Decentralizovaný systém vstupů a výstupů pro prostředí s nebezpečím výbuchu na čerpacích stanicích s vodíkem

Očekává se, že vodík bude v budoucnu hrát důležitou roli jako nosič energie, přičemž zejména autobusy a nákladní automobily jej budou stále častěji využívat jako palivo. Zdá se také pravděpodobné, že si dlouhodobě vybuduje pevné postavení na trhu osobních automobilů. Jednou ze společností, která z tohoto trendu těží, je Resato Hydrogen Technology B.V. z nizozemského Assenu, která vyvíjí a staví vodíkové čerpací stanice. Klíčovou specializací společnosti je vysokotlaká technologie. Společnost Resato je od počátku 90. let známá svými systémy pro řezání vodním paprskem a od roku 2018 uplatňuje toto know-how v infrastruktuře pro čerpání vodíku. Dosud společnost vyrobila a uvedla do provozu více než 45 těchto systémů v Evropě, z toho devět v Nizozemsku.

Dvě úrovně tlaku pro nákladní a osobní automobily

Vodíkové čerpací stanice mohou získávat palivo dvěma způsoby: buď z elektrolyzéru, který pomocí elektrické energie vyvolává chemickou reakci rozkládající vodu na vodík a kyslík, nebo z cisternových přívěsů na vodík, známých jako „tube trailers“. Vodík z trubkového přívěsu se ve třech stupních stlačuje na tlak 350 barů a ochlazuje. Poté se uchovává v vyrovnávacích zásobnících pro čerpání do nákladních vozidel nebo se ve čtvrtém stupni stlačuje na tlak 700 barů a skladuje v samostatném vyrovnávacím zásobníku. Předchlazení vodíku umožňuje mnohem rychlejší čerpání do osobních automobilů u výdejních stojanů s tlakem 700 barů.

Vodíková čerpací stanice je proto mnohem složitější než čerpací stanice pro paliva na bázi uhlíku, protože systém musí vodík přivést na požadovaný tlak prostřednictvím řady chladicích a kompresních kroků. Vzhledem k tomu, že vyšší tlak vede k vyšším teplotám, je nutné vodík opakovaně ochlazovat.  

Vodík vyžaduje koncepci ochrany proti výbuchu

Složitost systémů čerpacích stanic spočívá v řídicím systému. Společnost Resato vyvinula patentovaný algoritmus, který na základě teploty a tlaku zajišťuje co nejrychlejší čerpání paliva. Na úrovni vstupů a výstupů (I/O) představuje výbušný vodík pro automatizaci zvláštní výzvu, která vyžaduje koncepci ochrany proti výbuchu a komponenty s příslušnými certifikacemi. Stanice musí navíc fungovat s minimální údržbou, protože na místě není žádný personál, který by prováděl seřizování. Systém zpracovává především signály teploty a tlaku, dále spínací signály z regulačních ventilů. Zpracovává také signály související s bezpečností z ventilů, tlačítek nouzového zastavení a dalších bezpečnostních senzorů. 

V první verzi výrobce stále zapojoval své palivové systémy pomocí pasivní I/O technologie. Signály snímačů a akčních členů byly připojeny k pasivním propojovacím skříňkám na vyrovnávací nádrži a odtud vedeny k řídicímu systému pomocí vícežilových kabelů. Ačkoli toto řešení fungovalo spolehlivě, nebylo příliš flexibilní v případě, že bylo třeba systém rozšířit o další vyrovnávací jednotky. „Z elektrotechnického hlediska bylo přidání jednotky velmi náročné na práci. Museli jsme také kompletně přepracovat software. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli rozdělit celý systém na moduly, abychom mohli každý modul ovládat samostatně,“ vysvětluje Remco Lagendijk, elektrotechnik a inženýr měřicí techniky ve společnosti Resato, a popisuje tak počátky koncepce modulární čerpací stanice.

Modularizace pro větší flexibilitu

Druhá generace vodíkových čerpacích stanic Resato je proto navržena jako modulární systém. Vyrovnávací zásobníky, kompresory a chladicí jednotky lze flexibilně přidávat a kombinovat. Aby se usnadnilo připojení těchto jednotek, je nutné všechny signály z jednotlivých jednotek sdružit do jediného datového vedení. Akumulační jednotky proto vyžadují řešení I/O s průmyslovým Ethernetem, konkrétně s protokolem Profinet. Jelikož společnost Resato chtěla vyhnout se ochranným krytům a dodatečnému mechanickému úsilí, hledali odborníci moduly I/O s krytím IP67, které jsou teplotně odolné a vhodné pro venkovní použití. Až do tohoto bodu by profil požadavků nepředstavoval pro žádného specialistu na automatizaci žádný problém. Moduly však musely být také schváleny pro zónu ATEX 2 a vhodné pro připojení jiskrově bezpečných signálů ze zón 1 a 0.

