym, często stosowanym w przemyśle spożywczym jest też sterylizacja, której również podlegają wszelkiego rodzaju produkty. Sterylizacji jako procesowi mogą także podlegać czyszczone elementy linii produkcyjnych. Po uprzednim ich umyciu metodą CIP można przeprowadzić proces sterylizacji (SIP – sterilization-in-place). Co pozwoli niemal w 100% pozbyć się bakterii. Z tego powodu nierzadko w fabrykach spożywczych spotkamy generatory pary czystej.
Druga strona, czyli chłodnictwo pozwala na utrwalenie i przechowywanie towarów znacznie dłużej niż w normalnych warunkach. Schłodzenie produktów zapobiega psuciu się produktów spowodowanych przez rozwój bakterii, a jednocześnie nie wpływa na walory smakowe czy zapachowe produktów oraz ich wygląd. W zależności od produktu, schłodzenie go do temperatury np +2°C może pozwolić na kilku, kilkunastodniowe przechowywanie produktu przydatnego do spożycia. Zamrożenie i przechowywanie w temperaturze np -15°C, może wydłużyć ten czas nawet do kilku miesięcy.
Dlatego w przemyśle spożywczym procesy technologiczne dotyczące ciepłownictwa i chłodnictwa są niemal wszechobecne. Na etapie produkcji ważne jest uzyskanie odpowiedniej temperatury obróbki, a gotowy produkt trafia najczęściej do chłodni. Transport odbywa się w kontenerach chłodniczych lub w przypadku samochodów ciężarowych, we wnętrzu przystosowanych naczep utrzymujących zadaną temperaturę. Na końcu produkt trafia do sklepowej lodówki gdzie czeka na ostatecznego klienta. Zauważ ile energii po drodze jest zużywanej na samo zachowanie świeżości produktu zanim ten trafi do ostatecznego klienta.
A taki przeciętny Pan Kowalski, gdy idzie do marketu, otwiera lodówką i zastanawia się przez kilka minut, który produkt wybrać, nie ma pojęcia, ile chłodu się ulatnia. Mnie aż ciarki przechodzą! Nie od zimna, tylko na myśl ile energii się marnuje :P. W końcu wytworzenie chłodu jest znacznie droższe niż ciepła. Innymi słowami, dużo taniej jest coś podgrzać o 1°C niż to o ten 1°C ochłodzić.
Układy chłodnicze w większości realizowane są przy użyciu układów sprężarkowych. Podobnie jest z procesami grzewczymi, lecz te można też realizować na inne sposoby. Ponownie docieramy do sytuacji, w której układy pracujące ze stałą, maksymalną wydajnością chłodniczą lub grzewczą są nieoptymalne energetycznie. Układy projektowane są zazwyczaj tak, aby poradzić sobie w najmniej korzystnych warunkach, które nierzadko stanowią niewielki ułamek całkowitego czasu ich pracy. Stąd ponownie potrzeba regulacji wydajności sprężarek przez zmianę ich prędkości obrotowej.
Do takich zastosowań firma Danfoss w swojej ofercie przewidziała przetwornice VLT® Refrigeration Drive FC 103. Już w samym kreatorze konfiguracji podkreślono zastosowanie tych przetwornic przez użycie pojęć z zakresu chłodnictwa. Ułatwi to na pewno instalację urządzeń wtajemniczonym technikom i instalatorom. Jako całość, przystosowane zostały do pracy w temperaturach nawet 50°C. A wszystko zamknięte w obudowie IP66/UL Typ 4X, która pozwala nawet na bezpośrednie, intensywne mycie. Przetwornice już w standardzie posiadają filtry obwodów DC oraz EMC, kompensujące zakłócenia elektromagnetyczne. Współpracują także w rozwiązaniach pracy kaskadowej, gdzie jedna ze sprężarek sterowana jest przetwornicą, która w razie potrzeby dołączy inne sprężarki. Przekłada się to na pracę układu z optymalną wydajnością oraz zapewnioną przez przetwornicę efektywnością energetyczną.
