Геймификация энергоменеджмента
Концепция четвертой промышленной революции или «Индустрии 4.0» была сформулирована президентом Всемирного экономического форума Клаусом Швабом в Давосе в 2011 г. Её суть, если излагать кратко, состоит в интеграции цифровых интеллектуальных систем управления в производственные процессы, в результате чего весь процесс создания товаров (или значительная его часть) будет проходить без участия человека. Помните, как в фильме «Я, робот»?
Эти управляющие системы в перспективе должны учитывать множество факторов, от температуры окружающей среды, до реальных потребностей рынка. Одно из направлений этой концепции полностью исключает такое явление, как перепроизводство и связанные с ним кризисы. То есть, нужную вам вещь будут изготавливать для вас по запросу на автоматизированной фабрике. При этом вы сможете выбрать из нескольких вариантов дизайна, а также дополнительно кастомизировать устройство.
Концепция «Индустрии 4.0» также подразумевает, что «умная» автоматизация не будет ограничена рамками одного или нескольких предприятий. Перспективной задачей является создание глобальной промышленной сети, объединяющей пользователей, модель их спроса с возможностью предсказания будущих потребностей, производителей и даже обычные устройства, оснащённые беспроводными модулями в рамках идеи «интернета вещей».
Однако, это всё пока ещё только предстоит воплотить в жизнь. Но что можно сделать уже сейчас, чтобы подготовить производство или цифровой бизнес к грядущей промышленной революции? Оказывается, существуют инструменты, работающие не только на перспективу, но и способные принести ощутимую выгоду уже сейчас.
Одним из основных способов внедрения концепции четвертой промышленной революции на практике, является построение цифровой модели потребления производства. Для её реализации на практике используют массив анализаторов электроэнергии, объединённых в единый кластер. Использование модели несёт в себе несколько преимуществ. Прежде всего это управление энергопотреблением и отслеживание эффективности использования ресурсов в реальном времени в зависимости от технологических режимов. Далее, обкатка перед внедрением любых изменений, например, защиты от аварийных ситуаций. И, разумеется, возможность прогнозирования профиля потребления в случае расширения производства. Это позволяет максимально эффективно расходовать денежные и энергоресурсы. Поговорим об этом подробнее.
Любой комплекс оборудования и инженерных систем, включая трансформаторные подстанции и кабельные трассы, представляет собой прежде всего электрическую схему, характер работы и реакции которой на внешние воздействия имеет свой уникальный профиль. Если наблюдать и записывать значения входящих и выходящих параметров на протяжении длительного времени, то можно найти много закономерностей. То есть, даже не зная схемы и параметров системы, только на основе измерений можно построить цифровую модель, которая отражает реальное производство. Это и есть тот самый цифровой портрет, имея который вы получаете возможность эмпирически моделировать режимы работы производства, меняя условия электроснабжения произвольным образом. Кроме того, также можно точно предсказывать отказы или выход из строя технологического и инженерного оборудования. Причём, чем более совершенные измерительные приборы используются, тем точнее и качественнее получается этот портрет. Сегодня существуют анализаторы электросети, способные анализировать около двух тысяч параметров с каждой точки.
А что насчёт существующих систем? АСКУЭ ведь тоже автоматически собирает информацию об энергопотреблении. Верно, но эта система морально устарела: пятнадцатиминутные интервалы опроса не помогут выявить причину аварии, ведь иногда события, которые длятся около 40 мкс, могут иметь катастрофические последствия для производства. Поэтому энергоменеджмент призван не только учитывать общее потребление и его оптимизацию, но и отслеживать качество самой электроэнергии, чтобы убытки от отказа оборудования не делали экономию от контролируемого расхода ресурсов бессмысленной.
Но самое главное заключается даже не в самих измерениях, а в том, что эти результаты необходимо правильно интерпретировать. И весь этот массив данных может дать пользователю гораздо больше информации о производстве, чем традиционные методы сбора статистики.
Например, непрерывный мониторинг работы внешних энергосетей позволяет оценить соответствие качества энергоснабжения существующим стандартам. Фактическая информация помогает заранее спрогнозировать риски, связанные с изменением режимов работы поставщиков электроэнергии, например, при строительстве новых линий или при подключении других потребителей поблизости. Кроме того, можно точно оценить уровень сезонных кратковременных провалов напряжения и смоделировать условия при которых влияние на надёжность работы предприятия будет критическим. А дальше, исходя из полученных результатов, понять эффективность использования тех или иных средств защиты – статического или динамического источника бесперебойного питания (ИБП), стабилизатора, дизельного генератора или новой выделенной линии – и сделать обоснованный выбор. Предупреждён – значит вооружён.
