Borislav Jefteni}, Mi lan Bebi}, Leposava Risti}

Elektrotehni~ki fakultet, Univerziteta u Beogradu, Beograd

Optimizacija potro{we energijekarton i papir ma{ine

Stru~ni radUDC: 676.012/.013BIBLID: 0350-218X, 29 (2003), 1-4, 39–48

Uvo|ewe novog koncepta elektromotornog pogona za karton ipapir ma{ine doprinosi smawewu potro{ene energije u ovomkarakteristi~nom pogonu za sve papir i karton ma{ine. Pogonpumpe for mer partije mo`e se na}i i u papir i karton ma{inamamaweg kapaciteta, kao i u ma{inama sa velikim kapacitetima kao {to je Fabrika kartona „Umka” na Umci, kod Beograda. Prikazanisu obra|eni rezultati merewa, kao i zakqu~ci izvedenih analiza,sprovedenih na osnovu dobijenih rezultata su .

Kqu~ne re~i: aktivna snaga, reaktivna snaga, faktor snage, efi-kasnost, rekonstrukcija, modernizacija

Uvod

Merewa potro{we elektri~ne energije na pogonu pumpe for mer partije

imaju za ciq da poka`u pravu sliku o potro{wi elektri~ne energije u ovom

karakteristi~nom pogonu za sve papir i karton ma{ine i da potvrde da uvo|ewe

novog koncepta elektromotornog pogona doprinosi smawewu potro{we energije [1].

Za dobijawe prave slike o potro{wi energije, potrebno je izvr{iti merewe snage i

struje u zavisnosti od brzine pogona, u du`em vremenskom periodu. Jedino na ovaj

na~in, odnosno tuma~ewem rezultata merewa, kao i obradom snimqenih podataka,

dobija se egzaktna slika o potro{wi elektri~ne energije. Dobijene rezultate

merewa potrebno je uporediti sa rezultatima merewa obavqenim pre izrade pi lot-

-postrojewa, pod sli~nim uslovima u proizvodnom procesu (iste gramature, brzine, i

dr. prikazani su). Prikazani su rezultati merewa, kao i zakqu~ci izvedeni na osnovu

dobijenih rezultata u radu.

Pi lot postrojewe pogona pumpe for mer partije realizovano je sa regulaci-

jom brzine, jer se jedino tako mo`e ta~no dozirati koli~ina sme{e na for mer situ. U

39

postoje}em re{ewu, regulisani pogon je realizovan sa jednosmernim motorom i

tiristorskim ispravqa~em. Novim konceptom elektromotornih pogona za papir i

karton mai{ne, predvi|eno je, a u pi lot-postrojewu i realizovano, da regulisani

pogon bude realizovan sa standardnim, kaveznim asinhronim motorom napajanim iz

frekventnog pretvara~a [2].

Opis merne opreme

Potreba za merewem u du`em vremenskom periodu uslovila je da postupak

merewa bude u potpunosti automatizovan. Podaci dobijeni kao rezultat merewa

morali su da budu trajno sa~uvani, ~ak i u uslovima prekinutog napajawa. Velika

koli~ina podataka proistekla je iz potrebe da se rezultati merewa bele`e sa

dovoqno malim vremenskim korakom. Nastavak merewa morao je biti obezbe|en i u

slu~aju kvara, nestanka napajawa, ili tehnolo{kog zastoja karton ma{ine, bez

intervencije ~oveka, i to ~im se steknu uslovi, odnosno obezbedi napajawe sistema za

merewe i akviziciju podataka.

U ciqu zadovoqewa postavqenih uslova, razvijen je specifi~an merno-

-akvizicioni sistem, sposoban da vr{i automatizovana merewa i akviziciju podata-

ka od interesa u dugom vremenskom periodu.

Sistem (sl. 1) se sastoji od:

‡ mernog dava~a efektivne vrednosti struje na osnovu merewa faznih struja

(MR1),

‡ mernog dava~a aktivne snage na osnovu merewa faznih struja i faznih na-

pona (MR2),

‡ kartica za prilago|ewe strujnih odnosno naponskih signala (I1, I2, I3),

‡ akvizicione kartice za portabl ra~unar, sa multipleksiranim A/D kon-

vertorom sa dvanaestobitnom rezolucijom (ADDA-12),

‡ portabl personalnog ra~unara pogodnog za industrijske uslove (PC-III), i

‡ specijalno razvijenog programa (softvera) za merewe, akviziciju podata-

ka, kao i pra}ewe toka merewa, radi kontrole sistema.

