Analizatory sieci zwiększające efektywność energetyczną budynków

fot. Analizatory sieci M4M

Budynki odpowiadają za 30 procent globalnego końcowego zużycia energii i 29 procent światowej emisji CO2 związanej z energią. Jednak urządzenia podłączone do internetu, takie jak nowe analizatory sieci M4M firmy ABB, pomagają zmniejszyć ten wpływ, ponieważ umożliwiają dokładne monitorowanie danych dotyczących energii w czasie rzeczywistym, a tym samym poprawiają efektywność energetyczną budynku.

Zgodnie z globalnym raportem ONZ na temat stanu środowiska z 2017 r. budynki komercyjne i mieszkalne odpowiadają za 30 procent globalnego końcowego zużycia energii i 29 procent światowej emisji CO2 związanej z energią*. Chociaż dane te są mało pozytywne, to w raporcie zauważono również, że „energochłonność sektora budowlanego (pod względem zużycia energii na m2) konsekwentnie spada w średnim tempie około 1,5 procent rocznie”.

Niewątpliwie dzisiejsze inteligentne budynki, w których stosuje się połączenie cyfrowych urządzeń do monitorowania i regulacji energii, charakteryzują się poziomami efektywności niemożliwymi do osiągnięcia przed pojawieniem się internetu rzeczy (IoT) i skalowalnej technologii. Na przykład urządzenia podłączone do internetu, takie jak nowe analizatory sieci M4M firmy ABB, umożliwiają dokładne monitorowanie parametrów energetycznych w czasie rzeczywistym oraz poprawę wydajności budynku przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.

Niezawodne monitorowanie w czasie rzeczywistym

Pierwszy asortyment wyposażonych w technologię Bluetooth i pracujących na platformie ABB Ability™ analizatorów sieci z rodziny M4M umożliwia pełną analizę jakości zasilania i dokładne monitorowanie efektywności energetycznej budynków komercyjnych i przemysłowych, a także centrów przetwarzania danych.

Fot. 1. Gama produktowa M4M umożliwia pełną analizę jakości energii i dokładne monitorowanie wydajności energetycznej budynków komercyjnych i przemysłowych, a także centrów przetwarzania danych.

W budynkach komercyjnych integracja ze skalowalnym portfolio cyfrowych rozwiązań
ABB w zakresie zarządzania energią i majątkiem pozwala na monitorowanie efektywnego i racjonalnego zużywania energii i mocy w czasie rzeczywistym, aby uniknąć opłat za pobór energii w godzinach szczytu i ewentualnych kar. W budynkach przemysłowych analizatory M4M zapewniają łatwe monitorowanie i kontrolę sieci energetycznej w celu unikania przestojów, uszkodzenia sprzętu i przerw w prowadzeniu operacji krytycznych. Zdefiniowane przez użytkownika alerty zwiększają stopień reagowania na potencjalne zdarzenia w instalacji elektrycznej, usprawniając eksploatację i umożliwiając szybszą konserwację.

Analizatory sieci M4M znajdują zastosowanie również w centrach danych, gdzie umożliwiają niezawodne monitorowanie łańcucha i jakości zasilania, zapobiegając uszkodzeniom zainstalowanych urządzeń i pozwalając uniknąć wyłączeń lub przeciążeń mogących skutkować przestojem. Zatem analizatory sieci M4M kompleksowo zaspokajają potrzeby klienta – od etapu projektowania i specyfikacji po instalację i uruchomienie, a następnie eksploatację i konserwację.

Fot. 2. Analizatory sieciowe M4M opierają się na doświadczeniu klienta, od projektu i specyfikacji po instalację i uruchomienie, a także obsługę i konserwację.

Wspólna i przystępna koncepcja

Analizatory M4M są dostępne w dwóch wersjach →03: M4M 20 z kolorowym wyświetlaczem graficznym i 5 przyciskową klawiaturą oraz M4M 30 z kolorowym ekranem dotykowym. Na ekranach prezentowane są informacje dotyczące monitorowania mocy – od podstawowych danych po pełną analizę zasilania, a także oceny efektywności energetycznej.