Далее, заявленные в документации характеристики технологического и инженерного оборудования совпадают с реальными только при определённых условиях, называемых рабочими режимами. Любое изменение питания в сети, такие как скачки напряжения, большие пусковые токи и помехи от другого оборудования, способны изменить эти характеристики и привести к преждевременному износу и выходу из строя. Поэтому так важно постоянно отслеживать качество энергоснабжения. Кроме того, цифровая модель предприятия позволяет оценить эффективность использования оборудования в расчёте на единицу выпускаемого продукта (индекс KPI).
Случайные события в системе электроснабжения, приводящие к остановкам оборудования, сложны для анализа в силу невозможности предсказать следующее событие. Однако, постоянный мониторинг электросети с выборкой от 24 кГц позволяет фиксировать их все. И дальнейший разбор полученных данных – фильтрация по степени критичности, сопоставление их с режимами работы питающих электросетей, а также внутренними производственными процессами – позволяет выяснить их причины и принять обоснованное решение для защиты от подобных событий в будущем. И – самое главное – исключить из этого процесса слабое звено: человеческий фактор.
Требованиям по контролю сопротивления изоляции уже много десятков лет. От этого напрямую зависит работоспособность оборудования, и, как следствие, безаварийная работа всего предприятия. Если на предыдущем этапе развития промышленности проверка сопротивления изоляции была прописана в нормативных документах, как периодическая процедура, то сейчас современное измерительное оборудование способно отслеживать качество изоляции постоянно и в реальном времени.
В общем, уже сейчас понятно, что информация – это товар и валюта будущего. А центры обработки данных (ЦОД) – это фабрики индустрии будущего, где доля информационных технологий будет только увеличиваться. С точки зрения системы электроснабжения и инженерной инфраструктуры это такое же ответственное и непрерывное производство, как и классическая индустрия, а значит так же требовательно к обеспечению надёжного и постоянного обеспечения электроэнергией. Однако, как всегда, есть и свои особенности, которые часто могут стать критическими.
Несмотря на то, что современные ЦОД проектируются и строятся с учётом всех современных требований по резервированию электропитания, аварии на них не просто возможны, а регулярно случаются. При этом, чтобы не портить статистику, о них обычно не распространяются. Только о самых крупных сбоях становится известно, и то, только когда подключается пресса, и пресс-служба ЦОД вынуждена комментировать ситуацию. Причин такому положению дел, как обычно, несколько.
Во-первых, зачастую в таких компаниях за энергоснабжение отвечают люди, которые ближе к информационным технологиям, чем к энергетике. Нет, они отличные специалисты в своей области, однако для обеспечения бесперебойной работы нужен опыт и знания о неочевидных особенностях функционирования электросетей, а также глубокое понимание протекающих в них процессов. Например, масштабирование в IT работает отлично, а в энергетике нужно учитывать множество физических факторов.
Во-вторых, бесплатные программы, которые используются для мониторинга, ограничены шириной последовательного канала с частотой 1-3 измерения в секунду. Для диагностики причины нештатной работы ИБП или ложного срабатывания автомата требуется осциллограмма с частотой измерений от 10 до 25 кГц. Только так можно отследить процессы от 50 мкс (время, достаточное для выхода из строя блока питания) и события от 20 мс (минимальное время срабатывания автоматического выключателя). Поэтому без современного инструментария даже приблизительно нельзя указать причину аварии.
В-третьих, учитывая, что простои для ЦОД весьма критичны, обычно стараются как можно быстрее устранить аварии и ввести сервера в работу. Разбираться с истинными причинами отказов, как правило, нет времени. А значит риск повторного отказа сохраняется. Руководство и ответственные за энергоснабжение при этом сохраняют спокойствие, ведь на случай отключения питания есть резервирование. Однако на практике возможна следующая ситуация. После окончания пусконаладочных работ и введения ЦОД в полноценную работу все идёт, как по маслу: нагрузки распределены равномерно по всем трём фазам и всё многократно проверено. Но в процессе работы почти сразу возникает необходимость переподключения тех или иных серверов. Процесс отслеживания перемещения нагрузки, как правило, налажен крайне слабо. В итоге спустя некоторое время происходит перекос распределения мощностей по фазам: какие-то линии оказываются перегружены более чем на 50-60%. В случае отказа одной из таких фаз резервирующие устройства моментально переключают серверы на другую линию питания и мощность, суммируясь с уже существующей нагрузкой, легко переваливает за 100%, вызывая срабатывание защитной автоматики. Как следствие – длительный простой. Кстати, это не выдумки, а реальный случай из практики.
В-четвертых, ЦОД с точки зрения электроснабжения, это, в первую очередь, набор импульсных блоков питания, которые генерируют множество гармоник. Последствия их возникновения вполне реальны и состоят в возникновении асимметрии в трёхфазных питающих системах, ложных срабатываниях автоматов и переключателей в распределительных сетях, появлении шума в сетях связи, а также нагреве обмоток трансформаторов и двигателей, приводящем к ускоренному старению электроустановок и выходу их из строя. И чтобы выбрать защиту от гармоник для оборудования, нужно понимать характер и величину проблем.
