Automatyka ATS i SZR – dlaczego nowoczesny zakład produkcyjny nie może polegać wyłącznie na zasilaniu z sieci?

Rozwój automatyki przemysłowej sprawił, że współczesne zakłady produkcyjne są coraz bardziej zależne nie tylko od ciągłej dostępności energii elektrycznej, lecz także od utrzymania jej właściwych parametrów. Linie technologiczne sterowane przez PLC, roboty przemysłowe, systemy SCADA, komputery przemysłowe, serwonapędy i przemienniki częstotliwości mogą zareagować nieprawidłowo zarówno na całkowity zanik napięcia, jak i na jego zapad, asymetrię faz czy odchylenie częstotliwości.

Nawet krótkotrwałe zakłócenie może zatrzymać proces technologiczny, przerwać komunikację pomiędzy urządzeniami lub spowodować przejście napędów i układów bezpieczeństwa do stanu awaryjnego. Po przywróceniu zasilania produkcja nie zawsze rusza automatycznie. Czasami konieczne jest ponowne bazowanie osi, synchronizacja urządzeń, potwierdzenie położenia elementów wykonawczych, skasowanie alarmów i przeprowadzenie kompletnej procedury rozruchowej.

Z tego powodu układ automatycznego przełączania źródeł zasilania powinien być traktowany jako część infrastruktury technologicznej zakładu, a nie dodatkowe wyposażenie kupowane dopiero po pierwszym poważnym przestoju.

Dlaczego sama sieć energetyczna nie wystarcza?

Nawet dobrze zaprojektowana i prawidłowo eksploatowana instalacja nie eliminuje ryzyka zaniku lub pogorszenia parametrów zasilania. Przyczyną może być awaria po stronie operatora, uszkodzenie infrastruktury zakładowej, zwarcie w rozdzielni, przeciążenie lokalnej sieci, awaria transformatora, uszkodzenie kabla albo niekorzystne zjawiska atmosferyczne.

Dla części odbiorców kilkuminutowa przerwa jest jedynie niedogodnością. W zakładzie produkcyjnym może jednak oznaczać:

• zatrzymanie całej linii,
• utratę produkcji będącej w toku,
• uszkodzenie materiału lub półproduktu,
• przerwanie procesu cieplnego, chemicznego albo chłodniczego,
• konieczność ponownego uruchomienia i synchronizacji urządzeń,
• wielogodzinne opóźnienie realizacji zamówień.

Problem nie dotyczy wyłącznie dużych fabryk. Również mniejsze zakłady wykorzystujące obrabiarki CNC, automatyczne linie pakujące, sprężarki, stanowiska zrobotyzowane czy instalacje chłodnicze mogą ponieść znaczne straty po krótkim zaniku napięcia.

Dlatego przed zaprojektowaniem układu zasilania rezerwowego warto odpowiedzieć nie tylko na pytanie, jak często występują awarie, lecz przede wszystkim: co stanie się z procesem technologicznym, gdy zasilanie zniknie w najbardziej niekorzystnym momencie?

Co dzieje się z automatyką podczas zaniku napięcia?

Program sterownika PLC jest zazwyczaj przechowywany w pamięci nieulotnej, ale nie oznacza to automatycznego zachowania pełnego stanu procesu. Część zmiennych może być przechowywana jako retencyjna, natomiast inne dane robocze zostaną utracone po wyłączeniu zasilania. Sposób zachowania zależy od konkretnego sterownika, konfiguracji programu i zastosowanej architektury.

Jednocześnie zatrzymaniu lub przejściu do stanu bezpiecznego mogą ulec:

• falowniki i serwonapędy,
• wyspy zaworowe i moduły rozproszonych wejść oraz wyjść,
• systemy wizyjne,
• komputery przemysłowe,
• serwery SCADA i bazy danych,
• urządzenia komunikacyjne,
• układy bezpieczeństwa,
• pompy, sprężarki i wentylatory,
• elementy grzewcze oraz instalacje chłodnicze.

