«Интернет вещей» и новый подход к обслуживанию электрооборудования

Любая технология признается полезной, если для нее есть так называемое «убойное приложение» (killer application) — решение, которое не может быть реализовано иначе (или может быть реализовано, но на порядок дороже), чем с ее использованием. Для «интернета вещей» применительно к электроэнергетике таким killer application стала новая методика технического обслуживания.

При разработке электрооборудования одним из важнейших параметров, на которые ориентируются конструкторы, является срок службы. Он может быть установлен отраслевыми нормами, техническим заданием заказчика или же диктоваться требованиями рынка (сделаем срок службы больше, чем у конкурентов). Разработка современной техники — это всегда компромисс между ее долговечностью и стоимостью. Оптимальный вариант с точки зрения экономики — когда расчетный срок службы изделия примерно соответствует сроку его морального устаревания. То есть потратили на изготовление оборудования ровно столько, чтобы оно проработало до смены поколений техники. Если потратим меньше — после выхода из строя оборудования на его место устанавливается примерно такое же и быстро устаревает. Если сделаем очень долговечное и при этом, естественно, дорогое оборудование, то часть денег будет израсходовано впустую. Из-за смены поколений техники оборудование будет выброшено на помойку (прошу прощения у экологов — конечно же, направлено на утилизацию) задолго до того, как оно выработало бы свой ресурс.

В течение назначенного срока службы оборудование должно быть безопасным для пользователей и обслуживающего персонала, характер неисправностей подразумевает возможность их устранения в разумные сроки, производитель обеспечивает поставку оригинальных запасных частей. Но, самое главное, вероятность выхода оборудования из строя в течение данного срока не должна превышать заданной величины.

Интенсивностью отказов называют отношение числа отказавших объектов в единицу времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными. В первые часы работы оборудования интенсивность отказов относительно велика — проявляются явные заводские дефекты. Далее интенсивность отказов резко снижается и начинает медленно расти на протяжении нескольких лет. Ближе к концу срока службы она вновь резко возрастает.

Не следует путать назначенный срок службы и гарантийный срок, установленный на оборудование. В период гарантийного срока производитель или поставщик продукции берет на себя обязательство оплатить устранение неисправностей, возникших по вине производителя. Но и после окончания гарантийного срока, в пределах заявленного срока службы, производитель несет ответственность за безопасность оборудования. Также в течение заявленного срока службы производитель обязан обеспечить поставку оригинальных запасных частей — для бытовой техники это закреплено в Законе о защите прав потребителей, для b2b сектора прописывается в соответствующих соглашениях между хозяйствующими субъектами.

Для того, чтобы оборудование проработало установленный срок и, может, даже больше, периодически требуется его обслуживать — тестировать, настраивать, менять быстро изнашивающиеся элементы и т.п. Согласно парадигме, действовавшей до появления «Интернета вещей», все это производилось в рамках так называемых плановых (регламентных) работ. В прилагаемом к оборудованию руководстве по эксплуатации, или в отраслевых нормах, или в официальных рекомендациях ведущих отраслевых институтов указывается последовательность работ согласно определенному расписанию.

Порядок установления срока службы, назначения планового обслуживания, списания выработавшего свой ресурс оборудования и некоторые другие сопряженные с этим вопросы для оборудования общего назначения (в том числе и в электроэнергетике) рамочно регулируются межгосударственным стандартом «ГОСТ 33272-2015 Безопасность машин и оборудования. Порядок установления и продления назначенных ресурса, срока службы и срока хранения. Основные положения». Он действует в России, Армении, Беларуси, Киргизии, Казахстане и Таджикистане.

Продление срока службы

Установленный срок службы мощных трансформаторов, используемых на подстанциях, составляет 25—30 лет. Тем не менее в нашей стране их обычно эксплуатируют значительно дольше указанного срока. При традиционном подходе продление срока эксплуатации может легально осуществляться одним из следующих способов:

1) Решением производителя оборудования.

Например, производитель решил, что накопленная за время эксплуатации оборудования статистика позволяет ему утверждать, что в реальности срок службы больше, чем изначальное расчетное значение.

2) Решением ведущего отраслевого института.