С этими и многими другими задачами вполне способен справиться энергоменеджмент. И это не просто модный термин, а комплекс организационных изменений в системе управления энергохозяйством с целью повышения энергоэффективности предприятия.
Энергоменеджмент несёт не только очевидные преимущества для производств и ЦОД. Он кардинально меняет весь процесс управления энергоснабжения компании на концептуальном уровне. Однако, он может быть неэффективен без инструмента, который позволит реализовать методологию PDCA (Plan-Do-Check-Act, иначе говоря Планирование-Действие-Проверка-Корректировка – циклически повторяющийся процесс принятия решения, используемый в управлении качеством) не на уровне указаний руководства, а на уровне реального понимания ситуации. Сотрудники, непосредственно выполняющие, например, наряды мастера цеха, получают в помощь инструмент, чьи показания основаны на объективной информации и результатах работы аналитических алгоритмов.
Кроме того, часто «низы» недостаточно замотивированы, а «верхи» не имеют инструментов аргументированного контроля. Поэтому человеческий фактор при внедрении новых организационных мер может погубить все начинания и скатиться в формалистику, сведя результат к минимуму. В качестве выхода возможно подойдёт внедрение геймификации – игровых элементов с возможностью поощрения. Таким образом, возрастает вовлеченность персонала в рабочий процесс, поскольку появляется не только персональная ответственность за происшествия, но и обратная связь – возможность влиять на процессы управления. Технологи производства, отслеживая правильно интерпретированные данные, способны сразу же распознать опасную ситуацию или возможности для экономии ресурсов, ведь и в том, и в другом случае они мотивированы на получение личных выгод. Так что, геймификация отлично подходит и взрослым.
Система, описанная выше, может показаться громоздкой и сложной для внедрения и дальнейшей работе с ней. Но это не так. Установку можно начать с одного анализатора электроэнергии, смонтированного на точке разграничения балансовой принадлежности. Чтобы было понятно, насколько это просто, отметим, что компактный анализатор электроэнергии для непрерывного мониторинга Janitza UMG512E-PRO можно установить без отключения питания. Нужно всего лишь смонтировать трансформаторы тока на питающие кабели в главном распределительном щите. Встроенной памяти хватает на срок от нескольких недель до месяцев автономного измерения. Кроме того, этот анализатор относится к измерительным приборам класса А, внесён в реестр средств измерений и соответствует европейским и российским стандартам по качеству электроэнергии. В него уже встроен web-сервер, к которому можно подключиться с помощью любого компьютера, планшета или смартфона, и прямо в браузере провести анализ измеренных данных, а также посмотреть подробные графики случайных событий, записанных с выборкой на частоте 24кГц.
Для интерпретирования результатов используется фирменное программное обеспечение Gridvis, которое является полноценной SCADA-системой и позволяет настраивать оборудование, считывать, хранить и архивировать данные, отображать, анализировать и оценивать результаты измерений, а также составлять различные отчёты. Их перечень обширен: соответствие качества питания ГОСТ, провалы напряжения, переходные процессы, пусковые токи, уровень гармоник, коэффициент мощности, время простоя оборудования, степень загруженности системы электроснабжения и многое другое. Кроме того, можно экспортировать результаты в табличном и текстовом формате, а для использования в других системах есть интерфейсы обмена между базами данных. Вся работа ведётся через веб-интерфейс, причём передача данных осуществляется в зашифрованном виде, а ЦОД компании находится в Германии.
Подводя итог, наша система будет уметь:
- автоматизировано собирать, хранить, обрабатывать, анализировать и визуализировать данные в единой системе;
- сопоставлять параметры электроэнергии, поступающие от поставщиков электроэнергии и из собственных источников электроснабжения, с требованиями стандартов;
- непрерывно измерять потребление электроэнергии на важных участках производственного процесса;
- определять тренды потребления мощности, пусковые токи, гармонические искажения тока и напряжения во внутренней сети электроснабжения;
- формировать цифровой портрет системы электроснабжения предприятия, который позволить сделать реальное производство максимально устойчивым к любым внешним воздействиям, оптимизировать энергопотребление и повысить энергоэффективность;
- исключить человеческий фактор при сборе данных и оценке эффективности модернизаций и испытаний.
Энергоменеджмент – гораздо больше, чем просто автоматический учёт электроэнергии. Это глобальная и всеобъемлющая система, открывающая огромные возможности. Уже сегодня можно с уверенностью утверждать, что это реально работающий способ оптимизации энергопотребления, а значит и экономии средств без ухудшения качества производства, рабочих процессов и условий эксплуатации оборудования.
Мониторинг показателей качества электросети – это современный инструмент контроля энергоснабжения. Позвоните нам сегодня и смонтируйте хотя бы одну автономную точку учёта под ключ с ПО и обучением специалистов всего за 100 000 рублей, чтобы быть в курсе ситуации в вашей энергосистеме.
