Việc điện khí hóa ngày càng tăng tại các cơ sở công nghiệp đang làm thay đổi cách thiết kế, vận hành và mở rộng nhà máy. Không thể tiếp tục xem hạ tầng điện như một lớp tiện ích riêng biệt với hệ thống tự động hóa sản xuất. Nhận thấy sự chuyển dịch này, Hitachi Energy và Rockwell Automation đã công bố hợp tác tập trung vào kiến trúc tích hợp từ lưới điện đến quy trình, kết nối hạ tầng điện với các hệ thống tự động hóa và kỹ thuật số phục vụ sản xuất.
Từ các hệ thống riêng biệt đến kiến trúc từ lưới điện đến quy trình
Theo cách làm truyền thống, phân phối điện, chất lượng điện năng, bảo vệ, quản lý năng lượng, điều khiển quy trình và tự động hóa sản xuất thường được thiết kế như những lĩnh vực kỹ thuật riêng biệt. Cách tiếp cận này có thể tạo ra ranh giới giữa các hệ thống cung cấp năng lượng và các hệ thống tiêu thụ năng lượng.
Cách tiếp cận mà Hitachi Energy và Rockwell Automation đề xuất hướng đến một kiến trúc phối hợp chặt chẽ hơn. Kiến trúc này kết hợp chuyên môn về kết nối lưới điện, chất lượng điện năng, bảo vệ và điều khiển, quản lý năng lượng, tự động hóa quy trình và vận hành số.
Xét từ góc độ kỹ thuật, giá trị của khái niệm này không chỉ nằm ở việc đưa nhiều hệ thống hơn vào cùng một mạng lưới. Thay đổi quan trọng hơn là khả năng đưa điều kiện điện và yêu cầu sản xuất vào cùng một mô hình lập kế hoạch và vận hành.
Vì sao điện khí hóa ngày càng là vấn đề sản xuất
Điện khí hóa công nghiệp ngày càng gắn với năng lực sản xuất, thay vì chỉ được xem là một dự án năng lượng hoặc phát triển bền vững.
Nhu cầu điện cao hơn có thể ảnh hưởng đến công suất trạm biến áp, cấu trúc phân phối điện, chất lượng điện năng, phối hợp bảo vệ, hệ thống động cơ, bộ truyền động và khả năng sẵn sàng của thiết bị sản xuất. Đồng thời, những thay đổi trong quy trình sản xuất có thể trực tiếp làm thay đổi tải điện và yêu cầu vận hành.
Điều này tạo ra mối quan hệ hai chiều: hệ thống điện ảnh hưởng đến sản xuất, trong khi hoạt động sản xuất quyết định cách thiết kế và vận hành hệ thống điện.
Do đó, kiến trúc từ lưới điện đến quy trình có thể cung cấp một khuôn khổ chung để xem xét những mối phụ thuộc này trong quá trình thiết kế kỹ thuật, chạy thử và vận hành nhà máy.
Khai khoáng và luyện kim là lĩnh vực ứng dụng ban đầu
Khai khoáng và luyện kim sẽ là trọng tâm ban đầu của sự hợp tác. Đây là lĩnh vực cho thấy rõ vì sao cần xem xét đồng thời hạ tầng điện và hệ thống tự động hóa.
Các quy trình như nghiền, xay, vận chuyển và chế biến khoáng sản tiêu thụ lượng điện năng đáng kể. Vì vậy, sự cố gián đoạn hoặc suy giảm chất lượng điện năng có thể ảnh hưởng đến mức độ sử dụng thiết bị, tính liên tục của sản xuất và chi phí vận hành.
Các công ty khai khoáng cũng đang chịu áp lực phải tăng công suất đồng thời hiện đại hóa các cơ sở hiện có. Điện khí hóa bổ sung thêm một biến số kỹ thuật cho các dự án vốn đã bị giới hạn bởi vốn đầu tư, hạ tầng và yêu cầu chạy thử.