Научная организация, признанная государством ведущей по данному направлению, выпускает официальную рекомендацию, что при соблюдении определенных условий срок службы оборудования может быть увеличен.

3) На основании процедуры и нормативов, описанных в стандарте организации (СТО).

В качестве примера можно привести СТО ПАО «РусГидро» 02.03.77-2015 «Гидроэлектростанции. Продление срока службы основного оборудования в процессе эксплуатации. Нормы и требования». Такой подход применяется в основном в крупных системообразующих компаниях.

4) Посредством оценки комиссии экспертов.

Комиссия оценивает безопасность оборудования, его ремонтопригодность, эффективность выполнения им своих функций. Исходя из этого комиссия принимает решение, что делать с оборудованием — списать, направить на капитальный ремонт (если конструкция оборудования это допускает) или продолжить его эксплуатировать. Такая комиссия должна собираться регулярно (рекомендуется делать это раз в год).

Следует отметить, что, если срок службы был продлен на основании СТО или заключении комиссии экспертов, то какая-либо ответственность с производителя снимается, за вопросы безопасности полностью отвечает компания, эксплуатирующая оборудование.

Дорогое удовольствие?

Согласно ГОСТ 27.002-89. «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения», предельное состояние оборудования — это такое состояние, при котором продолжение его эксплуатации невозможно или нецелесообразно. Ситуация, когда эксплуатировать оборудование невозможно, понятна. А что подразумевать под «нецелесообразностью»?

Дело в том, что при традиционном подходе эксплуатация оборудования сверх установленного производителем срока является скорее роскошью. Старое оборудование требует более частого обслуживания, соответственно, придется задействовать большее количество ремонтно-эксплуатационных бригад. Ежегодно собирать комиссию из специалистов высокой квалификации — тоже недешево. Даже если решение о продлении срока было при-нято головной отраслевой организацией, все равно на соответствующее исследование были потрачены деньги.

Позволить себе такую роскошь могли разве что в СССР да в России в первые постсоветские годы. Для этого нужен избыток качественных инженерных кадров, готовых работать за суммы, на порядок меньшие, чем у их западных коллег.

Даже в Словении, не самой богатой европейской стране, трансформаторы на подстанциях меняют каждые 20 лет. Может трансформатор работать дальше, не может — все равно меняют. Потому что в условиях экономики данной страны решать вопрос о продлении срока службы оборудования и держать дополнительные ремонтно-эксплуатационные бригады дороже, чем купить новый трансформатор. Это и есть разновидность перехода оборудования в предельное состояние — экономическая нецелесообразность дальнейшей эксплуатации.

В России мы тоже постепенно приближаемся к такой ситуации, когда старое оборудование дешевле списать, чем возиться с поддержанием его работоспособности. Другой вопрос, что тарифы на электроэнергию у нас раза в полтора меньше, чем в Словении, где частая замена трансформаторов включена в стоимость электричества. Да и энергоемкость промышленности выше просто по объективным причинам — намного более суровый климат.

Тем не менее решить проблему снижения затрат на эксплуатацию без частой замены оборудования возможно благодаря применению цифровых технологий.

Датчики повсюду

В настоящее время для обслуживания техники применяются одновременно два подхода. Первый — регламентное обслуживание, о котором говорили выше. Второе — обслуживание по событию, когда ремонт осуществляется при возникновении неисправности.

Революционные изменения в энергетике может дать внедрение третьего подхода — обслуживания оборудования по состоянию.

На оборудовании устанавливается большое количество разнообразных датчиков, работающих в реальном времени. Например, датчики температуры, влажности, вибрации и т.п. Получаемая с них информация поступает на компьютер, который делает прогноз о состоянии оборудования в ближайшем будущем и выдает рекомендации о сроках технического обслуживания.

В результате техническое обслуживание оборудования осуществляется тогда, когда это необходимо. Как правило, это происходит реже, чем при регламентном обслуживании. Обслуживание по состоянию способно практически полностью заменить собой регламентное обслуживание, что даст ощутимую экономию средств. Но, самое главное, обслуживание оборудования по состоянию позволяет избегать и обслуживания по событию. Мы заранее знаем, когда может возникнуть неисправность, и в порядке упреждения осуществляем ремонтные работы. На это время в штатном режиме энергоснабжение переключается на другие мощности, либо, в крайнем случае, происходит отключение потребителя с предварительным его уведомлением. Согласитесь, это гораздо приятнее и безопаснее, чем внезапное отключение энергоснабжения.