Po powrocie napięcia poszczególne urządzenia mogą uruchamiać się w różnym czasie. Część pozostanie w stanie alarmowym, inne będą wymagały inicjalizacji. Jeżeli proces został przerwany w niekontrolowanym momencie, sterownik może nie mieć pewności, czy detal znajduje się we właściwej pozycji, zawór został zamknięty, a materiał nie pozostał w strefie roboczej.

Bezpieczny powrót do produkcji powinien więc zostać zaplanowany zarówno na poziomie instalacji zasilającej, jak i programu sterującego. Agregat ogranicza skutki awarii, ale nie zastępuje poprawnie przygotowanych procedur zatrzymania oraz ponownego rozruchu.

ATS, ATSE i SZR – jak poprawnie rozumieć te pojęcia?

W praktyce przemysłowej skróty ATS i SZR bywają używane zamiennie, choć nie zawsze odnoszą się dokładnie do tego samego elementu.

ATS, czyli Automatic Transfer Switch, jest powszechnie używanym określeniem urządzenia lub układu przełączającego odbiory pomiędzy źródłem podstawowym i rezerwowym. W terminologii technicznej spotyka się również określenie ATSE, odnoszące się do automatycznego urządzenia przełączającego.

SZR, czyli samoczynne załączanie rezerwy, jest w Polsce określeniem funkcji lub całego systemu odpowiadającego za przełączenie źródeł. W zależności od projektu układ SZR może obejmować:

• dwa niezależne przyłącza sieciowe,
• sieć i agregat prądotwórczy,
• sieć, agregat oraz UPS,
• kilka sekcji rozdzielni,
• więcej niż jedno źródło rezerwowe,
• automatykę odłączania odbiorów mniej istotnych,
• układ sekwencyjnego załączania obciążeń.

W prostszych instalacjach całą logikę może realizować dedykowany sterownik ATS lub AMF. W bardziej rozbudowanych zakładach SZR bywa częścią systemu sterowanego przez PLC, sterownik agregatowy albo automatykę rozdzielczą współpracującą z BMS lub SCADA.
Najważniejsza nie jest jednak sama nazwa. O niezawodności decydują poprawna logika działania, właściwie dobrane aparaty łączeniowe, blokady mechaniczne i elektryczne, zabezpieczenia oraz dopasowanie źródła rezerwowego do charakteru odbiorów.

Jak przebiega automatyczne przełączenie zasilania?

Sterownik układu przełączającego monitoruje parametry źródła podstawowego. W zależności od zastosowanego rozwiązania może kontrolować między innymi:

• napięcie poszczególnych faz,
• częstotliwość,
• kolejność faz,
• zanik jednej fazy,
• asymetrię napięć,
• parametry źródła rezerwowego,
• położenie aparatów łączeniowych.

Po wykryciu nieprawidłowości typowa sekwencja obejmuje:

1. Rozpoznanie zaniku lub przekroczenia dopuszczalnych parametrów.
2. Odczekanie ustawionego czasu, aby system nie reagował na bardzo krótkie zakłócenia.
3. Wysłanie sygnału uruchomienia agregatu.
4. Sprawdzenie, czy generator osiągnął odpowiednie napięcie i częstotliwość.
5. Odłączenie źródła podstawowego.
6. Załączenie źródła rezerwowego.
7. Kontrolę pracy instalacji podczas zasilania z agregatu.
8. Weryfikację stabilności sieci po jej powrocie.
9. Ponowne przełączenie na źródło podstawowe.
10. Pracę agregatu bez obciążenia przez czas potrzebny do kontrolowanego wychłodzenia.
11. Wyłączenie jednostki i przywrócenie trybu gotowości.

Łączny czas przejęcia obciążenia nie jest wartością stałą. Zależy od ustawionej zwłoki, czasu rozruchu silnika, stabilizacji parametrów generatora i sposobu działania aparatury przełączającej.

W większości klasycznych instalacji sieć–agregat stosuje się przełączenie otwarte, czyli break-before-make: jedno źródło zostaje odłączone przed załączeniem drugiego. Przełączenie zamknięte, zakładające krótkotrwałą pracę równoległą źródeł, wymaga synchronizacji, odpowiedniej aparatury, zabezpieczeń i odrębnej analizy projektowej.

Kiedy sam ATS nie wystarczy?

