radiowe znakowanie majątku sieciowego...radiowe znakowanie majątku sieciowego autorzy: rene...
TRANSCRIPT
Radiowe znakowanie majątku sieciowego
Autorzy: Rene Kuczkowski - Biuro Strategii i Zarządzania Projektami Enea Operator
Dariusz Duda - Biuro Innowacji i Nowych Technologii Enea
("Energia Elektryczna" - 3/2106)
W dobie powszechnej cyfryzacji i globalizacji na znaczeniu zyskuje wysokiej jakości
informacja. Rozwiązania smart, automatyzacja sieci, posiadanie dokładnych i precyzyjnych
informacji stają się niezbędnym elementem działania operatora sieci dystrybucyjnej. Dlatego
też Enea Operator, jako pierwszy OSD w Polsce, wdraża znakowanie majątku sieciowego
przy pomocy systemu radiowej identyfikacji RFID.
Punktem wyjścia do pozyskania informacji w spółce dystrybucyjnej jest odpowiednio
zinwentaryzowany majątek sieciowy. Sytuacja sektora elektroenergetycznego w Polsce
wynika z przemian gospodarczych, którym był on poddany w ciągu ostatnich 25 lat.
Wieloletnie zmiany organizacyjne oraz konsolidacja i przekształcenia w ramach spółek
energetycznych spowodowały, że stosowane były i są różne formaty informacji do numeracji
słupów, transformatorów czy też liczników. Dużym wyzwaniem jest przeprowadzenie
jednorazowej identyfikacji całości posiadanego majątku sieciowego w celu standaryzacji
oznaczeń na poziomie całej spółki.
Na horyzoncie pojawiła się technologia identyfikacji obiektów przy wykorzystaniu fal
radiowych, zwana również RFID (ang. Radio-Frequency Identification). Ogólna zasada
działania systemu RFID polega na komunikacji radiowej pomiędzy nadajnikiem (czytnikiem)
a transponderem (znacznikiem, tagiem). W zależności od stosowanej częstotliwości radiowej,
komunikacja odbywa się przy pomocy sprzężenia indukcyjnego (częstotliwości LF i HF) bądź
magnetycznego (częstotliwości UHF oraz mikrofale).
Rys. 1. Ogólny schemat działania technologii RFID
Antena czytnika (zespolona, jako jedno urządzenie, bądź wyprowadzona na zewnątrz) nadaje
odpowiedni sygnał radiowy. Sygnał, przetworzony przez identyfikator, służy do zasilenia
mikroukładu taga. Transponder, posiadający wprowadzone dane, dokonuje modulacji sygnału
i jego zwrotu do czytnika w ustalonym formacie. Informacja zwrotna zostaje przesłana z
czytnika do odpowiedniego oprogramowania, a następnie podlega przetworzeniu przez
system bazodanowy.
Ogólną budowę znacznika stanowią trzy części. Pierwszą z nich jest antena, która odpowiada
za komunikację bezprzewodową. Druga to mikrochip, który posiada zakodowane dane
dotyczące sterowania oraz pamięć przechowującą zakodowane dane. Dodatkowo, w
zależności od użytej technologii, tag może być wyposażony w układ zasilania dla
podtrzymania aktywności transpondera (rozwiązania tzw. aktywnych znaczników).
Podtrzymanie aktywności jest szczególnie zasadne, gdy do znacznika dołączone są
dodatkowe czujniki, umożliwiające monitorowanie np. temperatury zewnętrznej bądź
śledzenie lokalizacji w czasie rzeczywistym.
Rys. 2. Budowa znacznika RFID HF
Na rynku dostępne są różne rozwiązania w zakresie znaczników RFID. Pomimo że schemat
ich budowy jest taki sam, często mają konstrukcję odmienną, dostosowaną do konkretnego
zastosowania. Dla obiektów ruchomych najczęściej stosowane są naklejki wyposażone w
moduł RFID, które pozwalają na odczyt podczas całego łańcucha logistycznego. Do takich
celów wprowadzono tzw. hard tagi, czyli znaczniki zatopione w odpornej na czynniki
zewnętrzne obudowie z tworzywa sztucznego.
Nie bez znaczenia pozostaje również kwestia wspomnianej wcześniej częstotliwości pracy.
Obecnie stosowane RFID pracują w 3 pasmach częstotliwości:
- niskiej (LF 10-500 kHz),
- wysokiej (HF 10-15 MHz),
- ultra wysokiej (UHF 860-960 MHz).