Blok dijagram opisanog sistema, primewenog na merewu potro{we elek-

tri~ne energije pumpe for mer partije, prikazan je na sl. 1.

Sa merno akvizicionim sistemom potrebno je meriti ili potro{wu elek-

tri~ne energije u zavisnosti od tehnolo{kih parametara, u du`em vremenskom

periodu. Kao karakteristi~ni parametri koji se mogu direktno meriti izdvojeni su:

(1) aktivna snaga pogona,

(2) efektivna struja pogona, i

(3) brzina pogona.

Broj parametara koji se mogu direktno meriti, detaqno razmotren. Veliki

broj merenih parametara zahtevao bi srazmerno ve}i prostor potreban za skla-

di{tewe podataka, kao i ve}i broj mernih pretvara~a i kartica za prilago|ewe

signala. Sama akviziciona kartica sposobna je da pomo}u multi- pleksera izvr{i

merewe na 16 kanala, {to nije predstavqalo ograni~ewe. Zbog optimizacije pro-

stora za skladi{tewe podataka, odlu~eno je da se trajno ~uvaju navedene veli~ine.

Vremenski pe riod izme|u odbiraka merenih veli~ina pa`qivo je razmat-

ran. Kako je tehnolo{ki proces relativno dugotrajan, odlu~eno je da se merewa vr{e

40

sa periodom odabirawa od pribli`no 1 sekund. Kra}i vremenski pe riod bi zna~ajno

uticao na pove}awe prostora za sme{tawe podataka, a bio bi bez ve}eg efekta na

verodostojnost merewa, pogotovo u du`em vremenskom periodu.

Softver je pisan u programskom jeziku C. Koliko je to bilo mogu}e, pro gram

je pisan kori{}ewem standardnih funkcija jezika C, da bi preno{ewe sa platforme

personalnih ra~unara na neku drugu platformu (UNIX, Win dows NT, RtOS) bilo {to

jednostavnije. Pode{avawem operativnog sistema, ostvareno je da se odmah nakon

ukqu~ewa ra~unara, ili wegovog reseta, startuje pro gram za merewe i akviziciju.

Pro gram se sastoji od nekoliko celina:

• inicijalizacija,

• u~itavawe parametara za snimawe podataka,

• u~itavawe parametara za kontrolu merewa,

• postavqawe prekidne rutine u kojoj se vr{i merewe, i

• provera i eventualno snimawe podataka na disk.

Da bi se ostvarilo neprekidno snimawe podataka na disk, podaci se privre-

meno sme{taju u RAM memoriji ra~unara. Postoje dve oblasti za privremeno sme{-

tawe podataka, od kojih je uvek samo jedna oblast aktivna. Kad se prostor u prvoj

oblasti popuni, potpro gram za merewe po~ne da koristi drugu oblast, a signalizira

se glavnom programu da izvr{i snimawe popuwene, prve oblasti. Nakon snimawa,

glavni pro gram ozna~ava da je oblast snimqena, tako da je ona spremna za sme{tawe

podataka kad se druga oblast popuni podacima. Na ovaj na~in, kori{}ewem dve

naizmeni~ne oblasti, omogu}ava se da snimawe neaktivne oblasti ne bude ograni-

~eno po trajawu na jedan pe riod odabirawa. To mo`e biti posebno zna~ajno kod

primene gde su periode odabirawa veoma male.

B. Jefteni}, M. Bebi}, L. Risti}: Optimizacija potro{we energije karton i ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXIX, 39–48 (2003)

41

Slika 1. Blok dijagram sistema za merewe i akviziciju podataka u du`em vremenskomperiodu, na pogonu pumpe for mer partije

U toku izvr{avawa programske celine koja se odnosi na incijalizaciju,

obavqa se inicijalizacija svih parametara sistema i odvaja se mesto u radnoj

memoriji za sme{tawe merenih podataka ‡ dve oblasti za sme{tawe 256 rezultata

merewa.