ATS ani SZR nie zapewniają bezprzerwowego zasilania. Agregat potrzebuje czasu na rozruch, osiągnięcie prędkości znamionowej, stabilizację napięcia i częstotliwości oraz przejęcie obciążenia.

Jeżeli wybrane urządzenia nie mogą dopuścić nawet do kilkusekundowej przerwy, należy rozważyć ich podtrzymanie przez UPS. Może to dotyczyć na przykład:

• wybranych sterowników PLC,
• serwerów SCADA,
• komputerów przemysłowych,
• przełączników sieciowych,
• urządzeń komunikacyjnych,
• systemów wizyjnych,
• aparatury pomiarowej,
• elementów systemu bezpieczeństwa.

Nie oznacza to, że każdy sterownik lub każde urządzenie automatyki musi być zasilane z UPS. Zakres podtrzymania powinien wynikać z analizy procesu oraz skutków utraty zasilania.

Trzeba również sprawdzić współpracę UPS z agregatem. Zbyt duże odchylenia częstotliwości lub napięcia generatora mogą spowodować, że UPS nie zaakceptuje zasilania i pozostanie w trybie bateryjnym. Znaczenie mają także moc generatora, prąd ładowania akumulatorów UPS i zachowanie układu przy dynamicznych zmianach obciążenia.

Dobrze zaplanowany system może więc składać się z trzech uzupełniających się warstw:

Najczęstsze błędy przy projektowaniu ATS i SZR

W praktyce projektowej największe problemy rzadko wynikają z samej możliwości uruchomienia agregatu. Znacznie częściej są konsekwencją niepełnej analizy odbiorów, błędnego doboru mocy albo nieprawidłowej integracji z istniejącą instalacją.

Dobór agregatu na podstawie prostej sumy mocy

Zsumowanie wartości z tabliczek znamionowych nie jest wystarczającą metodą. Trzeba uwzględnić rzeczywiste obciążenie, charakter odbiorników, współczynnik mocy, moce chwilowe oraz kolejność uruchamiania urządzeń.

Pominięcie prądów rozruchowych

Silnik uruchamiany bezpośrednio może chwilowo wymagać znacznie większej mocy pozornej niż podczas normalnej pracy. Skutkiem nieprawidłowego doboru generatora mogą być nadmierne spadki napięcia, obniżenie częstotliwości, zadziałanie zabezpieczeń albo przerwanie rozruchu.

Zastosowanie softstartu, falownika lub sekwencyjnego załączania może zmienić wymagania, ale każdą konfigurację należy przeanalizować indywidualnie.

Brak podziału na odbiory krytyczne i niekrytyczne

Nie każdy zakład musi być zasilany w całości. Często lepszym rozwiązaniem jest wydzielenie obwodów krytycznych i czasowe odłączenie urządzeń, których zatrzymanie nie powoduje istotnych strat lub zagrożenia.

Nieuwzględnienie falowników, UPS i innych odbiorów nieliniowych

Przemienniki częstotliwości, zasilacze impulsowe, prostowniki i UPS mogą wpływać na przebieg prądu, poziom harmonicznych oraz dynamikę zmian obciążenia. Ich udział powinien zostać uwzględniony podczas doboru prądnicy i oceny współpracy całego systemu.

Założenie, że zabezpieczenia będą działać identycznie przy zasilaniu z sieci i agregatu

Dostępny prąd zwarciowy generatora jest często niższy niż prąd zwarciowy dostępny z sieci. Może to wpływać na czasy zadziałania zabezpieczeń i selektywność instalacji. Należy sprawdzić zachowanie zabezpieczeń w obu stanach zasilania oraz odpowiednią wytrzymałość zwarciową aparatury przełączającej.

Pominięcie przewodu neutralnego i układu uziemienia

Nie można z góry przyjąć, że w każdej instalacji należy stosować identyczny sposób przełączania przewodu neutralnego. Rozwiązanie zależy między innymi od układu sieciowego, sposobu uziemienia punktu neutralnego generatora, liczby punktów połączenia neutralnego z ziemią oraz zastosowania trzy- lub czteropolowego urządzenia przełączającego.