Główną różnicę pomiędzy poszczególnymi pasmami stanowi zasięg odczytu. Wychodząc od
odległości mniejszych niż 0,5 m dla pasma LF, kończąc na około 10 m zasięgu dla
częstotliwości UHF. Teraz najpopularniejsze rozwiązania oparte są na paśmie HF, co
spowodowało znaczne obniżenie kosztów produkcji tej grupy urządzeń. Są one coraz szerzej
wykorzystywane dla potrzeb płatności zbliżeniowych (np. PayPass), bądź przy kontroli
przepływu pracowników (karty identyfikacyjne). Coraz śmielej na rynek wchodzą
rozwiązania w paśmie UHF, co jest spowodowane spadkiem ich cen, przy jednoczesnym
zachowaniu dużej odległości odczytu.
Wdrożenia systemów klasy AMI, GIS czy SCADA, a także ciągła konieczność usprawniania
pracy brygad sieciowych stawia przed Enea Operator nowe wyzwania z zakresu zarządzania
majątkiem sieciowym. Dotychczasowe rozwiązania ograniczają możliwości ewidencyjne
majątku do rzadko aktualizowanego spisu, który nie zawsze na bieżąco odzwierciedla
rzeczywistość.
Poszukiwanie nowych i względnie łatwych w zastosowaniu rozwiązań doprowadziło do
decyzji o przeprowadzeniu testów wdrożeniowych technologii RFID. Po uwzględnieniu
możliwości tej technologii w zakresie dostępnych pasm częstotliwości, zdecydowano o
testowaniu jednego zakresu – UHF, który umożliwia największą odległość odczytu. Dla
unifikacji rozwiązania w skali spółki zdecydowano o wyborze jednej, konkretnej
częstotliwości pracy. Objęte pilotażem obszary geograficzne miały za zadanie oddać jak
najpełniej przekrój posiadanej infrastruktury energetycznej. Wybrano trzy Rejony
Dystrybucji: Szczecin, Poznań i Inowrocław.
Zakres zadania obejmował instalację i przetestowanie użyteczności operacyjnej technologii
RFID w celu ewidencji elementów elektroenergetycznych. Ze względu na badawczy
charakter pilotażu nie zdecydowano o formie zapisu danych bezpośrednio w transponderach
instalowanych na sieci. Założono, że należy przeprowadzić test technologii zarówno z
wykorzystaniem ręcznej modyfikacji danych zapisanych w tagach, jak i poprzez dedykowany
system z predefiniowaną bazą majątku sieciowego. Założenia obejmowały również
konieczność doboru i późniejszej rekomendacji standardu tagów w zależności od
zastosowanego materiału, tj.:
- uniwersalne,
- na metal,
- na szkło, tworzywo,
- plomby licznikowe,
- tagi transformatorowe,
- tagi na słupy.
Sprawdzono również aspekty montażu, które uwzględniały takie zagadnienia jak:
rozróżnialność tagów od transponderów innych firm, miejsce montażu na każdym z obiektów,
sposób przygotowania powierzchni przed montażem, niezbędne narzędzia do pracy z
systemem RFID, a także testy i inwentaryzację po poprawnie zrealizowanej ewidencji. Kilka
miesięcy pilotażu w 2015 roku pozwoliło na sprawdzenie użyteczności operacyjnej systemu
RFID w skrajnych warunkach atmosferycznych, szczególnie w górnym zakresie temperatur
oraz dużej wilgotności.
Rys. 3. Wybrane typy znaczników RFID
Ze względu na charakter otoczenia, w jakim znajdowały się znaczniki, konieczne było
również sprawdzenie wpływu pola elektromagnetycznego na poprawność i szybkość odczytu
znaczników. Z tych samych powodów przeprowadzono kontrolę odporności na ewentualne
sabotaże i wandalizm, na które nieustannie narażona jest infrastruktura sieciowa. Opracowano
listę typów urządzeń, które poddano testom.
Rys. 4. Wybrane rodzaje czytników stosowanych w trakcie testów przez Enea Operator
Znalazły się na niej:
- kolektory danych dużej mocy – zintegrowane urządzenia mobilne umożliwiające odczyt
RFID oraz tradycyjnych kodów kreskowych na potrzeby ewidencji transformatorów i słupów
z bezpiecznej odległości,
- kolektory i czytniki małej mocy dla inkasentów,
- czytniki małej mocy do współpracy z tabletami monterów elektroenergetycznych.
Jednym z głównych wyników testów był czas, jaki jest potrzebny na przeszkolenie oraz
późniejsze znakowanie majątku przez oddelegowane ekipy terenowe. Założeniem było
maksymalne skrócenie czasu, aby czynność była możliwie mało uciążliwa oraz nie wymagała
dodatkowych godzin pracy.