Na optymalizację pracy sprężarek zdecydowała się firma Unilever z Rotterdamu będąca jedną z największych fabryk margaryny na świecie. Procesy w niej przeprowadzane są bardzo energochłonne i wymagają znacznych ilości ciepła (pod postacią pary i gorącej wody), chłodu (magazynowanie) oraz sprężonego powietrza. W energię zakład zasila kotłownia dostarczając ciepło, chłód i parę technologiczną. Zauważono, że 25% redukcję CO2 można uzyskać dzięki samej optymalizacji kotłowni. Cel zwiększenia efektywności energetycznej i zmniejszenia emisyjności został osiągnięty właśnie dzięki przetwornicom VLT i sterowania kaskadowego pracy sprężarek. Nawet energia odpadowa sprężarek chłodniczych została wykorzystana przez pompy ciepła zasilające obiekty biurowe.
Przenośniki na liniach produkcyjnych
Zmierzając w kierunku przeprowadzenia samych procesów na liniach produkcyjnych, nieodzownym elementem każdej z nich są przenośniki transportowe. Niezależnie czy są one w pełni sterowanie przez układy automatyki, czy współpracują z pracownikami na linii, ich bezawaryjna praca jest niesamowicie ważna. Usterka przenośnika może doprowadzić do zatrzymania całego zakładu. Z drugiej strony ich konfiguracja nie może być obarczona dużym kosztem posiadania. Branża spożywcza obarczona jest też wymogami higienicznymi, które są znacznie większe w przypadku przenośników do transportu produktów szczególnie wrażliwych jak butelkowana woda, piwo czy materiały opakowaniowe innych produktów.
Do aplikacji przekaźników transportowych przystosowany został system VLT® FlexConcept® składający się z przetwornic VLT® AutomationDrive FC 302 oraz przekładni VLT® OneGearDrive®. Rozwiązanie posiada certyfikat IPA nadany przez Instytut Fraunhofera, poświadczający możliwość stosowania w pomieszczeniach czystych i aseptycznych zakładach produkcyjnych. System pokrywa zapotrzebowanie większości aplikacji przy wykorzystaniu minimalnej ilości wariantów. Przekłada się to na konieczność niewielkich stanów magazynowych części zamiennych. Wchodząca w skład systemu przetwornica zawiera oczywiście funkcjonalności zarządzania energią znane ze wszystkich produktów Danfoss-a.
-
- VLT® OneGearDrive®
-
- VLT® AutomationDrive FC 301/FC 302
Ciekawym aspektem jest możliwość wykorzystania przetwornicy VLT® Decentral Drive FCD 302. Jest to przetwornica, której konstrukcja (w znaczeniu wyglądu fizycznego) jest minimalnie inna od popularnie nam znanej za sprawą dużego, frontowego radiatora. Taka konfiguracja sprzyja montażowi bezpośrednio na maszynie, w pobliżu samego silnika z przekładnią tworząc system zdecentralizowany, bez konieczności instalacji szaf sterowniczych.
Niemiecka grupa Bitburger zajmująca się browarnictwem postanowiła skorzystać z oferty Danfoss-a. Zainwestowali ogromne pieniądze, bo około 15 milionów euro, w modernizację już leciwej, 20-letniej linii do butelkowania. To co charakterystyczne dla takich linii to ogromne zużycie wody. Podjęto decyzję o zastosowaniu rozwiązania VLT® FlexConcept®. Rezultat najlepiej zobrazują liczby:
- 40% mniejsze zużycie wody,
- 40% mniejsze zużycie środków czyszczących,
- 27% mniejsze zużycie ciepła
- 42% mniejsza emicja CO2
- 100% zadowolenie firmy 🙂
Pozycjonowanie i synchronizacja za pomocą przetwornic?