Ten fragment projektu powinien zostać każdorazowo przeanalizowany przez uprawnionego projektanta.

Brak pełnej próby funkcjonalnej

Samo uruchomienie silnika bez obciążenia nie potwierdza, że system prawidłowo przełączy rozdzielnię, uruchomi odbiory i utrzyma wymagane parametry podczas rzeczywistego zaniku sieci.

Sekwencyjne załączanie odbiorów może ograniczyć wymagania wobec agregatu

W wielu instalacjach największym wyzwaniem nie jest moc pobierana podczas pracy ustalonej, lecz jednoczesny rozruch kilku dużych urządzeń.

Zakład może korzystać jednocześnie z:

• sprężarek,
• pomp obiegowych,
• instalacji wentylacyjnych,
• urządzeń chłodniczych,
• napędów linii produkcyjnej,
• systemów transportu wewnętrznego.

Jeżeli wszystkie odbiory zostaną załączone w jednej chwili po przejściu na agregat, chwilowe zapotrzebowanie może znacząco przekroczyć obciążenie występujące podczas normalnej pracy.

Automatyka może rozwiązać ten problem przez stopniowe załączanie poszczególnych sekcji. Najpierw uruchamiane są systemy sterowania, komunikacji i bezpieczeństwa, a następnie pompy, wentylatory, sprężarki oraz kolejne części procesu.

Nie jest to jednak prosty sposób na automatyczne zmniejszenie wymaganej mocy agregatu. Kolejność i czasy załączania muszą wynikać z analizy procesu technologicznego, zależności pomiędzy urządzeniami oraz dopuszczalnego czasu wznowienia produkcji.

Co powinien obejmować projekt?

Poprawnie przygotowany system to znacznie więcej niż agregat i rozdzielnica przełączająca.

Projekt powinien być uzgadniany przez osoby odpowiedzialne za instalację elektryczną, automatykę, technologię produkcji i utrzymanie ruchu. Pozwala to uniknąć sytuacji, w której każdy element systemu działa poprawnie osobno, ale całość nie zachowuje się zgodnie z wymaganiami procesu.

Monitoring i diagnostyka

W zależności od zastosowanego sterownika system może udostępniać:

• napięcia i prądy poszczególnych faz,
• częstotliwość,
• moc czynną, bierną i pozorną,
• współczynnik mocy,
• temperaturę cieczy chłodzącej,
• ciśnienie oleju,
• poziom paliwa,
• napięcie akumulatora rozruchowego,
• stan ładowarki,
• położenie aparatów łączeniowych,
• liczbę motogodzin,
• historię alarmów i przełączeń.

Komunikacja może być realizowana między innymi przez Modbus RTU lub Modbus TCP, o ile obsługuje je zastosowany sterownik. Dane mogą zostać przekazane do SCADA, BMS albo systemu zdalnego nadzoru.

Sama dostępność parametrów nie poprawia jednak niezawodności. Trzeba jeszcze określić, które alarmy są krytyczne, kto je otrzymuje i jaka procedura obowiązuje po wykryciu niskiego napięcia akumulatora, braku paliwa, niesprawnej ładowarki czy nieudanego rozruchu.

Dobór agregatu jest częścią projektu automatyki

Automatyka przełączania jest tylko jednym z elementów systemu. Równie ważne jest odpowiednie dobranie źródła rezerwowego.

Należy uwzględnić:

• moc czynną i pozorną odbiorników,
• obciążenia chwilowe,
• prądy rozruchowe,
• współczynnik mocy,
• obecność falowników i UPS,
• kolejność uruchamiania obwodów,
• wymagany czas autonomii,
• warunki środowiskowe,
• możliwość przyszłej rozbudowy.

Dlatego dobór agregatów prądotwórczych przemysłowych powinien być wykonywany dla konkretnej instalacji, a nie jedynie na podstawie sumarycznej mocy urządzeń.

Jednostka dobrana zbyt mała może nie utrzymać napięcia i częstotliwości podczas rozruchu odbiorników. Z kolei nadmierne przewymiarowanie nie zawsze zwiększa bezpieczeństwo. W przypadku agregatu z silnikiem wysokoprężnym długotrwała praca przy bardzo niskim obciążeniu może pogarszać warunki spalania i prowadzić do problemów eksploatacyjnych.