Testowanie nowego rozwiązania ewidencjonowania majątku sieciowego rozpoczęto w spółce
na początku ubiegłego roku od opracowania koncepcji. Już w kwietniu 2015 uruchomiono
prace na obszarze wymienionych trzech Rejonów Dystrybucji. Prace prowadzone były
zgodnie z przyjętym harmonogramem.
Rys. 5. Harmonogram prac związanych z projektem RFID
Po zakończeniu badań opracowano raport, który uwzględniał:
- rekomendację dotyczącą typu stosowanego taga (jego parametrów technicznych,
wytrzymałościowych oraz sposobu montażu) w zależności od typu elementu, na którym ma
być umieszczony,
- dokumentację w zakresie przeprowadzonych badań wpływu pola elektromagnetycznego,
warunków atmosferycznych oraz ewentualnego sabotażu na poprawność odczytu danych z
taga,
- propozycję instrukcji montażu, obsługi, serwisu tagów i systemu w zależności od typu
urządzeń,
- propozycję systemu i aplikacji do odczytu oraz synchronizacji z wewnętrznymi bazami
danych OSD online oraz offline,
- rekomendację dotyczącą zabezpieczeń przed nieuprawnionym odczytem danych z taga,
- rekomendację w zakresie miejsc, gdzie może być zamontowany tag, zależnie od typu
urządzenia.
Na potrzeby testów, podczas pilotaży wytypowano składniki majątku sieciowego, które
objęto oznaczeniem w technologii RFID. Do wymaganych urządzeń i obiektów zaliczono:
- przyłącze na granicy,
- przyłącze na ścianie,
- licznik w domu,
- układ pośredni,
- układ półpośredni,
- transformator,
- słup drewniany,
- słup żelbetowy,
- słup EPV,
- słup kratownicowy,
- murowana stacja transformatorowa.
Podczas typowania starano się dobrać urządzenia i obiekty umożliwiające przebadanie jak
największego przekroju majątkowego Enea Operator. Ewentualne odstępstwa wynikały z
braku możliwości wejścia na obiekt w czasie trwania projektu. Przykładem jest stacja GPZ,
gdzie ze względu na brak możliwości dokonania wyłączeń w jednym z badanych rejonów, nie
było możliwości przeprowadzenia znakowania. Dla jednej ze słupowych stacji
transformatorowych do zawieszenia znacznika na transformatorze użyto transpondera firmy
Confidex, przynitowanego do testowo zrobionego „haczyka”. Umożliwiło to przymocowanie
taga w przestrzeni pomiędzy żebrami chłodnicy transformatora. Umieszczony na wysokości
ok. 2,5 metra znacznik mógł być odczytany w linii prostej z odległości maksymalnie 5
metrów. Gwarantowany odczyt taga obejmował odległość około 3 metrów.
Rys. 6. Oznakowanie transformatora słupowego w technologii RFID
Rys. 7. Oznakowanie transformatora stacyjnego w technologii RFID
Z uwagi na konieczność wyłączenia stacji GPZ na potrzeby oznakowania, możliwe było
zainstalowanie tagów tylko na jednej stacji GPZ w Rejonie Szczecin.
Tag przymocowano do transformatora przy pomocy dwustronnej taśmy klejącej. Odległość
odczytu pozwoliła na przeprowadzenie dalszej inwentaryzacji bez konieczności wyłączania
stacji.
W przypadku montażu na słupach testowane były różne rodzaje mocowań znaczników.
Rozpoczynając od sprawdzenia możliwości klejenia, przez przykręcenie wkrętami do słupa,
kończąc na wykorzystaniu opasek metalowych, powszechnie stosowanych przy pracach
elektroenergetycznych.
Biorąc pod uwagę powyższe rozwiązania w zakresie montażu na słupach, najbardziej
racjonalnym wydaje się stosowanie opasek metalowych, tak jak to pokazano na przykładzie
słupa wirowanego. Instalacja taga na takim słupie w łatwo dostępnym miejscu ma za zadanie
zbadać odporność tego rozwiązania na ewentualne dewastacje. Obecnie trwa monitoring
znacznika, który przebiega pomyślnie. Dodatkowo odczyt był możliwy z maksymalnej
odległości 3 metrów od słupa w każdą stronę.
Rys. 8. Przykłady oznakowania słupów w technologii RFID
Rys. 9. Szafka licznikowa na terenie Enea Operator
Największe obawy w zakresie możliwości i skuteczności odczytu oraz identyfikacji majątku
Enea Operator obejmowały układy pomiarowe. Niejednokrotnie szafki posiadają kilka
liczników różnego typu, stąd konieczne było sprawdzenie możliwości rozróżniania
poszczególnych elementów.
