يغيّر التوسع في كهربة المنشآت الصناعية طريقة تصميم المصانع وتشغيلها وتوسعتها. لم يعد بالإمكان التعامل مع البنية التحتية الكهربائية بوصفها طبقة مرافق منفصلة عن أتمتة الإنتاج. وإدراكًا لهذا التحول، أعلنت هيتاشي إنرجي وروكويل أوتوميشن عن تعاون يركز على بنية متكاملة من الشبكة إلى العملية، تربط البنية التحتية للطاقة الكهربائية بأنظمة الأتمتة والأنظمة الرقمية المسؤولة عن الإنتاج.
من الأنظمة المنفصلة إلى بنية من الشبكة إلى العملية
تقليديًا، غالبًا ما صُممت أنظمة توزيع الكهرباء وجودة الطاقة والحماية وإدارة الطاقة والتحكم بالعمليات وأتمتة الإنتاج بوصفها تخصصات هندسية منفصلة. وقد يؤدي هذا النهج إلى نشوء حدود فاصلة بين الأنظمة التي توفر الطاقة والأنظمة التي تستهلكها.
يتجه النهج المقترح من هيتاشي إنرجي وروكويل أوتوميشن نحو بنية أكثر تنسيقًا. فهو يجمع الخبرات في الربط بالشبكة وجودة الطاقة والحماية والتحكم وإدارة الطاقة وأتمتة العمليات والعمليات الرقمية.
من منظور هندسي، لا تقتصر قيمة هذا المفهوم على وضع مزيد من الأنظمة على الشبكة نفسها. بل يكمن التغيير الأهم في إمكانية إدراج الظروف الكهربائية ومتطلبات الإنتاج ضمن نموذج واحد للتخطيط والتشغيل.
لماذا أصبحت الكهربة مسألة إنتاج
ترتبط كهربة القطاع الصناعي على نحو متزايد بالطاقة الإنتاجية، بدلًا من النظر إليها على أنها مجرد مشروع للطاقة أو الاستدامة.
قد يؤثر ارتفاع الطلب على الكهرباء في سعة المحطات الفرعية، وبنية التوزيع، وجودة الطاقة، وتنسيق الحماية، وأنظمة المحركات، والمشغلات، وتوافر معدات الإنتاج. وفي الوقت نفسه، يمكن للتغييرات في عمليات الإنتاج أن تغيّر مباشرة الأحمال الكهربائية ومتطلبات التشغيل.
وهذا ينشئ علاقة متبادلة الاتجاهين: فالنظام الكهربائي يؤثر في الإنتاج، بينما يحدد الإنتاج كيفية تصميم النظام الكهربائي وتشغيله.
وبالتالي، يمكن لبنية من الشبكة إلى العملية أن توفر إطارًا مشتركًا لمراعاة هذه الترابطات أثناء الهندسة والتشغيل الأولي وتشغيل المصنع.
التعدين والمعادن بوصفهما مجال التطبيق الأول
سيكون قطاع التعدين والمعادن محور التعاون في مرحلته الأولى. ويقدم هذا القطاع مثالًا واضحًا على أهمية النظر إلى البنية التحتية الكهربائية والأتمتة معًا.
تستهلك عمليات مثل التكسير والطحن والنقل ومعالجة المعادن كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. لذلك، يمكن أن يؤثر انقطاع الطاقة أو تدهور جودتها في معدل استخدام المعدات واستمرارية الإنتاج وتكاليف التشغيل.
وتواجه شركات التعدين أيضًا ضغوطًا لزيادة الطاقة الإنتاجية بالتزامن مع تحديث المنشآت القائمة. وتضيف الكهربة متغيرًا هندسيًا آخر إلى مشاريع تواجه أصلًا قيودًا تتعلق برأس المال والبنية التحتية ومتطلبات التشغيل الأولي.
وتشير الشركتان إلى تحليل يقدّر أن النفقات الرأسمالية للنمو اللازمة لإضافة طاقة تعدين جديدة قد تبلغ نحو تريليون دولار خلال العقد المقبل.
جودة الطاقة جزء من أداء الأتمتة
تُعد جودة الطاقة من الاعتبارات الهندسية المهمة.
غالبًا ما يركز مهندسو الأتمتة على توافر وحدات التحكم، والتكرار الاحتياطي للشبكات، وأداء وحدات الإدخال والإخراج، وأجهزة القياس، ومنطق التحكم. لكن هذه الأنظمة تعتمد في نهاية المطاف على بنية تحتية كهربائية يجب أن توفر جودة جهد مناسبة وحماية واستمرارية.
يمكن للمحركات الكبيرة والمشغلات متغيرة السرعة والمحولات وغيرها من معدات إلكترونيات القدرة أن تُحدث اضطرابات كهربائية أو تفرض أنماط أحمال صعبة. وفي المقابل، قد تنتقل آثار الظروف الكهربائية غير المستقرة إلى معدات الأتمتة وعمليات الإنتاج.
لذلك، يمكن أن يوفر دمج معلومات جودة الطاقة مع بيانات الأتمتة والتشغيل رؤية أشمل لأداء المصنع.
تحتاج الحماية والتحكم إلى سياق تشغيلي أفضل
تعمل أنظمة الحماية تقليديًا وفقًا للمعايير الكهربائية ومخططات الحماية المحددة مسبقًا. أما أتمتة العمليات، فتستجيب لظروف الإنتاج وحالات المعدات.
قد يتيح مزيد من التكامل بين هذين المجالين لفرق التشغيل فهم الأحداث الكهربائية في سياق أصول الإنتاج. فعلى سبيل المثال، يمكن تقييم الاضطراب الكهربائي لا بوصفه حدث حماية فحسب، بل أيضًا من حيث أنظمة الإنتاج التي تأثرت، وكيف تغير معدل استخدام المعدات، وما إذا كانت هناك حاجة إلى استعادة الإنتاج.