Jak sprawdzić gotowy układ ATS lub SZR?

W Gappa rekomendujemy, aby odbiór instalacji obejmował pełną próbę funkcjonalną, a nie jedynie uruchomienie agregatu.

Zakres testu powinien wynikać z projektu, ale może obejmować:

1. Symulację zaniku lub pogorszenia parametrów źródła podstawowego.
2. Kontrolę czasu reakcji automatyki.
3. Sprawdzenie rozruchu agregatu.
4. Weryfikację napięcia i częstotliwości przed przełączeniem.
5. Kontrolę działania blokad.
6. Załączenie zasilania rezerwowego.
7. Sprawdzenie kolejności uruchamiania odbiorów.
8. Kontrolę parametrów instalacji pod obciążeniem.
9. Symulację powrotu sieci.
10. Ponowne przełączenie na źródło podstawowe.
11. Sprawdzenie wychładzania i wyłączenia agregatu.
12. Weryfikację alarmów, komunikacji i sygnalizacji.

Istotna jest próba pod obciążeniem, przeprowadzona z wykorzystaniem rzeczywistych odbiorów lub odpowiednio dobranego banku obciążenia. Pozwala ona ocenić zachowanie silnika, prądnicy, układu chłodzenia, automatyki i zabezpieczeń w warunkach zbliżonych do rzeczywistej pracy.

Jeżeli w systemie zastosowano UPS, należy także sprawdzić, czy poprawnie akceptuje on zasilanie z generatora i nie przechodzi ponownie na baterię wskutek wahań napięcia albo częstotliwości.

Przykład realizacji – czteropolowy układ ATS/SZR 2000 A

Skala instalacji zasilania rezerwowego może być bardzo różna. W jednej z naszych realizacji zamontowaliśmy czteropolowy automatyczny przełącznik źródeł o prądzie znamionowym 2000 A. Zadaniem aparatu jest przełączanie torów zasilania pomiędzy źródłem podstawowym a rezerwowym zgodnie z przyjętą logiką sterowania.

Prąd znamionowy 2000 A pokazuje skalę instalacji, ale nie określa samodzielnie mocy agregatu. W układzie trójfazowym o napięciu 400 V odpowiada on teoretycznie około 1,39 MVA mocy pozornej. Rzeczywista moc czynna zależy między innymi od współczynnika mocy, charakteru odbiorów, obciążenia poszczególnych faz i warunków pracy instalacji.

Dlatego nie można przyjąć, że aparat 2000 A automatycznie oznacza współpracę z agregatem o mocy 1,4 MW. Dobór źródła rezerwowego wymaga osobnego bilansu mocy, analizy prądów rozruchowych i określenia sekwencji załączania odbiorników.

W instalacji o tak dużym prądzie szczególnego znaczenia nabierają:

• prawidłowy dobór przewodów lub szyn prądowych,
• dopuszczalna obciążalność długotrwała całego toru,
• jakość i moment dokręcenia połączeń,
• ograniczenie wzrostu temperatury w miejscach połączeń,
• właściwa wytrzymałość zwarciowa aparatury,
• sposób przełączania przewodu neutralnego,
• prawidłowe rozwiązanie układu uziemienia,
• blokady mechaniczne i elektryczne,
• kontrola położenia styków,
• pełna próba funkcjonalna po zakończeniu montażu.

Zastosowany układ jest czteropolowy, co oznacza, że przełączane są trzy przewody fazowe oraz przewód neutralny. Nie należy jednak traktować rozwiązania czteropolowego jako właściwego dla każdej instalacji. Decyzja o przełączaniu przewodu neutralnego musi wynikać z układu sieciowego, sposobu uziemienia źródeł i projektu ochrony przeciwporażeniowej.

Sam montaż przełącznika jest tylko jednym z etapów. Cały tor powinien być dopasowany do parametrów źródła podstawowego, agregatu, zabezpieczeń, przewodów oraz odbiorów. Konieczne jest również sprawdzenie, czy automatyka poprawnie rozpoznaje stan obu źródeł, realizuje przyjęte czasy zwłoki i nie dopuszcza do niekontrolowanego połączenia zasilania sieciowego z generatorem.