Po oznaczeniu każdego z liczników w szafce, dostarczone oprogramowanie do odczytu
znaczników umożliwiało identyfikację tagów znajdujących się w obrębie szafki. Zastosowano
znaczniki, których odczyt był możliwy z odległości do 1 metra. W zależność od typu licznika,
należało zastosować dwa typy tagów – do powierzchni metalowych i z tworzyw sztucznych.
Testy wykazały również, iż część ze znaczników posiada mniejszy zasięg odczytu niż
deklaruje producent (faktyczny odczyt był możliwy w niektórych przypadkach z odległości
maksymalnie 5-10 centymetrów).
Pilotażowe testy systemu RFID pokazały różnorodność rozwiązań, jakie można zastosować w
skali spółki. Sprawdziliśmy różne typy znaczników dla każdego z elementów majątku. W
wyniku przeprowadzonych testów zidentyfikowaliśmy problemy dla danej klasy urządzeń:
Liczniki i układy pomiarowe:
- znaczna różnorodność typów, lat produkcji, dostawców – różnice konstrukcyjne
utrudniające zastosowanie jednolitej technologii montażu,
- wystawienie na niekorzystne wahania temperatury,
- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,
- zabrudzenie powierzchni liczników,
- konieczność współpracy z eksploatowanymi tabletami.
Rys. 10. Oznakowanie i lokalizacja licznika oznaczonego tagiem RFID
Słupy:
- różnorodność materiałów konstrukcyjnych,
- wystawienie na niekorzystne działanie środowiska – słońce, woda, śnieg,
- długi wymagany czas eksploatacji znacznika,
- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,
- znaczne zabrudzenie powierzchni słupów – pracochłonne przygotowanie powierzchni
- porowatość powierzchni,
- znaczna liczba słupów – konieczność minimalizacji kosztów znakowania.
Transformatory:
- znaczna różnorodność typów, lat produkcji, dostawców – różnice konstrukcyjne
utrudniające zastosowanie jednolitej technologii montażu,
- zmienna w czasie temperatura podłoża i znacznika – różne współczynniki rozszerzalności
termicznej,
- wystawienie na niekorzystne działanie środowiska – słońce, woda, śnieg,
- długi wymagany czas eksploatacji znacznika (40 lat),
- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,
- znaczne zabrudzenie powierzchni transformatorów – pracochłonne przygotowanie
powierzchni.
Biorąc pod uwagę krótki czas, który minął od zakończenia drugiego etapu testów, uznano, że
należy dalej monitorować stan i możliwości odczytu znaczników. Pomimo wykazanych
problemów, większość transponderów spełniła swoje zadanie i wykazała użyteczność
operacyjną w inwentaryzacji na potrzeby Enea Operator. Podczas konsultacji z firmami
wskazano na możliwość przeprowadzenia dialogu technicznego z wykonawcami i
dostawcami infrastruktury, aby nowe elementy sieciowe miały już w sobie wbudowane tagi
RFID, wykonane zgodnie ze standardem opracowanym przez Enea Operator. W takim
wypadku, po konsultacjach, samoistnie zniknie w perspektywie kilku lat problem z instalacją
tagów przez ekipy monterskie, co pozwoli również na obniżenie kosztów dostarczenia
znaczników, które będą stanowiły składową ceny pojedynczego elementu, np. licznika czy
transformatora.
W związku z pomyślnymi wynikami pilotaży, Enea Operator najprawdopodobniej zdecyduje
się na dalsze kroki w tym kierunku. Na początku planowane jest zastosowanie systemu RFID
kompleksowo na całym obszarze wybranego Rejonu Dystrybucji. Przed rozpoczęciem
wdrożenia konieczna jest szczegółowa analiza dostępnego systemu do gospodarki licznikami,
który będzie połączony z nowym systemem identyfikującym RFID. W przyszłości istnieje
również możliwość wyposażenia magazynu licznikowego oraz narzędziowego w tego typu
rozwiązania. Pozwoli to na automatyczną lokalizację konkretnego licznika, a dodatkowo
możliwy będzie podgląd jego „cyklu życia” w czasie rzeczywistym. Docelowo powinno to
pozwolić na optymalizację stanów magazynowych, zmniejszenie kosztów składowania
nadmiarowego zapasu, a co najistotniejsze – uporządkowanie i skuteczną identyfikację
majątku sieciowego Enea Operator.