Hledání partnera v oblasti automatizace, který by byl schopen podpořit tento decentralizovaný koncept v prostředí s nebezpečím výbuchu, zavedlo tým společnosti Resato také na veletrh Hannover Messe. Na veletržních stáncích bylo inženýrům představeno mnoho řešení vstupů a výstupů s krytím IP67. Na dotaz ohledně krytí IP67 s certifikací ATEX však mnoho dodavatelů nedokázalo odpovědět. „S výjimkou společnosti TURCK. Ta nám dokázala nabídnout různá řešení I/O s krytím IP67 pro zóny ATEX. Uvědomili jsme si, že společnost TURCK se v této oblasti dobře vyzná a již má na trhu vhodné komponenty,“ popisuje Lagendijk hledání decentralizovaného řešení I/O.

Podrobná konzultace v průběhu tvorby koncepce

V dalším kroku společnost Resato ve spolupráci s odborníky z firmy TURCK vyvinula decentralizovaný koncept vstupů a výstupů pro své vyrovnávací zásobníky. „Podpora byla vynikající. Namísto toho, aby nám jen předali pár produktů a popřáli hodně štěstí, společně s námi vyhodnocovali různé možnosti. Společnost TURCK nám dokonce doporučila konkrétní typy kabelů v odpovídajících délkách,“ vysvětluje Niels de Jong, inženýr v oddělení výzkumu a vývoje. „Cílem společnosti Resato je stát se globálním technologickým lídrem v oblasti vodíkových čerpacích stanic. K dosažení tohoto cíle potřebujeme partnery, jako je společnost TURCK.“

Koncepce vstupů a výstupů byla realizována zcela decentralizovaně, včetně jiskrově bezpečných signálů snímačů ze zón ATEX 0 a 1. Společnost TURCK nabízí speciální rozhraní moduly s krytím IP67 z řady IMC. Tyto moduly se instalují mezi snímač (nebo akční člen) v prostředí Ex a zařízení I/O, zajišťují bezpečné elektrické oddělení obvodů a převádějí signální proudy. Dokonce i signály související s bezpečností jsou směrovány lokálně do I/O modulu TBPN s krytím IP67, který komunikuje s bezpečnostním řadičem prostřednictvím protokolu Profisafe.  

Modulární koncepce zjednodušuje testování mimo provoz a zkracuje dobu uvedení do provozu 

„Jednou z výhod a důvodem, proč jsme se rozhodli pro řešení společnosti TURCK, je možnost provádět testování v režimu offline,“ říká Lagendijk. „Dříve jsme museli provádět testování v našem výrobním závodě, poté jsme vše demontovali a na místě u zákazníka jsme vše znovu zapojili. Poté jsme samozřejmě museli provést další testování, abychom se ujistili, že jsou všechny vstupy a výstupy správně připojeny. Dnes systémy testujeme tady a necháváme všechny konektory zapojené na vzdálené I/O moduly. U zákazníka pak stačí připojit pouze napájecí a datové vedení, což nám ušetří několik dní času při uvádění do provozu, co se týče elektroinstalace. To také znamená, že můžeme pracovat s menším počtem elektrotechniků.“

Remco Lagendijk zdůrazňuje tuto výhodu modulárního konceptu: „Uvedení do provozu je kritická fáze. Pokud zde dojde k chybám, jejich odstranění obvykle trvá mnohem déle než ve výrobě. V naší vlastní výrobě máme k dispozici všechny odborníky, správné nástroje i veškeré potřebné náhradní díly, na rozdíl od situace u zákazníka.“  

Důsledně modulární a vysoce škálovatelné 

Společnost Resato plně realizovala svůj modulární koncept. Remco Lagendijk a jeho tým vývojářů softwaru rovněž vytvořili řídicí software jako modulární systém, takže lze přidávat nové moduly, aniž by bylo nutné přepracovávat celou kódovou základnu. „Je to skoro jako kopírovat a vložit,“ říká Lagendijk. Díky tomuto důslednému modulárnímu přístupu lze vodíkové čerpací stanice společnosti Resato snadno škálovat. „Pokud si zákazník přeje rozšířit skladovací kapacitu a potřebuje další vyrovnávací úložiště, není to pro nás žádný problém. Zejména z hlediska elektrotechniky a řízení je to velmi snadné,“ dodává Niels de Jong.  

Další etapa: sériová výroba

Poptávka po vodíkových čerpacích stanicích neustále roste. Lze předpokládat, že společnost Resato v blízké budoucnosti alespoň částečně přejde z projektového způsobu výroby na sériovou výrobu. Koncepce modulárních čerpacích stanic a modulární architektura vstupů a výstupů (I/O) k tomu poskytují ideální předpoklady, protože tato koncepce umožňuje kdykoli přejít na sériovou výrobu. Jednotlivé moduly, jako jsou kompresory nebo vyrovnávací zásobníky, lze předem vyrobit do skladu a poté sestavit podle specifikací zákazníka. Tyto úspory z rozsahu rovněž sníží náklady a zkrátí dobu uvedení vodíkových čerpacích stanic na trh.

Zákazník | www.resato-hydrogen.com