W klasycznym układzie sieć–agregat przejęcie odbiorów następuje po czasie potrzebnym na rozruch jednostki i ustabilizowanie parametrów generatora. Nie jest to więc zasilanie bezprzerwowe. Odbiory, które nie mogą dopuścić nawet do krótkiej przerwy, powinny zostać dodatkowo zabezpieczone przez odpowiednio dobrany UPS.

Realizacja układu 2000 A dobrze pokazuje, że skuteczne zasilanie rezerwowe nie polega jedynie na zestawieniu agregatu z automatycznym przełącznikiem. Konieczna jest analiza całego systemu: od przekrojów i zabezpieczeń, przez logikę sterowania, aż po odbiór techniczny oraz próbę działania pod obciążeniem.

Przykładowa realizacja – czteropolowy układ automatycznego przełączania źródeł ATS/SZR o prądzie znamionowym 2000 A | źródło: Gappa

Gotowość wymaga regularnych prób

Agregat awaryjny może przez większość czasu pozostawać w trybie oczekiwania. Nie oznacza to jednak, że cały system zachowa gotowość bez regularnej kontroli.

W harmonogramie eksploatacyjnym należy uwzględnić między innymi:

• stan akumulatorów rozruchowych,
• działanie ładowarki,
• poziom oraz jakość paliwa,
• szczelność instalacji,
• poziom oleju i płynu chłodzącego,
• działanie podgrzewania silnika,
• stan automatyki ATS lub SZR,
• możliwość ręcznego uruchomienia,
• poprawność komunikacji,
• działanie aparatury przełączającej,
• okresowe próby pod obciążeniem.

Uruchomienie agregatu bez obciążenia potwierdza tylko część funkcji. Nie daje pewności, że jednostka przejmie wymagane odbiory i utrzyma stabilne parametry podczas rzeczywistej awarii.

Niezawodność zaczyna się od właściwych pytań

Przy planowaniu zasilania rezerwowego łatwo skupić się wyłącznie na mocy i modelu agregatu. Tymczasem na niezawodność wpływa cały system: analiza odbiorów, konfiguracja ATS lub SZR, dobór zabezpieczeń, rozwiązanie przewodu neutralnego i uziemienia, integracja z UPS, sposób komunikacji oraz późniejsze próby pod obciążeniem.

Dopiero połączenie tych elementów pozwala ocenić, czy instalacja rzeczywiście zadziała prawidłowo w chwili zaniku sieci.

Zespół w Gappa pomoże przeanalizować potrzeby zakładu, dobrać agregat oraz automatykę ATS/SZR, a następnie zaplanować montaż, uruchomienie i późniejszy serwis. Zapewniamy wsparcie na kolejnych etapach inwestycji, tak aby rozwiązanie było dopasowane nie tylko do katalogowej mocy odbiorników, ale również do rzeczywistych warunków pracy instalacji.

Celem nie jest wyłącznie dostarczenie urządzenia o określonej mocy. Dobrze przygotowany system powinien współpracować z instalacją elektryczną, automatyką i procesem technologicznym zakładu, aby podczas rzeczywistej awarii przejęcie zasilania przebiegło zgodnie z wcześniej ustalonym scenariuszem.

Skontaktuj się z zespołem Gappa

Planujesz wdrożenie zasilania rezerwowego albo modernizację istniejącego układu ATS/SZR? Zespół w Gappa pomoże przeanalizować odbiory, dobrać odpowiednią moc agregatu, zaplanować automatykę przełączania oraz przygotować rozwiązanie dopasowane do instalacji i procesu technologicznego zakładu.

Firma wspiera Gappa klientów na kolejnych etapach inwestycji: od doboru urządzeń i przygotowania koncepcji, przez montaż i uruchomienie, po testy oraz późniejszy serwis.

Telefony: +48 41 353 80 52; +48 607 102 202
Biuro: ul. Błońska 52, 26-015 Pierzchnica
gappa.com.pl