System sterowania i automatyki: „AUTOMATYCZNY PALACZ”

Przedstawiamy podstawowe dane techniczno – ekonomiczne o wdrożonym i opatentowanym przez spółkę BTH-AUTOMATYKA S.C. oraz Pana Piotra Sieradzkiego właściciela Cegielni Cienia systemie automatyki pn.„Automatyczny Palacz” /AP/. AP dedykowany jest do prowadzenia procesu wypału cegły w piecach kręgowych za pomocą mobilnych zestawów młynowo-węglowych. AP dozuje węgiel do pieca w sposób ciągły oraz umożliwia rejestrację podstawowych parametrów procesu wypału cegły. AP utrzymuje temperaturę wypału z max. odchyłką |ΔT|=10[‘C], a 98 [%] czasu wypału prowadzona jest z odchyłką |ΔT|=5[‘C]. Po przyciśnięciu przycisku „START” AP dąży do zadanej wartości temperatury w ściśle określonym czasie, nie przekraczając granicznej wartości strumienia paliwa. Analiza rejestrowanych danych umożliwia wprowadzenie działań korekcyjnych w procesie technologicznym. Oczywiście dzięki technologii internetowej technolog może być w odległym miejscu / dane można przekazać za pomocą Internetu /. Zakup AP umożliwia podniesienia jakości produktu oraz obniżenie kosztów produkcji:

• nie występuje zjawisko przypalania blatu;
• równomierny wypał;
• brak studzenia;
• optymalizacja procesu spalania;
• pełna kontrola palaczy;
• rejestracja parametrów;
• obserwacja on – line / na bieżąco / parametrów procesu;
• informacja o przekroczeniu parametrów za pomocą SMS-ów.

Wzrost jakości produktów powoduje znaczny przyrost wartości sprzedaży : np. przy dziennej produkcji na poziomie 20 000szt. dodatkowy, wynikający wyłącznie z podniesienia jakości produktów, roczny przyrost przychodów może być ca. 180 000 do 480 000,00 [ zł ]; natomiast koszty produkcji mogą być niższe o ca. 20 000 [zł]. Okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych nie powinien przekroczyć 2 do 6 miesięcy.

Uwaga:

Podane nakłady inwestycyjne są nakładami na 2 zestawy młynowo – węglowe.

Innowacyjność rozwiązania polega na:

1. rozdzieleniu układu sterowania od zestawu młynowo – węglowego /część centralna układu zlokalizowana jest poza piecem np. w specjalnym pomieszczeniu – sterowni/;
2. zastosowaniu przemienników częstotliwości / falowników /;
3. zastosowanie regulacji ciągłej;
4. zastosowaniu układu archiwizacji danych oraz podglądu on – line zarówno w sterowni jak i w dowolnym miejscu /drogą internetową/, sygnalizacji akustycznej i świetlnej oraz za pomocą SMS-ów; archiwizowane dane o procesu mogą być przekazywane do EXCELA.

System sterowania i automatyki pn. „AUTOMATYCZNY PALACZ”/AP/ dedykowany jest do prowadzenia procesu wypału cegły w piecach kręgowych za pomocą mobilnych zestawów młynowo-węglowych. Nowatorski i innowa-cyjny system AP został opracowany i wdrożony przez firmę BTH-AUTOMATYKA S.C z Ostrowa Wielkopolskiego oraz Pana Piotra Sieradzkiego współwłaściciela Cegielni Cienia. Rozwiązanie AP zgłoszone jest do Urzędu Patentowego.

1. Opis techniczny.

 

Piec Hoffmana ma kształt stożka ściętego o przekroju wydłużonej elipsy przypominającej boisko z bieżnią lekkoatletyczną. Poszczególne komory są w różnych fazach:

• wypału;
• suszenia;
• załadunku;
• studzenia;
• intensywnego studzenia;
• wywózki.

Jeżeli komora I jest w fazie wypału to komory II, III i IV są w fazie suszenia, V, VI, VII, VIII w fazie załadunku; komory IX, X, XI w fazie studzenia lub intensywnego studzenia; komory XII, XIII, XIV w fazie wywózki. Cykl wypału wynosi ca. 8[h], po tym czasie komora, która była w fazie wypału/komora I/ przechodzi do fazy studzenia, kolejna komora/II/ przechodzi z fazy suszenia do fazy wypału, a kolejne komory przechodzą z fazy załadunku do fazy suszenia itd.