U programskoj celini koja se odnosi na u~itavawe parametara za snimawe

podataka potrebno je odrediti naziv datoteke u kojoj }e se snimati mereni podaci.

Ime datoteke mora da zadovoqi uslove postavqene od strane operativnog sistema

(mora biti validno ime datoteke). Ime datoteke definisano je da po~ne slovom, i da

ima 6 cifara. Ekstenzija datoteke je standardizovana za datoteke sa binarnim

sadr`ajem, „.dat”. Nakon {to pro gram iz datoteke „osc.ini” u~ita podatak o slovu

kojim je potrebno da ime datoteke sa merenim podacima po~iwe, u istu datoteku,

upisuje se novo, naredno slovo, koje }e biti upotrebqeno u novom pokretawu sistema.

Na ovaj na~in obezbe|eno je da u slu~aju nestanka napajawa, sistem sa~uva do tada

snimqene podatke, kao i da u trajno snimqenim podacima signalizira nestanak

napajawa ra~unara. U praksi je potvr|eno da je 26 slova engleskog alfabeta dovoqno

za du`i pe riod snimawa podataka.

Da bi u~esnici u projektu mogli da izvr{e kontrolu merewa potro{we

elektri~ne energije pogona pumpe for mer partije, bilo je potrebno izvr{iti

pretvarawe merenih signala unazad, u vrednosti koje odgovaraju fizi~kim merenim

veli~inama. Ovako dobijene signale dovoqno je bilo ispisivati na ekran ra~unara,

gde bi se imao uvid u rad merno-akvizicionog sistema. Programom je predvi|eno da se

iz odre|ene datoteke, nazvane „nazivi.ini”, u~itaju parametri pomo}u kojih bi se

merene veli~ine opisale. I ova datoteka je tekstualnog tipa, sa mogu}no{}u

uno{ewa komentara, koji omogu}avaju lak{e snala`ewe. Osim naziva fizi~ke

veli~ine koja se meri i jedinice SI sistema, u ovoj datoteci nalazi se i pomeraj u

odnosu na nulu, kao i faktor skalirawa merenog signala. Zahvaquju}i ovoj datoteci,

postoje}i softver se mo`e primeniti i za neke druge, srodne primene akvizicije

podataka.

U programskoj celini koja je definisana kao postavqawe prekidne rutine u

kojoj se vr{i merewe, posebnim funkcijama operativnog sistema postavqa se peri-

odi~na prekidna rutina u kojoj se vr{i merewe. Kao {to joj ime ka`e, ova rutina je u

stawu da prekine izvr{avawe programa, da izvr{i potrebna merewa, smesti podatke

u odgovaraju}u oblast u memoriji, i pove}a odgovaraju}i pokaziva~ u memoriji, za

sme{tawe podataka u narednom pozivawu iste prekidne rutine. Provera popuwe-

nosti oblasti za sme{tawe podataka tako|e se obavqa u ovoj prekidnoj rutini.

Ukoliko je oblast popuwena, sme{tawe podataka se preusmerava na drugu oblast, i

postavqawem promenqive „snimi_buffer” na 1, signalizira se glavnom programu da je

potrebno izvr{iti snimawe podataka.

U okviru glavnog programa proverava se popuwenost oblasti za sme{tawe

podataka, kao i promenqive „snimi_buffer”. Ujedno, ispisuju se obra|eni podaci na

ekran ra~unara, za kontrolu toka merewa. Naziv datoteke u koju se sme{taju podaci

tako|e je prikazan na ekranu. U okviru glavnog programa, dozvoqeno je korisniku da

privremeno zaustavi ispis na ekranu, kao i da, pritiskom na odgovaraju}i taster na

tastaturi iza|e iz programa za merewe i akviziciju.