ولا يلغي ذلك الحاجة إلى وظائف حماية مستقلة، بل يتيح تحسين تبادل المعلومات بين أنظمة الحماية والتحكم الكهربائي وأتمتة العمليات والأنظمة الإشرافية.
العمليات الرقمية تنشئ طبقة الربط
أثناء تشغيل المنشأة الصناعية، يمكن أن يكشف الجمع بين الكهربة والأتمتة والتقنيات الرقمية عن معلومات تتعلق باستهلاك الطاقة وأداء الإنتاج ومعدل استخدام الأصول.
ويمكن لهذه المعلومات أن تدعم التحليل التشغيلي وتوفر أساسًا لتحديد الروابط بين الأحمال الكهربائية وسلوك الإنتاج.
في رأيي، يُعد هذا أحد الجوانب العملية الأهم في التعاون. ويكون التكامل الرقمي مفيدًا للغاية عندما يحوّل بيانات هندسية كانت معزولة سابقًا إلى معلومات يستطيع المشغلون وفرق الصيانة الاستفادة منها. فمجرد جمع مزيد من البيانات لا يحسّن أداء المصنع ما لم ترتبط تلك البيانات بحالات المعدات ومتطلبات الإنتاج وقرارات التشغيل.
التخطيط للطاقة الإنتاجية المستقبلية
نادرًا ما تكون الأنظمة الكهربائية الصناعية ثابتة. فقد تزيد الطاقة الإنتاجية، وتُركّب مشغلات إضافية، وتُضاف معدات عمليات جديدة، وقد تصبح مصادر الطاقة البديلة جزءًا من المنشأة في نهاية المطاف.
قد يجعل تصميم الأنظمة الكهربائية وأنظمة الأتمتة بشكل مستقل التوسعات اللاحقة أكثر صعوبة، لأن كل تعديل قد يتطلب تغييرات في مجالات هندسية متعددة.
وعوضًا عن ذلك، يمكن لبنية منسقة أن ترسي أساسًا قابلًا للتوسع لإضافة طاقة إنتاجية، وزيادة الكهربة، ودمج مصادر طاقة جديدة.
وتكتسب هذه المسألة أهمية خاصة في مشاريع التعدين، حيث قد تحتاج البنية التحتية إلى استيعاب تغييرات كبيرة على مدى العمر التشغيلي للمنشأة.
الفائدة الهندسية: حدود فاصلة أقل
أقوى حجة تقنية للتعاون هي تقليل الحدود الفاصلة بين الهندسة الكهربائية وهندسة الأتمتة.
قد تضم المنشأة الصناعية الحديثة أنظمة توزيع بجهد متوسط ومنخفض، ومعدات الحماية والتحكم، والمحركات والمشغلات، وأنظمة PLC أو DCS، والشبكات الصناعية، وأجهزة القياس، ومنصات إدارة الطاقة، وتطبيقات مراقبة الأصول. وتتفاعل هذه الأنظمة فعليًا بالفعل، حتى عندما يجري تصميمها وإدارتها بشكل منفصل.
ويقر مفهوم الشبكة إلى العملية بهذا التفاعل المادي، ويسعى إلى توفير إطار هندسي وتشغيلي أكثر تنسيقًا.
وبالنسبة إلى فرق المشاريع، قد يحسّن ذلك التنسيق أثناء تصميم الأنظمة والتشغيل الأولي واستكشاف الأعطال والتوسعات المستقبلية.
ما بعد التعدين والمعادن
على الرغم من أن التعدين والمعادن هما الهدف الأولي، يمكن تطبيق المبادئ الهندسية نفسها على صناعات أخرى كثيفة الاستهلاك للطاقة.
تعتمد منشآت التصنيع ومراكز البيانات والمرافق الكيميائية والبنية التحتية للنقل وغيرها من المواقع الصناعية الكبيرة على نحو متزايد على توافر الكهرباء بدرجة عالية وعمليات إنتاج خاضعة لضبط دقيق.
ومع توسع الكهربة، سيستمر تراجع أهمية التمييز بين «نظام الطاقة» و«نظام الإنتاج» من منظور تشغيلي.
ما يعنيه ذلك للأتمتة الصناعية
يعكس تعاون هيتاشي إنرجي وروكويل أوتوميشن توجهًا أوسع في الهندسة الصناعية: فالبنية التحتية الكهربائية أصبحت عنصرًا أوضح تأثيرًا في أداء الإنتاج.
ولا تقتصر الفرصة طويلة الأمد على ربط معدات الطاقة بشبكات الأتمتة، بل تتمثل في إنشاء بنية تتيح مراعاة الظروف الكهربائية ومتطلبات الإنتاج ومعدل استخدام الأصول واستهلاك الطاقة معًا.
وبالنسبة إلى مهندسي الأتمتة الصناعية، يعني ذلك أن بنى المصانع المستقبلية ستتطلب على الأرجح تنسيقًا أوثق بين توزيع الكهرباء والحماية والمشغلات ومنصات PLC/DCS والشبكات الصناعية وإدارة الطاقة والعمليات الرقمية.
وسيتوقف المردود العملي على كيفية تحويل الشركتين هذا المفهوم إلى بنى محددة وتطبيقات صناعية. لكن التوجه التقني واضح: فمع ازدياد كهربة العمليات الصناعية، تزداد الحاجة إلى تصميم هندسة الطاقة والهندسة الآلية باعتبارهما جزأين من النظام نفسه.