Wypał cegły realizowany jest więc za pomocą mobilnych zestawów młynowo-węglowych . Przewody dolotowe, podajnik, młyn węglowy wentylatorowy zamontowane są na wózku /zestaw młynowo – wentylatorowy/. Zestaw młynowo – wentylatorowy zmienia swoje położenie w zależności, która komora jest w danym momencie komorą wypału. Silniki zarówno młyna wentylatorowego jak i podajnika zasilane są za pomocą przemienników częstotliwości. Przemienniki częstotliwości oraz sterownik PLC zabudowane zostały w sterowni. Poszczególne silniki zasilane są z 10 – pinowego złącza /silniki mają niezależne zasilanie/, natomiast sterownik połączony jest z obiektem za pomącą 16-pinowego złącza. Wokół pieca zamontowano 10 zestawów gniazd celem łatwego podłączenia zestawów młynowych w dowolnym miejscu.

Po załączeniu zestawu, inteligentny system sterowania AP podnosi w ściśle określonym czasie temperaturę wypału do zadanej wartości / czas narastania temperatury oraz wartość zadana temperatury ustawiane są przez operatora – w razie potrzeby dostęp do zmian parametrów może być ograniczony za pomocą hasła/. Po osiągnięciu zadanej wartości temperatury APutrzymuje zadaną temperaturę wypału z dokładnością |ΔT|= 5 do 10[’C]. Jest to możliwe dzięki optymalnemu dozowaniu paliwa do pieca. Paliwo jest dostarczane do procesu spalania w sposób ciągły dzięki zmianie prędkości obrotowej podajnika węgla /regulacja ciągła/. W początkowej fazie wypału maksymalny strumień paliwa jest ograniczony. Praca obsługi pieca ogranicza się do uzupełniania zasobnika węgla zestawu młynowo-węglowego, pozostałe czynności związane z optymalnym dozowaniem paliwa w celu utrzymania określonej temperatury wypału wykona AP. Najważniejszy parametr procesu – temperatura wypału jest – prezentowana jest na skrzynce sterowania miejscowego / zamontowana na zestawie młynowo – węglowym / a także jest przeniesiona do sterowni /. Obsługa i kierownictwo zakładu ma możliwość zarówno na bieżąco śledzić jej zmiany w nastawni i na obiekcie jak i przeglądać przebiegi archiwalne rejestrator cyfrowy wielokanałowy/. Rejestrator cyfrowy, na podstawie przebiegu w czasie temperatury wypału i pracy podajnika, pozwala w pełni kontrolować pracę obsługi / spanie palaczy nie jest możliwe/. Zestaw AP umożliwia także na życzenie przesyłanie SMS-ów o przekroczeniu wartości granicznych, a także za pośrednictwem Internetu podgląd on-line /na bieżąco/ mierzonych parametrów procesu z dowolnego punktu świata.

2. Korzyści techniczne.

 

Zastosowanie AP przez inwestora przynosi realne korzyści w zakresie optymalizacji procesu wypału cegły w piecach kręgowych:

1. równomierny wypał cegły : brak przypaleń blatu, studzenie nie występuje minimalna ilość odpadów produkcyjnych, podniesienie jakości produktu;
2. minimalna ilość awarii mechanicznych / uszkodzenia łańcuchów, przekładni oraz pasów napędowych / – zastosowanie falowników umożliwia „miękki start” napędów zapobiegając występowania naprężeń udarowych / naprężenia udarowe są dwukrotnie większe niż naprężenia statyczne /;
3. optymalizacja procesu spalania / zmniejszenie zużycia węgla / – ograniczenie schładzania komory spalania przez podawanie pełnego strumienia powietrza w czasie postoju podajnika węgla / zjawisko występujące w regulacji dwustawnej : załącz – wyłącz/;
4. obniżenie pracochłonności prowadzenia procesu – zadaniem obsługi jest niedopuszczenie do braku węgla w zasobniku oraz bieżących czynności konserwatorskich;
5. minimalizacja czasu pracy obsługi w trudnych warunkach – pomiary przeniesione do nastawni, sygnalizacja informuje o awariach;

3. Korzyści ekonomiczne.

 

Korzyści techniczne wyszczególnione w p-cie 2 generują odpowiednie korzyści ekonomiczne:

