Zdecentralizowany system wejść/wyjść dla obszarów zagrożonych wybuchem na stacjach tankowania wodoru

Oczekuje się, że wodór odegra w przyszłości ważną rolę jako nośnik energii, a w szczególności autobusy i ciężarówki będą coraz częściej wykorzystywać go jako paliwo. Wydaje się również prawdopodobne, że wodór na stałe zagości na rynku samochodów osobowych. Jedną z firm czerpiących korzyści z tego trendu jest Resato Hydrogen Technology B.V. z Assen w Holandii, która zajmuje się projektowaniem i budową stacji tankowania wodoru. Głównym obszarem specjalizacji firmy jest technologia wysokociśnieniowa. Resato jest znane z systemów cięcia strumieniem wody od początku lat 90. i od 2018 roku wykorzystuje tę wiedzę w infrastrukturze stacji tankowania wodoru. Do tej pory firma wyprodukowała i uruchomiła ponad 45 takich systemów w Europie, w tym dziewięć w Holandii.

Dwa poziomy ciśnienia dla samochodów ciężarowych i osobowych

Stacje tankowania wodoru mogą pozyskiwać paliwo na dwa sposoby: albo z elektrolizera, który wykorzystuje energię elektryczną do wywołania reakcji chemicznej rozkładającej wodę na wodór i tlen, albo z cystern do transportu wodoru, zwanych cysternami rurowymi. Wodór z cysterny rurowanej jest sprężany w trzech etapach do ciśnienia 350 barów i schładzany. Następnie jest przechowywany w zbiornikach buforowych do tankowania ciężarówek lub sprężany w czwartym etapie do ciśnienia 700 barów i przechowywany w oddzielnym zbiorniku buforowym. Wstępne schłodzenie wodoru pozwala na znacznie szybsze tankowanie samochodów osobowych przy dystrybutorach o ciśnieniu 700 barów.

Stacja tankowania wodoru jest zatem znacznie bardziej złożona niż stacja tankowania paliw węglowych, ponieważ system musi doprowadzić wodór do wymaganego ciśnienia poprzez szereg etapów chłodzenia i sprężania. Ponieważ wyższe ciśnienie powoduje wzrost temperatury, wodór musi być wielokrotnie schładzany. 

Wodór wymaga koncepcji ochrony przeciwwybuchowej

Złożoność systemów stacji paliwowych wynika z systemu sterowania. Firma Resato opracowała opatentowany algorytm, który zapewnia najszybsze możliwe tankowanie w oparciu o temperaturę i ciśnienie. Na poziomie wejść i wyjść (I/O) wybuchowy wodór stanowi szczególne wyzwanie dla automatyki, co wymaga zastosowania koncepcji ochrony przeciwwybuchowej oraz komponentów posiadających odpowiednie certyfikaty. Stacja musi również działać przy minimalnych nakładach konserwacyjnych, ponieważ na miejscu nie ma personelu, który mógłby dokonywać regulacji. System przetwarza przede wszystkim sygnały temperatury i ciśnienia, a także sygnały przełączające z zaworów regulacyjnych. Przetwarza również sygnały związane z bezpieczeństwem pochodzące z zaworów, przycisków zatrzymania awaryjnego i innych czujników bezpieczeństwa.

W pierwszej wersji producent nadal stosował w swoich układach paliwowych technologię pasywnych wejść/wyjść. Sygnały z czujników i elementów wykonawczych były podłączane do pasywnych skrzynek przyłączeniowych przy zbiorniku buforowym, a stamtąd kierowane do systemu sterowania za pomocą kabli wielożyłowych. Chociaż rozwiązanie to działało niezawodnie, nie było zbyt elastyczne w przypadku konieczności rozbudowy systemu o dodatkowe jednostki buforowe. „Z elektrycznego punktu widzenia dodanie kolejnej jednostki było bardzo pracochłonne. Musieliśmy również całkowicie przerobić oprogramowanie. Z tego powodu postanowiliśmy podzielić cały system na moduły, aby móc sterować każdym z nich indywidualnie” – wyjaśnia Remco Lagendijk, inżynier ds. elektryki i oprzyrządowania w firmie Resato, opisując początki koncepcji modułowej stacji paliwowej.

Modularyzacja zapewniająca większą elastyczność

Dlatego też stacje tankowania wodoru Resato drugiej generacji mają budowę modułową. Jednostki buforowe, sprężarki i agregaty chłodnicze można elastycznie dodawać i łączyć. Aby ułatwić podłączanie tych urządzeń, wszystkie sygnały z każdego z nich muszą być zebrane w jedną linię danych. Z tego powodu jednostki buforowe wymagają rozwiązania we/wy opartego na przemysłowej sieci Ethernet, a dokładniej na protokole Profinet. Ponieważ firma Resato chciała uniknąć stosowania obudów ochronnych i dodatkowych nakładów mechanicznych, eksperci poszukiwali modułów we/wy o stopniu ochrony IP67, odpornych na wysokie temperatury i przystosowanych do użytku na zewnątrz. Do tego momentu profil wymagań nie stanowiłby wyzwania dla żadnego specjalisty ds. automatyki. Moduły musiały jednak posiadać certyfikat zgodności z normą ATEX dla strefy 2 oraz nadawać się do podłączania sygnałów iskrobezpiecznych ze stref 1 i 0.