42

Prikaz i analiza rezultata merewa

Sa opisanim merno-akvizicionim sistemom izvr{eno je snimawe podataka

na pogonu pumpe for mer partije u periodu od 5. maja do 13. juna 2002. godine. Na osnovu

merenih podataka, izra~unate su veli~ine potrebne za procenu potro{we elek-

tri~ne energije, a pod pretpostavkom konstantnog napona napajawa, izra~unat je

dijagram prividne snage (S), kao i reaktivne snage (Q) koju pretvara~ uzima iz mre`e.

Faktor snage (P.F.), tako|e je izra~unat i prikazan u rezultatima.

Na sl. 2, prikazani su rezultati merewa u toku jedne smene, u toku dana 25.

maja 2002. godine, pri normalnoj proizvodwi u postrojewu. Napomiwemo da proiz-

vodwa u postrojewu traje 24 ~asa, u toku cele godine, osim u toku planiranih zastoja

sistema.

Za prikaz rezultata u celom periodu u kojem je obavqeno merewe, rezultati

su dodatno obra|eni. Da bi se smawila koli~ina podataka na dijagramima, izra-

~unata je sredwa vrednost merenih podataka u periodu od 1,5 ~asa. Ovaj pe riod je i pe -

riod pojedina~nih datoteka sa podacima merewa. Dnevni profil proizvodwe u

fabrici je takav da su promene gramature relativno retke, tako da se i sa podacima

obra|enim na ovaj na~in mogu izvu}i validni zakqu~ci. Na sl. 3 prikazani su

rezultati merewa u periodu od 5. maja do 13. juna 2002. godine.

B. Jefteni}, M. Bebi}, L. Risti}: Optimizacija potro{we energije karton i ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXIX, 39–48 (2003)

43

Slika 2. Rezultati merewa za pe riod jedne smene, 25. maja 2002. godine

Na sl. 4. prikazana je zavisnost sredwe vrednosti aktivne snage, minimalne

i maksimalne aktivne snage potrebne za proizvodwu, u funkciji gramature proiz-

vedenog kartona.

44

Slika 3. Rezultati merewa za pe riod od 5. maja do 13. juna 2002. godine

Slika 4. Zavisnost aktivne snage u funkciji gramature proizvedenog kartona

Tako|e je izvr{eno snimawe podataka na pogonu pumpe for mer partije u

periodu od 16. januara do 13. marta 2003. godine. Na osnovu merenih podataka,

izra~unate su veli~ine potrebne za procenu potro{we elektri~ne energije. Obra-

|eni rezultati se mogu prikazati na dijagramima uporedo sa rezultatima dobijenim

merewima na istom pogonu, pre ugradwe pi lot-postrojewa. Iz adekvatno obra|enih

podataka, izdvojene su vrednosti vezane za pojedine gramature proizvedenog kartona.

Kako u fabrici kartona proizvedena gramatura zna~ajno zavisi od brzine karton

ma{ine, mogu se prikazati zavisnosti karakteristi~nih parametara potro{we

elektri~ne energije u funkciji brzine ma{ine, kao i u funkciji gramature, a takode

mo`e da se napravi uporedni prikaz zavisnosti odgovaraju}ih parametra snimqenih

pre rekonstrukcije, odnosno uvo|ewa pi lot-postrojewa. U ciqu ilustracije, na sl. 5

prikazana je zavisnost sredwe vrednosti aktivne snage (Psr), minimalne (Pmin) i

maksimalne (Pmax) aktivne snage potrebne za proizvodwu, u funkciji gramature

proizvedenog kartona, kao i ista zavisnost sredwe vrednosti aktivne snage (P1)

starog pogona pumpe for mer partije.

Dijagram na sl. 6 prikazuje zavisnost sredwe vrednosti reaktivne snage (Qsr),

minimalne (Qmin) i maksimalne (Qmax) reaktivne snage potrebne za proizvodwu, a u

funkciji gramature proizvedenog kartona. Tako|e je prikazan i dijagram sredwe

B. Jefteni}, M. Bebi}, L. Risti}: Optimizacija potro{we energije karton i ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXIX, 39–48 (2003)

45

Slika 5. Zavisnost aktivne snage pre i posle rekonstrukcije kao funkcijagramature proizvedenog kartona

46

Slika 6. Zavisnost sredwe vrednosti reaktivne snage (Qsr), minimalne (Qmin) i maksimalne(Qmax) reaktivne snage kao funkcija gramature proizvedenog kartona. Sredwa vrednost

reaktivne snage starog pogona ozna~ena je sa Q1

Slika 7. Zavisnost sredwe vrednosti faktora snage (P.F.sr), minimalnog (P.F.min)i maksimalnog (P.F.max) faktora snage kao funkcija gramature proizvedenog kartona.