• Ad.a/
  • minimalizacja ilości braków oraz podniesienie jakości – wzrost przychodów
• Ad.b/
  • minimalna ilość awarii mechanicznych
  • obniżenie kosztów eksploatacji tj. kosztów zakupów pasów, łańcuchów, remontów przekładni zębatych, usług firm zewnętrznych;
  • wzrost niezawodności, zwiększenie wydajności – wzrost przychodów;
• Ad.c/
  • w punkcie 6 przedstawiliśmy szczegółowe obliczenia oszczędności paliwa niezbędnego do prowadzenia procesu wypału cegły.
• Ad.d i e/
  • pracownicy mogą w czasie pomiędzy załadunkiem wykonywać inne prace np. konserwatorskie, ochrony mienia itp. – obniżenie kosztów pracy;

4. Cena zestawu AP dla dwóch zestawów młynowo – węglowych.

 

Zestaw automatyki pn. „Automatyczny palacz” jest zestawiony z aparatury najwyższej jakości i niezawodności oraz jest optymalizowany z uwagi na cenę:

• sterownik i panel operatorski firmy SIEMENS AG / S7-300 /
• przemienniki częstotliwości : DANFOSS
• osprzęt elektryczny : LEGRAND

Powyższe elementy automatyki mamy zawsze na magazynie, więc możemy dostarczyć na zamianę w okresie gwarancyjnym i pogwarancyjnym w ciągu 1 dnia / czas dostawy przez firmy kurierskie /.

Możliwa jest realizacja AP w oparciu o innych producentów gwarantujących wysoka niezawodność:

• sterownik: SAIA, VIPA, GE FANUC;
• przemienniki częstotliwości: Danfoss;
• osprzęt elektryczny: SCHNEIDER ELECTRIC;
• rejestrator cyfrowy: SIEMENS AG, ENDRESS HAUSER, JUMO.

Uwaga:

Jeżeli, zgodnie z życzeniem inwestora, AP zostanie zestawiony z zamienników, to nie wszystkie funkcje AP mogą być dostępne oraz cena może ulec zmianie.

Ponieważ AP jest zestawiony z aparatury importowanej ze strefy euro, więc cena oferowana przez naszą spółkę jest ceną w EURO. Niżej podana cena może być obniżona np. jeżeli montaż zestawu wykona inwestor we własnym zakresie.

Cena netto AP na 2 zestawy młynowo-węglowe jest równa 17 500,00 EURO / słownie EURO: siedemnaście tysięcy pięćset 00/100 /.

Uwaga:

Cena AP nie zawiera dostawy zestawu młynowo – wentylatorowego.

5. Analiza ekonomiczna opłacalności inwestycji.

 

a/ szacowany wzrost przychodów.

 

W tabeli 2 przedstawiono szacunkowy przyrost przychodów dzięki zakupowi AP. Kalkulacja została oparta na rzeczywistych procentowych danych z Cegielni Cienia, ceny produktu oraz wydajność są wielkościami założonymi przez autorów opracowania.

Założenia:

1. wydajność dzienna: 20 000 cegły pełnej;
2. cena netto cegły:
   • „150”: 0,90 [zł/szt.]
   • „100”: 0,80 [zł/szt.]
   • „75”: 0,60 [zł/szt.]
   • „pozagatunek”: 0,30[zł/szt.]

Tab. 1 Ilość cegieł w poszczególnych klasach przed i po modernizacji /produkcja dzienna/.

Lp.	Klasa	Przed [%]	Przed[szt.]	Po[%]	Po[szt.]
1.	„150”	20	4000	33	6600
2.	„100”	40	8000	66	13200
3.	„75”	30	6000	0	0
4.	„pozagat.”	10	2000	1	200

Tab.2 Zestawienie wartości przychodów „przed” i „po” modernizacji /produkcja dzienna/.

Lp.	Klasa	„Przed” ilość [szt.]	„Przed” wartość [zł]	„Po” ilość [szt.]	Po wartość [zł]
1.	„150”	4000	3600,00	6600	5940,00
2.	„100”	8000	6400,00	13200,00	10560,00
3.	„75”	6000	3600,00	0	0,00
4.	„pozagat.”	2000	600,00	200	60,00
5.	RAZEM:	20000	14200,00	20000	16560,00
6.	RÓŻNICA:				2360,00

Różnica w przychodach:

1. dziennie: 2 300,00 [zł/dzień];
2. miesięcznie/21 dni/: 48 300,00 [zł/miesiąc];
3. rocznie /10 mies./: 483 000,00 [zł/rok].