Обслуживание оборудования по состоянию, на самом деле, применяется уже несколько десятилетий, но в очень ограниченных масштабах, где критична безопасность. Например, на атомных электростанциях. Но широкого применения до возникновения концепции «Интернета вещей» такой подход не имел. Причин тому было несколько. Во-первых, систему сбора и обработки информации приходилось разрабатывать практически «с нуля» для каждого нового объекта. Если нужно, скажем, добавить новый датчик, все приходилось переделывать. Во-вторых, оборудование изначально должно выпускаться с датчиками, на выпущенное еще в доцифровую эру оборудование датчики установить проблематично. В-третьих, применение закрытых (проприетарных) протоколов требовало приобретения оборудования и системы мониторинга от одного и того же производителя.
В итоге приобретение, установка и настройка системы, позволяющей реализовать обслуживание по состоянию, обходилось дороже, чем содержание избыточного количества ремонтно-эксплуатационных бригад.

Что дал «Интернет вещей»?

Концепция «Интернета вещей» (IoT – Internet of Things) предполагает обмен информацией между датчиками и вычислительной системой, осуществляющей прогнозирование состояния оборудования, на основе протокола TCP/IP, лежащего в основе Интернета. Каждый датчик представляет собой миниатюрный Web-сервер. Для настройки к нему можно обращаться через браузер, как к Web-странице.

Применение протокола TCP/IP подразумевает гибкость и отсутствие проблем с совместимостью оборудования. Вы можете подключать к компьютерной системе какие угодно датчики от любых производителей практически в любом количестве. Связь может осуществляться проводным и беспроводным способом.

Разнообразие датчиков на основе «Интернета вещей» позволяет использовать их на уже существующем оборудовании. Исследования показали, что в России можно устанавливать датчики «Интернета вещей» на оборудовании, выпущенном, начиная с конца 70-х годов XX века, хотя в то время разработчики ничего такого, естественно, и предположить не могли.

Теоретически «Интернет вещей» позволяет обходиться без установки на объекте электроэнергетики мощного компьютера для обработки данных. Датчики могут отправлять информацию непосредственно в облачный сервис, который электроэнергетическая компания оплачивает по подписке. Крупнейшие производители электрооборудования, такие как Siemens, ABB, Schneider Electric и некоторые другие, предоставляют облачные сервисы. В таких сервисах сосредотачивается информация об эксплуатации оборудования по всему миру, оперативно обновляются рекомендации экспертов по определению сроков проведения работ по обслуживанию.

Впрочем, на практике прямая отсылка информации из датчиков непосредственно в «облако» пока применяется редко, так как время отклика существующих каналов связи все еще слишком велико для таких применений. Поэтому наиболее перспективным направлением сейчас признаны граничные вычисления. Такой способ вычислений подразумевает первичную обработку данных от датчиков на компьютерах, установленных у клиента. Далее полученная «выжимка» из большого объема данных передается в облачный сервис, который дает рекомендации о ближайших сроках технического обслуживания. Сигнал тревоги, который сообщает о необходимости срочного ремонта оборудования в связи с обнаруженной неисправностью, подается на основании обработки данных в локальных компьютерах, без задействования «облака».

Информация из «облака» о текущем состоянии оборудования и сроках обслуживания может передаваться на мобильные устройства специалистов, занимающихся ремонтом и обслуживанием. При этом можно исключить звено диспетчерской, выдающей задания бригадам, что повысит оперативность реагирования и снизит затраты. При этом датчики «Интернета вещей» позволяют осуществлять контроль за тем, чтобы специалисты реагировали на экстренные сообщения системы и оперативно выезжали для устранения неисправностей.

Вопросы безопасности

Как и любая компьютерная система, «Интернет вещей» имеет уязвимости с точки зрения безопасности. Меры предосторожности здесь те же — шифрование данных, применение антивирусных программ, своевременная установка «заплаток», разграничение полномочий доступа.