Sredwa vrednost faktora snage starog pogona ozna~ena je sa P.F.1

sredwe vrednosti reaktivne snage (Q1) starog pogona pumpe for mer partije. Dija-

gram na sl. 7 prikazuje zavisnost sredwe vrednosti faktora snage (P.F.sr), minimalnog

(P.F.min) i maksimalnog (P.F.max) faktora snage, u funkciji gramature proizvedenog

kartona. Tako|e je prikazan i dijagram sredwe vrednosti faktora snage (P.F.1) starog

pogona pumpe for mer partije.

Zakqu~ak

Na osnovu prikazanih rezultata mogu}e je izvu}i odre|ene zakqu~ke.

l Postoji jasna veza izme|u profila proizvodwe, tehnolo{kih parametara, i elek-

tri~nih parametara pogona pumpe for mer partije, snage, struje i brzine. Ova veza

bi mogla da se upotrebi za planirawe proizvodwe, ukoliko je to tehnolo{ki i

ekonomski mogu}e, da se ostvari ujedna~avawe potro{we elektri~ne energije u

toku du`eg vremenskog perioda (npr. u toku godine).

l Pogon pumpe for mer partije koji ~ine mo tor jednosmerne struje i tiristorski

pretvara~ je veoma neracionalan i neefikasan potro{a~ elektri~ne energije.

l Zamenom pogona pumpe for mer partije, gde bi se ugradio asinhroni mo tor sa

kaveznim rotorom napajan iz frekventnog pretvara~a [3], doprinelo bi se zna-

~ajnim u{tedama na utro{enoj energiji, kao i na ukupnoj anga`ovanoj snazi po-

trebnoj za ovaj pogon. Poznato je da frekventni pretvara~i imaju dobar faktor

snage, i da je fazni pomeraj izme|u napona i struje veoma mali.

l U toku merewa na pogonu pumpe for mer partije nametnuo se jo{ jedan zakqu~ak,

koji nije u direktnoj vezi sa rezultatima merewa. ^itav upravqa~ki sistem for -

mer partije je dotrajao, zbog duge i neprekidne eksploatacije. Takav sistem je

veoma te{ko i neisplativo odr`avati, s obzirom na to da se takvi sistemi vi{e ne

proizvode. Zamena pogona pumpe for mer partije jednim modernim, efikasnim i

racionalnim pogonom kao {to je to pogon sa asinhronim motorom koji se napaja iz

frekventnog pretvara~a, zna~ajno bi olak{ala i modernizaciju upravqa~kog

sistema for mer partije. Pogon pumpe for mer partije, koji je rekonstruisan na

ovaj na~in, pripremqen je za integraciju u novi upravqa~ki sistem karton ma{i-

ne, baziran na primeni najsavremenijih metoda upravqawa, pomo}u programa-

bilnih logi~kih kontrolera, distribuiranih izvr{nih organa, i upravqawa po-

mo}u komunikacionih protokola.

Literatura

[1] Jefteni}, B., Bebi}, M., i dr., Merewe potro{we elektri~ne energije na pogonu pumpefor mer partije, Elaborat ra|en za potrebe projekta „Novi koncept elektromotornogpogona za karton i papir ma{ine”, Beograd, 2002.

[2] Jefteni}, B., Bebi}, M., i dr., Verifikacija smawene potro{we elektri~ne energije napogonu pumpe for mer partije, Elaborat ra|en za potrebe projekta „Novi koncept elek-tromotornog pogona za karton i papir ma{ine”, Beograd, 2003.

[3] ***, Fact Worth Know ing about Fre quency Con vert ers, Danfoss, 1998

B. Jefteni}, M. Bebi}, L. Risti}: Optimizacija potro{we energije karton i ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXIX, 39–48 (2003)

47