Az ipari létesítmények fokozódó villamosítása megváltoztatja az üzemek tervezésének, működtetésének és bővítésének módját. A villamos infrastruktúra többé nem kezelhető a termelésautomatizálástól elkülönülő közműrétegként. Ezt a változást felismerve a Hitachi Energy és a Rockwell Automation olyan együttműködést jelentett be, amelynek középpontjában egy integrált, hálózattól a folyamatig terjedő architektúra áll. Ez összekapcsolja a villamosenergia-infrastruktúrát a termelésért felelős automatizálási és digitális rendszerekkel.
Az elkülönült rendszerektől a hálózattól a folyamatig terjedő architektúráig
Hagyományosan a villamosenergia-elosztást, az energiaellátás minőségét, a védelmet, az energiagazdálkodást, a folyamatirányítást és a termelésautomatizálást gyakran különálló mérnöki területekként tervezték meg. Ez a megközelítés határokat teremthet az energiát biztosító és az azt felhasználó rendszerek között.
A Hitachi Energy és a Rockwell Automation által javasolt megközelítés összehangoltabb architektúra felé vezet. Egyesíti a hálózati csatlakozás, az energiaellátás minősége, a védelem és irányítás, az energiagazdálkodás, a folyamat-automatizálás és a digitális üzemeltetés terén szerzett szakértelmet.
Mérnöki szempontból ennek az elgondolásnak nem pusztán az az értéke, hogy több rendszert kapcsolnak ugyanahhoz a hálózathoz. A jelentősebb változás annak lehetősége, hogy a villamosenergia-ellátási feltételek és a termelési követelmények ugyanazon tervezési és üzemeltetési modell részévé váljanak.
Miért válik a villamosítás termelési kérdéssé?
Az ipari villamosítás egyre inkább a termelési kapacitáshoz kapcsolódik, és már nem csupán energiaügyi vagy fenntarthatósági projektként tekintenek rá.
A megnövekedett villamosenergia-igény hatással lehet az alállomások kapacitására, az elosztási architektúrára, az energiaellátás minőségére, a védelmi koordinációra, a motoros rendszerekre, a hajtásokra és a termelőberendezések rendelkezésre állására. A termelési folyamatok változásai ugyanakkor közvetlenül módosíthatják a villamos terhelést és az üzemeltetési követelményeket.
Ez kétirányú kapcsolatot hoz létre: a villamos rendszer hat a termelésre, a termelés pedig meghatározza, hogyan kell megtervezni és üzemeltetni a villamos rendszert.
A hálózattól a folyamatig terjedő architektúra ezért közös keretet biztosíthat e kölcsönös függőségek figyelembevételéhez a tervezés, az üzembe helyezés és az üzemi működés során.
A bányászat és a fémipar mint kezdeti alkalmazási terület
Az együttműködés elsőként a bányászatra és a fémiparra összpontosít. Ez az ágazat jól példázza, miért kell együtt kezelni a villamos infrastruktúrát és az automatizálást.
Az olyan folyamatok, mint a törés, az őrlés, a szállítás és az ásványfeldolgozás, jelentős mennyiségű villamos energiát fogyasztanak. Az áramellátás megszakadása vagy minőségének romlása következésképpen hatással lehet a berendezések kihasználtságára, a termelés folyamatosságára és az üzemeltetési költségekre.
A bányavállalatokra az a nyomás is nehezedik, hogy a meglévő létesítmények korszerűsítése mellett növeljék kapacitásukat. A villamosítás újabb mérnöki szempontot ad azokhoz a projektekhez, amelyeket már eleve korlátoznak a beruházási, infrastrukturális és üzembe helyezési követelmények.
A vállalatok olyan elemzésre hivatkoznak, amely szerint az új bányászati kapacitások bővítéséhez szükséges beruházási kiadások a következő évtizedben megközelíthetik az 1 billió dollárt.
Az energiaellátás minősége az automatizálás teljesítményének része
Az energiaellátás minősége fontos mérnöki szempont.
Az automatizálási mérnökök gyakran a vezérlők rendelkezésre állására, a hálózati redundanciára, a be- és kimenetek teljesítményére, a műszerezésre és a vezérlési logikára összpontosítanak. Ezek a rendszerek azonban végső soron olyan villamos infrastruktúrától függenek, amelynek megfelelő feszültségminőséget, védelmet és ellátásfolytonosságot kell biztosítania.
A nagyméretű motorok, a változtatható fordulatszámú hajtások, az átalakítók és más teljesítményelektronikai berendezések villamos zavarokat idézhetnek elő, vagy jelentős terhelési ingadozásokat okozhatnak. Ezzel szemben az instabil villamosenergia-ellátás az automatizálási berendezésekre és a termelési folyamatokra is átterjedhet.
Az energiaellátás minőségére vonatkozó információk integrálása az automatizálási és üzemeltetési adatokkal ezért teljesebb képet adhat az üzem teljesítményéről.
A védelemnek és az irányításnak jobb üzemi összefüggésekre van szüksége
A védelmi rendszerek hagyományosan villamos paraméterek és előre meghatározott védelmi sémák alapján működnek. A folyamat-automatizálás ezzel szemben a termelési körülményekre és a berendezések állapotára reagál.