Но современная политическая ситуация ставит новые вопросы. Многие объекты энергетики имеют стратегическое значение. Как сделать, что-бы данные об их функционировании не попали сотрудникам зарубежных спецслужб? Ведь если датчики выявили наиболее слабые и изношенные места энергосистемы, по идее, именно они могут стать мишенью для диверсантов. Другая проблема — если на очередном витке санкций зарубежный производитель оборудования отключит доступ к своим облачным сервисам, то как тогда реализовывать прогнозы по срокам обслуживания?

Для «Интернета вещей» подключение датчиков к глобальной компьютерной сети совершенно не обязательно. Можно организовать на основе TCP/IP локальную компьютерную сеть и разместить в ней облачные сервисы. Такая сеть будет полностью изолирована от внешнего Интернета, занести в нее вирус можно будет, только физически принеся «флешку» в серверную. Ничто не мешает разработать для этих целей полностью отечественное программное обеспечение.

Кто несет ответственность?

Применительно к беспилотным автомобилям пока что так и не решен вопрос, кто несет ответственность в случае аварии — владелец машины или же разработчики алгоритмов, управлявших ею. Аналогичная проблема встает и при внедрении новых подходов к обслуживанию электрооборудования на основе «Интернета вещей».

Производитель несет ответственность за безопасность поставленного оборудования только при неукоснительном выполнении регламентных работ по обслуживанию. Крупные производители, такие как Schneider Electric, вместо расписания регламентных работ могут предоставить облачный сервис, осуществляющий экспертизу в реальном времени. Здесь все понятно — производитель оборудование несет ответственность и за данные, которые выдает указанный сервис.

Но рассмотрим другую ситуацию. Небольшая компания производит определенный вид продукции, не очень сложной, но востребованной на рынке из-за хорошего соотношения цена/качество. Например, защитные автоматы или КРУЭ. Заниматься внедрением «Интернета вещей» у нее нет ни кадров, ни материальных ресурсов. Поэтому производитель делает по старинке — пишется руководство по эксплуатации, содержащее расписание регламентных работ. Далее компания, реализующая проект, устанавливает датчики, поддерживающие «Интернет вещей» на указанное оборудование.

И начинается эксплуатация с обслуживанием по состоянию, а не по составленному производителем регламенту. По действующему законодательству, с производителя ответственность полностью снимается. По идее, за последствия возможных аварий должна отвечать эксплуатирующая организация. Но ведь она осуществляла обслуживание согласно алгоритму, разработанному инсталлятором. При этом проверить, насколько этот алгоритм правильный, невозможно, так как в нашей стране пока не существует государственных стандартов по прогнозированию отказов на основе показаний датчиков.

По мнению автора статьи, проблему может решить разработка ведущими отраслевыми институтами типовых рекомендаций по обслуживанию тех или иных видов оборудования по состоянию. На основании таких рекомендаций небольшие про-изводители оборудования смогут без значительных затрат создавать руководства по эксплуатации, соответствующие современным подходам к обслуживанию.

Не описан пока в законе и механизм продления сроков службы оборудования на основании ком-пьютерного прогноза, полученного обработкой данных от датчиков. Все равно необходимо заключение комиссии экспертов, результаты, полученные с помощью «Интернета вещей» могут иметь для них только рекомендательный характер. Зато, если положительное заключение экспертов получено, эксплуатирующая организация в течение продленного срока службы несет полную ответственность за использование оборудования и поэтому может без препятствий использовать систему обслуживания по состоянию.

Выводы

Внедрение «Интернета вещей» в электроэнергетике позволяет реализовать обслуживание по состоянию оборудования. По сравнению с применяемым сейчас обслуживанием по регламенту и по событиям это позволит повысить надежность энергоснабжения, снизив текущие затраты. Но чтобы при внедрении новых подходов к обслуживанию были защищены интересы потребителей, а также небольших производителей оборудования, необходима разработка новой нормативно-правовой базы, разграничивающей ответственность производителей, разработчиков программного обеспечения и эксплуатирующих компаний.