Các công ty dẫn nguồn phân tích ước tính rằng chi tiêu vốn tăng trưởng để mở rộng công suất khai khoáng mới có thể đạt khoảng 1 nghìn tỷ USD trong thập kỷ tới.
Chất lượng điện năng là một phần của hiệu suất tự động hóa
Một yếu tố kỹ thuật quan trọng cần cân nhắc là chất lượng điện năng.
Các kỹ sư tự động hóa thường tập trung vào khả năng sẵn sàng của bộ điều khiển, dự phòng mạng, hiệu suất I/O, thiết bị đo lường và logic điều khiển. Tuy nhiên, những hệ thống này rốt cuộc phụ thuộc vào hạ tầng điện phải đảm bảo chất lượng điện áp phù hợp, khả năng bảo vệ và tính liên tục.
Động cơ công suất lớn, bộ truyền động tốc độ thay đổi, bộ biến đổi và các thiết bị điện tử công suất khác có thể gây nhiễu điện hoặc tạo ra các dạng phụ tải khắt khe. Ngược lại, điều kiện điện không ổn định có thể ảnh hưởng lan truyền đến thiết bị tự động hóa và quy trình sản xuất.
Do đó, việc tích hợp thông tin về chất lượng điện năng với dữ liệu tự động hóa và vận hành có thể đem lại cái nhìn toàn diện hơn về hiệu suất nhà máy.
Bảo vệ và điều khiển cần bối cảnh vận hành tốt hơn
Các hệ thống bảo vệ truyền thống hoạt động theo các thông số điện và sơ đồ bảo vệ được xác định trước. Trong khi đó, tự động hóa quy trình phản ứng với điều kiện sản xuất và trạng thái thiết bị.
Việc tích hợp sâu hơn giữa hai lĩnh vực này có thể giúp đội ngũ vận hành hiểu các sự kiện điện trong bối cảnh của tài sản sản xuất. Chẳng hạn, có thể đánh giá một sự cố điện không chỉ như một sự kiện bảo vệ mà còn xét đến những hệ thống sản xuất bị ảnh hưởng, mức độ sử dụng thiết bị thay đổi ra sao và có cần khôi phục sản xuất hay không.
Điều này không loại bỏ nhu cầu về các chức năng bảo vệ độc lập. Thay vào đó, nó mở ra cơ hội trao đổi thông tin tốt hơn giữa hệ thống bảo vệ, điều khiển điện, tự động hóa quy trình và các hệ thống giám sát.
Vận hành số tạo nên lớp kết nối
Khi một cơ sở công nghiệp đi vào hoạt động, sự kết hợp giữa điện khí hóa, tự động hóa và công nghệ số có thể cung cấp thông tin về mức tiêu thụ năng lượng, hiệu suất sản xuất và mức độ sử dụng tài sản.
Thông tin này có thể hỗ trợ phân tích vận hành và tạo cơ sở để xác định mối liên hệ giữa tải điện và hoạt động sản xuất.
Theo tôi, đây là một trong những khía cạnh thiết thực hơn của sự hợp tác. Tích hợp số hữu ích nhất khi biến dữ liệu kỹ thuật vốn bị cô lập thành thông tin mà người vận hành và đội ngũ bảo trì có thể sử dụng. Chỉ thu thập thêm dữ liệu sẽ không cải thiện nhà máy nếu dữ liệu đó không gắn với trạng thái thiết bị, yêu cầu sản xuất và quyết định vận hành.
Lập kế hoạch cho công suất trong tương lai
Hệ thống điện công nghiệp hiếm khi cố định. Công suất sản xuất có thể tăng, các bộ truyền động bổ sung có thể được lắp đặt, thiết bị quy trình mới có thể được đưa vào sử dụng và các nguồn năng lượng thay thế cuối cùng có thể trở thành một phần của cơ sở.