E területek szorosabb integrációja lehetővé teheti az üzemeltető csapatok számára, hogy a villamos eseményeket a termelőeszközök összefüggésében értelmezzék. Egy villamos zavart például nemcsak védelmi eseményként lehetne értékelni, hanem annak alapján is, hogy mely termelési rendszereket érintett, hogyan változott a berendezések kihasználtsága, illetve szükség van-e a termelés helyreállítására.
Ez nem szünteti meg a független védelmi funkciók szükségességét. Ehelyett lehetőséget teremt a védelem, a villamos irányítás, a folyamat-automatizálás és a felügyeleti rendszerek közötti jobb információcserére.
A digitális üzemeltetés teremti meg az összekötő réteget
Az ipari létesítmény működése során a villamosítás, az automatizálás és a digitális technológiák kombinációja információt adhat az energiafogyasztásról, a termelési teljesítményről és az eszközök kihasználtságáról.
Ezek az információk támogathatják az üzemi elemzést, és alapot teremthetnek a villamos terhelés és a termelés működése közötti összefüggések feltárásához.
Véleményem szerint ez az együttműködés egyik leggyakorlatiasabb eleme. A digitális integráció akkor a leghasznosabb, ha a korábban elszigetelt mérnöki adatokat olyan információvá alakítja, amely alapján az üzemeltetők és a karbantartó csapatok intézkedni tudnak. A több adat önmagában nem javítja az üzem működését, ha az adatok nem kapcsolódnak a berendezések állapotához, a termelési követelményekhez és az üzemeltetési döntésekhez.
Tervezés a jövőbeli kapacitásra
Az ipari villamos rendszerek ritkán változatlanok. Növekedhet a termelési kapacitás, újabb hajtások telepíthetők, új folyamatberendezések vezethetők be, és idővel alternatív energiaforrások is megjelenhetnek a létesítményben.
A villamos és automatizálási rendszerek egymástól független tervezése megnehezítheti a későbbi bővítést, mivel minden módosítás több mérnöki területet érintő változtatásokat igényelhet.
Az összehangolt architektúra ehelyett skálázható alapot teremthet a termelési kapacitás növeléséhez, a további villamosításhoz és új energiaforrások integrálásához.
Ez különösen fontos a bányászati projekteknél, ahol az infrastruktúrának a létesítmény működési élettartama során jelentős változásokat is ki kell szolgálnia.
A mérnöki előny: kevesebb határvonal
Az együttműködés legerősebb műszaki érve a villamosmérnöki és az automatizálási területek közötti határok csökkentése.
Egy korszerű ipari létesítményben közép- és kisfeszültségű elosztóhálózat, védelmi és irányítóberendezések, motorok és hajtások, PLC- vagy DCS-rendszerek, ipari hálózatok, műszerezés, energiagazdálkodási platformok és eszközfelügyeleti alkalmazások is lehetnek. Ezek a rendszerek fizikailag már most is kölcsönhatásban állnak, még akkor is, ha külön tervezik és kezelik őket.
A hálózattól a folyamatig terjedő koncepció felismeri ezt a fizikai kölcsönhatást, és összehangoltabb tervezési és üzemeltetési keretet igyekszik biztosítani.
A projektcsapatok számára ez javíthatja a rendszerek tervezése, üzembe helyezése, hibaelhárítása és későbbi bővítése során szükséges koordinációt.
A bányászaton és a fémiparon túl
Bár a kezdeti célterület a bányászat és a fémipar, ugyanezek a mérnöki alapelvek más, jelentős energiaigényű ágazatokban is alkalmazhatók.
A gyártóüzemek, adatközpontok, vegyipari létesítmények, közlekedési infrastruktúrák és más nagy ipari telephelyek egyre inkább a nagy villamosenergia-ellátási rendelkezésre állástól és a szigorúan szabályozott termelési folyamatoktól függenek.
A villamosítás bővülésével az „energiarendszer” és a „termelési rendszer” közötti különbség üzemeltetési szempontból egyre kevésbé lesz értelmezhető.
Mit jelent ez az ipari automatizálás számára?
A Hitachi Energy és a Rockwell Automation együttműködése az ipari mérnöki munka szélesebb irányát tükrözi: a villamos infrastruktúra egyre láthatóbb részévé válik a termelési teljesítménynek.
A hosszú távú lehetőség nem pusztán az, hogy a villamos berendezéseket az automatizálási hálózatokhoz kapcsolják. Olyan architektúra létrehozása a cél, amelyben a villamosenergia-ellátás feltételei, a termelési követelmények, az eszközök kihasználtsága és az energiafogyasztás együttesen vehetők figyelembe.
Az ipari automatizálási mérnökök számára ez azt jelenti, hogy a jövő üzemi architektúrái várhatóan szorosabb koordinációt igényelnek a villamosenergia-elosztás, a védelem, a hajtások, a PLC/DCS-platformok, az ipari hálózatok, az energiagazdálkodás és a digitális üzemeltetés között.
A gyakorlati eredmény attól függ, hogyan ültetik át a vállalatok a koncepciót konkrét architektúrákba és ipari alkalmazásokba. A műszaki irány azonban egyértelmű: az ipari folyamatok fokozódó villamosításával a villamosmérnöki és az automatizálási mérnöki munkát egyre inkább ugyanazon rendszer részeként kell megtervezni.