Fot. 3. Interfejs HMI w M4M 20 jest podzielony na 3 sekcje, podczas gdy w M4M 30 jest podzielony
na 4 sekcje.

Urządzenia są proste w obsłudze, mają kompletny zestaw wbudowanych protokołów komunikacyjnych i opcji we/wy dla obu wersji w dedykowanych kodach produktów, takie same obudowy, ten sam proces instalacji i okablowania oraz ten sam interfejs człowiek – maszyna (HMI), z segmentacją produktów pod względem dostępu do urządzenia i funkcji pomiarowych. HMI obu modeli są zgodne z wytycznymi ABB UX dotyczącymi intuicyjnych interfejsów w zakresie zawartości, nazewnictwa oraz kolejności elementów menu, co ułatwia korzystanie z dowolnego typu produktu z serii M4M. Jedyną różnicą jest to, że w M4M 30 interfejs jest podzielony na 4 sekcje, a w M4M 20 są to 3 sekcje.

Przewijanie danych

Odczyt danych jest istotną częścią HMI w każdym urządzeniu pomiarowym, ponieważ pozwala użytkownikom na błyskawiczne sprawdzanie minimalnych, maksymalnych i średnich wartości parametrów czasu rzeczywistego, takich jak napięcie, prąd i moc, a także kluczowych wskaźników jakości zasilania, takich jak całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) i asymetria napięcia i prądu, z których wszystkie muszą być zgodne ze standardami IEC.

Parametry pomiarowe obejmują również wartości energii, które są podzielone według taryf dla pomiaru czasu użytkowania (TOU) albo są reprezentowane w 4 kwadrantach nie tylko jako zużycie energii, ale także jako lokalne jej wytwarzanie. Dostęp do potrzebnych informacji oraz ich sprawdzanie jest niezwykle proste – to tylko kilka kroków w menu, w którym wyraźnie oznaczono listy i podmenu z tytułami i napisami.

Fot. 4. Kluczowe dane dostępne w kilku krokach.

Druga sekcja HMI nosi nazwę „Wykresy”. Umożliwia ona wizualizację głównych parametrów w formie wykresów słupkowych i kształtów fali, opartych na zapisywanych próbkach sygnału w cyklach 2 liniowych. Ponadto analizatory sieci M4M zapewniają wizualizację harmonicznych w celu sprawdzenia, czy np. obciążenia nieliniowe mają wpływ na działanie instalacji elektroenergetycznej. Harmoniczne napięcia i prądu są wyświetlane do 15. harmonicznej w HMI, natomiast harmoniczne do 40. są dostępne za pośrednictwem komunikacji. Ponadto relacja między napięciem a prądem jest przedstawiona za pomocą wykresu fazorowego i danych fazorów jako wartości liczbowe.

Fot. 5. Interfejs HMI umożliwia wizualizację wykresów słupkowych głównych parametrów i przebiegów w czasie rzeczywistym.

M4M 30 archiwizuje widok kluczowych danych pomiarowych, obsługiwany przez 7 MB pamięci fleszowej. Ta funkcja umożliwia przechowywanie średnich wartości głównych wielkości mierzonych w czasie rzeczywistym w określonym przedziale czasu, a także trzech wartości maksymalnego i trzech wartości minimalnego zapotrzebowania, które są przedstawiane jako określone przedziały czasowe dla maksymalnie 25 zdefiniowanych przez użytkownika kanałów pamięci.

Fot. 6. Zależność między napięciem a prądem jest przedstawiona za pomocą wykresu fazorowego i danych fazorów jako wartości liczbowe.

Chwilowe dane na temat energii i trendy energetyczne umożliwiają wizualizację krzywych zużycia energii dla 20 parametrów energii w danym okresie. Każdy wykres zawiera 12 ostatnich zapisanych wartości energii.

Fot. 7. M4M 30 przedstawia archiwalny widok kluczowych danych pomiarowych, który jest obsługiwany przez 7 MB pamięci flash.