Przetwornice częstotliwości stosowane są nie tylko w obrębie przenośników, pomp, wentylatorów czy sprężarek. Mogą być stosowane także w miejscach, które wydawać by się mogło, są zarezerwowane dla serwomechanizmów. W końcu przy produkcji żywności i nie tylko, wykorzystywane maszyny często wymagają synchronicznego ruchu wielu jej elementów czy precyzyjnego pozycjonowania, aby spełnić wymagania procesu. Wyobraź sobie proces zaklejania kubków z jogurtem wieczkami. Jest to wykonywane w ciągłym ruchu, gdzie stała zsynchronizowana prędkość i pozycja ma kluczowe znaczenie. Niewielka odchyłka spowoduje prawdopodobnie zniszczenie prawie gotowego produktu, gdyż raczej nie wróci on już w ponowny obieg.
W wielu aplikacjach dynamika jaką zapewniają serwomechanizmy, nie jest wymagana. Okazuje się, że nawet sprzężenie zwrotne z enkodera w pewnych sytuacjach można pominąć. Czemu by zatem nie zastąpić serwomechanizmów przetwornicami częstotliwości? Okazuje się, że jest to możliwe przy wykorzystaniu np. funkcji sterownika ruchu Danfoss Drives (IMC). Nie mamy tu do czynienia z żadnymi dodatkowymi modułami sprzętowymi, dzięki czemu koszty nie rosną, a system pozostaje uproszczony. Nadal sterujemy konwencjonalnymi silnikami w układzie otwartym lub zamkniętym z enkoderem jeśli jednak jest to wymagane. Funkcje sterowników ruchu dostępne są w przetwornicy z serii VLT® AutomationDrive FC 302.
O wykorzystaniu tego rozwiązania zadecydowała najbardziej zaawansowana rzeźnia na świecie Danish Crown w Horsens w Danii. Przetwarzają ponad 20 tyś tusz wieprzowych dziennie, przez co od stosowanych rozwiązań wymagają wysokiej wydajności i bezawaryjności. Na całym zakładzie użytkują około 1000 napędów VLT®, zarówno w prostych jak i zaawansowanych zadaniach. Natomiast z jednej aplikacji są szczególnie zadowoleni. Jedna z maszyn w procesie przetwórczym odpowiadająca za ekstrację organów, ze względu na trudne warunki pracy, ulegała częstym awariom. W ciągu roku było to nawet 37 wymian silników elektrycznych pracujących w pętli sprzężenia zwrotnego. System sterujący ekstraktora został zmodyfikowany z wykorzystaniem VLT® AutomationDrive FC 302 i funkcji sterownika ruchu IMC. Co ważne, w odróżnieniu od pierwotnego rozwiązania, działa ona w otwartej pętli, bez enkodera. Awarie ustały, a firma oszczędza 30tyś euro rocznie na samych wymianach silników, nie wspominając o kosztach przestojów produkcyjnych na ten czas.
Jacek Janiszewski
koordytanor współpracy z branżą spożywczą Danfoss Drives
Podsumowanie
Efektywność energetyczna była od zawsze priorytetem przy procesach produkcyjnych. Jest ona jednym z głównych czynników wpływających na cenę ostatecznego produktu. Jej znaczenie szczególnie urosło w dobie cen energii, które napotkaliśmy w 2022 roku. Optymalizacja kosztów pozwala z jednej strony na większe zyski, a z drugiej na obniżenie ceny produktu tak, aby stała się bardziej konkurencyjna na rynku. Jak widzisz to ona jest głównym motywatorem Danfoss-a, przy opracowywaniu nowych generacji i wariantów przetwornic. W tym artykule poruszona została kwestia wykorzystania przetwornic częstotliwości w przemyśle spożywczym, lecz jest to tylko niewielka część obszaru ich wykorzystania. Ciekawostką jest wykorzystanie przetwornic z funkcją sterownika ruchu zapewniających precyzyjne pozycjonowanie i możliwość synchronizacji wielu napędów. A na koniec, tak na marginesie, miałem przyjemność pracy z przetwornicami VLT w aplikacjach wentylatorowych i akurat na tle konkurencyjnych rozwiązań na rynku, miło je wspominam :).
