新世代のインテリジェントMVスイッチギア

Jul 15, 2023

産業用モノのインターネット (IIoT) の当初のビジョンは、インテリジェントな資産がその状態と状態を集中ソフトウェア アプリケーションに伝達し、集約、分析の実行、リスクの特定、および人間の行動のインテリジェントな指示を行うというものでした。 このビジョンの大きな問題の 1 つは、既存の資本資産が「スマート」ではなかったことです。 機器の状態データを取得するには、資産に新しいセンシングを追加するか、設置された自動化システムからセンサー データ (存在する場合) を取得する必要がありました。

したがって、IIoT 分野の初期の研究の多くは「回転する大型マシン」に焦点を当てていました。 大型モーター、エンジン、発電機、タービン、コンプレッサーなど、資本集約型の回転機器です。この機器には通常、何らかの状態監視計器がすでに装備されているか、比較的簡単に改造できるため、この重要なデータが利用可能になります。 しかし、受動的資産または非回転資産 (電気開閉装置など) に関しては、IIoT モデルも同様に適合しました。 このような機器は工場、工場、空港、データセンターにとって極めて重要な機器であるにもかかわらず、ほとんど監視されておらず、目に見えないままでした。

現在、新世代のスイッチギヤには、はるかに多くのセンシング機能が組み込まれており、高度な制御、データ集約、分析のためのより高レベルのアプリケーションを容易にする接続機能が組み込まれています。

最近では、一部の MV 開閉装置に検知機能 (主に温度と電流) が組み込まれています。 最新の製品を新しく他と違うものにしているのは、機器に組み込まれた高レベルのセンシングと、この追加のセンシングの理由です。 追加のセンシングは開閉装置制御を補完します。 新しいセンサーは、重要なコンポーネントおよび開閉装置全体の状態と信頼性の指標となる測定を行います。 新しいセンシングは、特に機械的特性と電気的特性の両方の性能指標を提供することを目的としています。 さらに、これらの測定はメンテナンス中だけでなく、開閉装置の動作ごとに継続的に行われます。

近くの表には、最新の機器設計で利用可能な測定値のリストが示されています。 しかし、この新しい豊富な情報によってもたらされる潜在的な価値を、いくつかの例で詳しく説明します。

まず、どの電気開閉装置においても、トリップ チェーンのコンポーネントが最も重要です。 これらは保護機能を提供します。 MV 開閉装置では、このチェーンはトリップ コイルで構成され、トリップ コイルが機構をトリガーします。 この機構は真空遮断器の接点を機械的に開き、電流の流れを停止し、電気アークを消滅させます。 たとえ開閉装置の約 40 年の耐用年数のうち、電気的故障によってトリップ機能が作動するのは 1 回だけであっても、その瞬間に適切に動作することが最も重要です。 既存の開閉装置の問題は、一部の電気測定は継続的に利用できる一方で、トリップ チェーンの重要な機械コンポーネントの性能は、定期メンテナンス中にのみ測定されることです (その場合)。 開閉装置の全体的なパフォーマンスを評価するために必要なデータは、オフラインのメンテナンスとテスト以外の方法で入手できませんでした。

対照的に、最先端の装置は、操作が計画的であるか保護的であるかに関係なく、各操作でトリップ機構の速度を測定します。 ローカル レベルでは、この情報はメカニズムの健全性を示します。 ただし、同じ情報を履歴化して集約することで、より決定的な傾向の把握、状態の評価、診断、予知保全が可能になります。

新しいセンシングの 2 番目の例は、真空遮断器接点のエロージョン ギャップの測定です。 時間の経過と複数回の大電流操作により、これらの接点がわずかに腐食する可能性があります。 しかし、大電流と電力が関係することを考えると、たとえ小さなレベルの浸食 (1 mm 未満) であっても、非常に重大な影響を与える可能性があります。 現在、装置は機構の位置、位置合わせ、遮断器接点の侵食を測定できるようになりました。 繰り返しますが、これはサーキット ブレーカーの状態に関する情報であり、従来の開閉装置のオフライン メンテナンス中にのみ入手可能です。 測定は各操作後に行われ、開閉装置の状態を測定および検証して示します。