Dzięki liście wartości domyślnych, intuicyjnemu procesowi wprowadzania danych i wyświetlającym się oknom z informacjami zwrotnymi, konfiguracja analizatorów sieci jest łatwa i szybka. Hasła zdefiniowane przez użytkownika chronią przed wprowadzaniem modyfikacji przez nieupoważnionych pracowników. Dziennik audytu wewnątrz licznika przechowuje dane konfiguracyjne licznika i tworzy sygnaturę czasową za każdym razem, gdy przeprowadzana jest modyfikacja.

Fot. 8. Przy pierwszym włączeniu lub po przywróceniu ustawień fabrycznych dostępny jest „kreator pierwszego uruchomienia”, który prowadzi użytkownika przez podstawowe ustawienia urządzenia. Bezpieczeństwo zapewniają hasła zdefiniowane przez użytkownika, których celem jest uniknięcie modyfikacji przez nieupoważniony personel.

Kreator uruchamiania ułatwia użytkownikowi wprowadzenie pierwszych podstawowych ustawień urządzenia, np. po pierwszym uruchomieniu analizatora sieci lub po przywróceniu ustawień fabrycznych.

Dostępne powiadomienia można podzielić na alarmy, ostrzeżenia i błędy. Alarmy oznaczają naruszenia wartości progowych i mogą być przechowywane w dziennikach, a także łączone z we/wy. Dzięki temu, że M4M 30 potrafi przetwarzać złożone alarmy, możliwe jest łączenie prostych alarmów w jeden. Ostrzeżenia są związane z warunkami instalacji, natomiast komunikaty błędów pochodzą z autodiagnostyki urządzenia.

Przejrzyste dane

Oprogramowanie M4M HMI wykorzystuje zaawansowane wbudowane biblioteki graficzne wyposażone w zaawansowane graficzne elementy podstawowe, które idealnie pasują do natywnego 3,5-calowego kolorowego wyświetlacza o rozdzielczości 320x240 pikseli (QVGA), obsługując w ten sposób do 65 tyś. kolorów. W ten sposób uzyskano doskonałą widoczność wartości czasu rzeczywistego, trendów, ikon i wykresów 2D, niezależnie od warunków oświetleniowych.

Wyświetlaczem analizatora M4M zarządza wewnętrzna jednostka mikrokontrolerów (MCU) zoptymalizowana pod kątem obsługi znaków łacińskich, europejskich, cyrylicy i uproszczonych zestawów znaków UNICODE. Dzięki temu menu HMI mogą być wyświetlane w językach lokalnych, w tym w uproszczonych znakach chińskich.

Monitorowanie mocy ze wszystkimi opcjami łączności

Analizatory M4M są wyposażone w najnowocześniejsze protokoły przemysłowe Modbus, BACnet/IP i Profibus DP-V0. Obsługują one główne zastosowania docelowe w analizach jakości energii. Interfejs komunikacyjny urządzeń umożliwia zdalny dostęp do danych, a tym samym zintegrowanie analizatorów z systemami DMS, BMS, SCADA lub usługami w chmurze.
Protokół BACnet, zaprojektowany specjalnie do automatyzacji budynków, gwarantuje pełne współdziałanie analizatorów M4M z urządzeniami zgodnymi ze standardem BACnet przy użyciu jasnych i jednoznacznych reguł komunikacji między urządzeniami. Taki układ, w pełni zgodny z BACnet Testing Laboratories (BTL), został zaprojektowany dla zabezpieczenia przyszłych inwestycji klienta.

Jeżeli natomiast chodzi o opanowanie procesów automatyki przemysłowej, w analizatorach M4M doskonale sprawdza się interfejs Profibus, ponieważ umożliwia integrację z wielozadaniowymi sieciami komunikacyjnymi w czasie rzeczywistym.

Wszystkie analizatory M4M są wyposażone w moduł Bluetooth Low Energy w wersji 4.2. Komunikacja bezprzewodowa łączy M4M z aplikacją mobilną EPiC (dostępną dla systemów iOS i Android). Aplikacja EPiC umożliwia efektywne uruchamianie M4M w przypadku instalacji dużej liczby jednostek. Pozwala to na szybką konfigurację poprzez replikowanie ustawień licznika na wielu urządzeniach. Komunikacja między M4M i EPiC wykorzystuje algorytmy szyfrowania w celu ochrony danych podczas ich przesyłania i uwierzytelniania podłączonych urządzeń, spełniając jednocześnie rygorystyczne wymagania dotyczące cyberbezpieczeństwa i pozwalając uniknąć ataków typu „man in the middle”.