Thiết kế độc lập hệ thống điện và tự động hóa có thể khiến việc mở rộng sau này khó khăn hơn, vì mỗi thay đổi có thể đòi hỏi điều chỉnh trên nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
Ngược lại, một kiến trúc phối hợp có thể tạo nền tảng linh hoạt để tăng công suất sản xuất, mở rộng điện khí hóa và tích hợp các nguồn năng lượng mới.
Điều này đặc biệt phù hợp với các dự án khai khoáng, nơi hạ tầng có thể cần đáp ứng những thay đổi đáng kể trong suốt thời gian vận hành của cơ sở.
Lợi ích kỹ thuật: ít ranh giới hơn
Lập luận kỹ thuật thuyết phục nhất cho sự hợp tác này là giảm ranh giới giữa kỹ thuật điện và kỹ thuật tự động hóa.
Một cơ sở công nghiệp hiện đại có thể bao gồm hệ thống phân phối điện trung thế và hạ thế, thiết bị bảo vệ và điều khiển, động cơ và bộ truyền động, hệ thống PLC hoặc DCS, mạng công nghiệp, thiết bị đo lường, nền tảng quản lý năng lượng và ứng dụng giám sát tài sản. Những hệ thống này vốn đã tương tác với nhau về mặt vật lý, ngay cả khi chúng được thiết kế và quản lý riêng biệt.
Khái niệm từ lưới điện đến quy trình thừa nhận sự tương tác về mặt vật lý đó và hướng đến việc cung cấp một khuôn khổ kỹ thuật và vận hành phối hợp hơn.
Đối với các đội ngũ dự án, cách tiếp cận này có thể cải thiện sự phối hợp trong quá trình thiết kế hệ thống, chạy thử, khắc phục sự cố và mở rộng trong tương lai.
Vượt ra ngoài lĩnh vực khai khoáng và luyện kim
Mặc dù khai khoáng và luyện kim là mục tiêu ban đầu, những nguyên tắc kỹ thuật tương tự cũng có thể áp dụng cho các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng khác.
Các nhà máy sản xuất, trung tâm dữ liệu, cơ sở hóa chất, hạ tầng giao thông và những cơ sở công nghiệp lớn khác ngày càng phụ thuộc vào nguồn điện có độ sẵn sàng cao và quy trình sản xuất được kiểm soát chặt chẽ.
Khi điện khí hóa mở rộng, sự phân biệt giữa “hệ thống điện” và “hệ thống sản xuất” sẽ ngày càng ít ý nghĩa hơn xét từ góc độ vận hành.
Ý nghĩa đối với tự động hóa công nghiệp
Sự hợp tác giữa Hitachi Energy và Rockwell Automation phản ánh xu hướng rộng hơn trong kỹ thuật công nghiệp: hạ tầng điện ngày càng trở thành một thành phần dễ nhận thấy trong hiệu suất sản xuất.
Cơ hội lâu dài không chỉ là kết nối thiết bị điện với mạng tự động hóa. Mục tiêu là tạo ra một kiến trúc có thể xem xét đồng thời điều kiện điện, yêu cầu sản xuất, mức độ sử dụng tài sản và tiêu thụ năng lượng.
Đối với các kỹ sư tự động hóa công nghiệp, điều này có nghĩa là kiến trúc nhà máy trong tương lai có thể sẽ đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ hơn giữa hệ thống phân phối điện, bảo vệ, bộ truyền động, nền tảng PLC/DCS, mạng công nghiệp, quản lý năng lượng và vận hành số.
Kết quả thực tế sẽ phụ thuộc vào cách các công ty chuyển khái niệm này thành những kiến trúc và ứng dụng công nghiệp cụ thể. Tuy nhiên, định hướng kỹ thuật đã rõ ràng: khi các quy trình công nghiệp ngày càng được điện khí hóa, kỹ thuật điện và kỹ thuật tự động hóa ngày càng cần được thiết kế như những phần của cùng một hệ thống.