Poszukiwanie partnera w dziedzinie automatyki, który byłby w stanie wesprzeć tę zdecentralizowaną koncepcję w strefach zagrożonych wybuchem, doprowadziło również zespół Resato na targi Hannover Messe. Na stoiskach wystawowych inżynierom zaprezentowano wiele rozwiązań wejść/wyjść w standardzie IP67. Jednak na pytanie o rozwiązania IP67 z certyfikatem ATEX wielu dostawców nie potrafiło udzielić odpowiedzi. „Z wyjątkiem firmy TURCK. Była ona w stanie zaoferować nam różne rozwiązania IP67 przeznaczone do stref ATEX. Zrozumieliśmy, że firma TURCK dobrze zna tę dziedzinę i ma już na rynku odpowiednie komponenty” – relacjonuje Lagendijk, opisując poszukiwania zdecentralizowanego rozwiązania we/wy.

Szczegółowe konsultacje na etapie opracowywania koncepcji

W kolejnym etapie firma Resato we współpracy z ekspertami z TURCK opracowała koncepcję zdecentralizowanych wejść/wyjść dla swoich zbiorników buforowych. „Wsparcie było znakomite. Zamiast po prostu wręczyć nam kilka produktów i życzyć powodzenia, wspólnie z nami przeanalizowali różne opcje. Firma TURCK poleciła nam nawet konkretne typy kabli o odpowiedniej długości” – wyjaśnia Niels de Jong, inżynier ds. badań i rozwoju. „Celem firmy Resato jest osiągnięcie pozycji światowego lidera technologicznego w dziedzinie stacji tankowania wodoru. Aby to osiągnąć, potrzebujemy partnerów takich jak firma TURCK”.

Koncepcja wejść/wyjść została zrealizowana w sposób całkowicie zdecentralizowany, z uwzględnieniem sygnałów czujników iskrobezpiecznych z stref ATEX 0 i 1. Dzięki urządzeniom z rodziny IMC firma TURCK oferuje specjalne moduły interfejsowe o stopniu ochrony IP67. Są one instalowane pomiędzy czujnikiem (lub elementem wykonawczym) Ex a urządzeniem we/wy, zapewniają bezpieczną izolację obwodów i przetwarzają prądy sygnałowe. Nawet sygnały związane z bezpieczeństwem są kierowane lokalnie do modułu we/wy TBPN o stopniu ochrony IP67, który komunikuje się ze sterownikiem bezpieczeństwa za pośrednictwem protokołu Profisafe.

Modułowa koncepcja ułatwia testowanie w trybie offline i skraca czas uruchomienia

„Jedną z zalet i powodem, dla którego zdecydowaliśmy się na rozwiązanie firmy TURCK, jest możliwość przeprowadzania testów w trybie offline” – mówi Lagendijk. „Wcześniej musieliśmy przeprowadzać testy w naszym zakładzie produkcyjnym, a potem wszystko demontować i ponownie okablowywać na miejscu u klienta. Oczywiście musieliśmy wtedy przeprowadzać testy ponownie, aby upewnić się, że wszystkie wejścia i wyjścia zostały poprawnie podłączone. Obecnie testujemy systemy tutaj i pozostawiamy wszystkie złącza podłączone do zdalnych modułów we/wy. W siedzibie klienta musimy jedynie podłączyć przewody zasilające i transmisji danych, co pozwala nam zaoszczędzić kilka dni czasu potrzebnego na uruchomienie instalacji elektrycznej. Oznacza to również, że możemy pracować przy mniejszej liczbie inżynierów elektryków”.

Remco Lagendijk podkreśla tę zaletę koncepcji modułowej: „Uruchomienie to kluczowy etap. Jeśli pojawią się tu błędy, ich usunięcie zajmuje zazwyczaj znacznie więcej czasu niż na etapie produkcji. W naszej własnej fabryce wszyscy specjaliści, odpowiednie narzędzia i wszelkie potrzebne części zamienne są natychmiast dostępne, w przeciwieństwie do sytuacji u klienta”. 

Spójna modułowość i wysoka skalowalność

Firma Resato w pełni wdrożyła swoją koncepcję modułową. Remco Lagendijk i jego zespół programistów stworzyli również oprogramowanie sterujące jako system modułowy, dzięki czemu można dodawać nowe moduły bez konieczności przerabiania całego kodu źródłowego. „To prawie jak kopiowanie i wklejanie” – mówi Lagendijk. To spójne, modułowe podejście sprawia, że stacje tankowania wodoru firmy Resato można łatwo skalować. „Jeśli klient chce zwiększyć pojemność magazynową i potrzebuje dodatkowego magazynu buforowego, nie stanowi to dla nas żadnego problemu. Jest to bardzo łatwe, zwłaszcza z punktu widzenia elektrotechniki i sterowania” – dodaje Niels de Jong.

Kolejny etap: produkcja seryjna

Popyt na stacje tankowania wodoru stale rośnie. Można założyć, że w najbliższej przyszłości firma Resato stopniowo przestawi swoją produkcję z modelu opartego na realizacji poszczególnych projektów na produkcję seryjną, przynajmniej częściowo. Modułowa koncepcja stacji tankowania oraz modułowa architektura wejść i wyjść stanowią idealne przygotowanie do tego, ponieważ koncepcja ta pozwala w dowolnym momencie przejść do produkcji seryjnej. Poszczególne moduły, takie jak sprężarki lub buforowe jednostki magazynowe, mogą być wstępnie produkowane na zapas, a następnie montowane zgodnie ze specyfikacjami klienta. Ta ekonomia skali pozwoli również obniżyć koszty i skrócić czas wprowadzenia stacji tankowania wodoru na rynek.

Klient | www.resato-hydrogen.com