Skalowalne usługi

ABB koncentruje się na dostarczaniu kompletnych rozwiązań – od indywidualnych analizatorów M4M, aż po pełną integrację z platformą ABB Ability™ Electrical Distribution Control System (EDCS).
W przypadku gdy analizator M4M ma uprawnienia do automatycznego dostępu do ABB Ability™ EDCS, rozpoznaje on zainstalowane wersje produktów i odczytuje wymagane rejestry, a proces rejestracji przebiega sprawnie i bez zakłóceń. Dzięki połączeniu M4M z ABB Ability™ EDCS klienci mają nie tylko pełny obraz własnego zapotrzebowania na energię, ale mogą je zoptymalizować.
Możliwe jest również zdalne konfigurowanie M4M za pomocą oprogramowania komputerowego Ekip Connect. Aplikacja pozwala aktualizować oprogramowanie sprzętowe analizatora poprzez uzyskanie dostępu do serwerów biblioteki ABB przy użyciu zaszyfrowanych obrazów. Daje to gwarancję, że na urządzeniu zostało zainstalowane tylko oryginalne oprogramowanie sprzętowe ABB.

Architektura sprzętowa

Rodzinie analizatorów M4M towarzyszy oferta urządzeń peryferyjnych. Różne opcje we/wy oraz komunikacji, a także dwa warianty wyświetlacza, dają w sumie 13 potencjalnych konfiguracji – taki poziom elastyczności wynika z modułowego podejścia przy projektowaniu sprzętu i oprogramowania.

Zespoły płytek drukowanych (PCBA) są ułożone razem. Urządzenia peryferyjne można konfigurować z wykorzystaniem dedykowanych zespołów PCBA, które zapewniają funkcje wejść/wyjść i komunikacji. Umożliwia to przełączanie cyfrowych we/wy, wyjścia analogowego, komunikacji szeregowej, komunikacji Ethernet lub Ethernetu w konfiguracji łańcuchowej.

Fot. 9. Urządzenia peryferyjne można skonfigurować za pomocą dedykowanych PCBA, które umożliwiają funkcje wejścia/wyjścia i komunikacji.

Dolna płytka odpowiada za zasilanie i pomiary. Umożliwia ona użytkownikom wybór pomiędzy zastosowaniem cewki standardowej i Rogowskiego. Górna płytka obsługuje główny mikrokontroler, moduł Bluetooth, HMI, pamięć, RTC, LED i część obwodu analogowego. Dwa warianty zespołu PCBA umożliwiają wybór między wyświetlaczem dotykowym a HMI z przyciskami.
Główna aplikacja analizatora pracuje na mikrokontrolerze z rdzeniem ARM M4 Cortex, który zapewnia idealne wsparcie w czasie rzeczywistym dla systemu operacyjnego urządzenia, zarządzając przetwarzaniem sygnału analogowego, algorytmami matematycznymi do analizy jakości energii, wyświetlaniem i sterowaniem komunikacją.

Komunikacja bezprzewodowa jest obsługiwana przez dedykowany koprocesor odpowiedzialny za komunikację RF z hostem.

Automatyzacja produkcji M4M

Analizatory M4M są montowane i testowane na zautomatyzowanej linii produkcyjnej o dużej przepustowości, która zapewnia bezproblemową identyfikowalność wszystkich komponentów, a także wyników testów od pierwszej stacji montażowej, po końcowe pakowanie i składowanie. Roboty sterowane przez centralny komputer przenoszą analizatory z jednej stacji testowej do drugiej, aż do pomyślnego ukończenia wszystkich kontroli.

Niezwykle dokładny generator prądu i napięcia zasila najważniejsze stacje testowe precyzyjnymi sygnałami prądowymi i napięciowymi, zapewniając najwyższą jakość sygnału podczas kalibracji wszystkich wyprodukowanych analizatorów. Wąskie kryteria odbioru gwarantują, że do klientów ABB docierają tylko doskonale skalibrowane urządzenia.

[*] Global Status Report str. 14