Uwaga:

Ilość cegieł produkowanych w wyższej klasie po modernizacji jest funkcją poziomu technicznego i solidności palaczy. Jeżeli poziom obsługi jest bardzo wysoki, to przyrost przychodów po zakupie AP będzie mniejszy: np.:

Jeżeli tylko 10% dziennej produkcji sprzedamy po cenie o 0,30 zł wyższej, to roczny /300dni/ przyrost przychodów jest równy:

20 000×0,1*0,30×300 [zł] =180 000 [zł ].

b/ koszty inwestycyjne.

Nakłady inwestycyjne / przy kursie EURO: 1EURO=4,50zł]:

Cena zakupu AP : 78 750,00 [ zł]

c/ okres zwrotu nakładów inwestycyjnych

Na podstawie powyższej analizy można wyciągnąć wniosek, że nakłady inwestycyjne zwracają się po … niespełna 2 miesiącach lub na podstawie najbardziej ostrożnej analizy ekonomicznej po 5-6 mies. .

W przedstawionej wyżej analizie ekonomicznej nie uwzględniono zmniejszenia kosztów produkcji przez:

• obniżenie zużycia węgla: ca. 14 000 [zł/a];
• oszczędność napraw zestawów młynowych: ca. 7 000[zł/a];

Uwaga:

Jednostka [zł/a] oznacza [zł/rok].

6. Optymalizacja procesu wypału dzięki zastosowaniu AP.

 

AP zapewnia ciągły, bez pracy jałowej / bez podawania paliwa do pieca, proces wypału cegły – proces prowadzony jest bez zbędnych przechładzania wsadu / jakość produktu! oraz oszczędność paliwa/.

Poniżej przedstawiono kalkulację oszczędności paliwa jaką otrzymamy dzięki zastosowaniu AP.

1. Obliczenie strumienia powietrza

N= ŋV’Δp

N[W]- moc wentylatora

V’[m^3/s] – przepływ powietrza

Δp[Pa] – spręż [ przyrost ciśnienia między króćcem ssawnym a tłocznym]

ŋ-sprawność /ŋ=ca.0,8 /.

V’=N/ (ŋΔp)

V’=1 000/(0,8*2 000) [m^3/s]

V’=0,5 [m^3/s]

Uwaga:

Przyjąłem do obliczeń jedynie moc równą N=1[kW]=1 000[W] ponieważ wentylator ten jest jednocześnie wentylatorowym młynem węglowym, który zapewne potrzebuje więcej niż 50% mocy silnika na kruszenie paliwa / dokładniej można sprawdzić analizując pobór mocy w czasie biegu „wentylatorowym” – bez podawania paliwa oraz w czasie biegu „młynowo – wentylatorowego” /.

2. Obliczenie strumienia ciepła potrzebnego do ogrzania powietrza o 1 050[‘C].

Q’ = m’cΔT

Q’[kW] – strumień ciepła;

m’ [kg/s] – strumień powietrza;

c [kJ/(kg*deg) – ciepło właściwe powietrza

c=1,1[kJ/(kg*deg)];

ΔT [‘C] – różnica temperatur ΔT= 1 000 [‘C];

m’=V’ρ

ρ[kg/m^3] – gęstość ρ=1,13 [kg/m^3] / dla temp. 30[‘C] /.

Q’= 0,5*1,13 * 1,1*1 050 [kW]

 

Q’= 653 [kW]

Q’= ca. 600 [kW]

Strumień ciepła w ciągu 1 [min.]

Qm’= 36 000 [kJ/min]

Powyższa ilość ciepła jest możliwa do uzyskania ze spalenia ca. M= 2 [kg] węgla / sprawność procesu spalania niewielka ponieważ w procesie spalania mamy duży nadmiar „fałszywego” powietrza – przyjęta sprawność ca. 75% – jest wartością zawyżoną /.

Jeżeli niepotrzebne przestoje oraz praca biegu jałowego są równe 40[min./dzień] to rocznie [a] mamy:

M= 40*2*300[kg/a] =24 000[kg]=24[t/a].

W przeliczeniu na zł:

W=24*600 [zł/a]=14 400 [zł/a].