新しいセンシング機能に関する重要な点は、単に簡単に取得できる測定値だけではなく、最も重要な測定値に焦点を当てるように設計されていることです。 開閉装置の設計では、開閉装置の問題の主な原因であることが歴史的に示されている特定の領域に検知機能を追加する必要があります。 したがって、新しいセンサー データは機器の健全性とパフォーマンスに直接関係します。 このデータを履歴、集約、分析することにより、オーナー オペレーターによって行われるか、機器 OEM によるマネージド サービスを通じて行われるかに関係なく、さらに多くの価値を引き出すことができます。

操作上の安全性と利便性を考慮する上で最も重要なのは、安全な距離から機器の操作を実行できることです。 電気機器の損傷は、健康と安全に重大な問題をもたらします。 米国だけでも年間数千件の電気事故が発生しており、アークフラッシュ事故は 1 日に 5 ～ 10 件発生しています。 これらの事故は労働者の健康に壊滅的な影響を与える可能性があり、また費用も高くつきます。 OSHA は、アークフラッシュ損傷の治療には 100 万ドル以上の費用がかかる可能性があると推定しています。 これに加えて、機器の損傷、停電、ビジネスの損失、および潜在的な規制措置が発生します。 ただし、安全な距離から MV 電気機器を操作できるため、アーク フラッシュなどの多くの安全上の危険が軽減されます。

スイッチギアは、多くの場所から多くのデバイスで操作できる、多用途のヒューマン マシン インターフェイス (HMI) をサポートする必要があります。 HMI は、エンクロージャに取り付けられたパネル ディスプレイから評価できる必要があります。 ただし、必要に応じて、同じインターフェイスをワイヤレス ネットワーク経由でハンドヘルド タブレットや携帯電話のハンドセットにミラーリングする必要があります。

これにより、機器自体から安全な距離にある便利な場所から操作を行うことができます。 サポートされる操作には、ラッキング、スイッチング、開閉装置のステータスと状態の監視が含まれる必要があります。 このリモート機能により、次世代開閉装置は操作方法を強化し、より安全かつ迅速に操作できるようになります。 目視検査、文書化、操作やサーキットブレーカーのラック設置など、機器の日常的な操作はすべて、これらのデジタル操作を通じて行うことができます。

産業用モノのインターネット (IIoT) は、接続された資産や機械からのセンサー データを使用して、工業製品、製造業務、ビジネス プロセス、さらにはビジネス モデルを強化および変革することです。 「インダストリアル インターネット」またはインダストリー 4.0 とも呼ばれる IIoT は、スマート機器とリアルタイム分析の力を利用して、これまで産業運営内に隠されていたデータから価値を引き出します。 IIoT の背後にある哲学は、スマート マシンとシステムは、リアルタイムでデータを取得して分析し、より効果的なビジネス上の意思決定を推進できる重要な情報を伝達する点で人間よりも優れているということです。

スマート機器を集約、管理し、そこから価値を引き出すために、IIoT には異種機器を抽象化し、データと分析が 1 つだけではなく複数のユースケースやアプリケーションに対応できるようにする何らかのアーキテクチャが必要です。 ほとんどの IIoT アーキテクチャには 3 つの層があります。

センシングに加えて、接続性も新しい機器設計の重要な特性です。 接続された製品を使用すると、ローカル統合と、1 つまたは複数のインストール内の多くのデバイスからのデータの集約の両方が可能になります。 集約されたデータは、より広範なレベルで価値を提供する分析を提供します。

「エッジ」レイヤーは、実際にはハードウェアとソフトウェアのスペクトルです。 ほとんどの場合、接続された製品データはエッジで集約および管理されます。 遅延が考慮される場合、またはデータが大容量すぎて転送できない場合 (ビデオ ストリームなど)、分析とアプリケーションはデータ センターやクラウドではなくエッジ コンピューティング ノードで実行される場合があります。

アプリケーションと分析レイヤーは、データ ストレージ、分析、その他の大規模アプリケーションにクラウド レベルのスケールをもたらします。 この層はクラウドでホストされることが多く、そうでない場合でも、クラウド コンピューティングと同じソフトウェアやツールを使用することがよくあります。

すべての電気設備がこれらの高レベルの IIoT アプリケーションやサービスをすべて必要とするわけではありません。 ただし、IIoT 対応の設置がメリットをもたらし、これらのソリューションによって補完される方法の例をいくつか紹介します。

組み込みセンシングとインテリジェンスに加えて、新しい設計により、新規設置と改修の両方で必要なスペースが大幅に削減されます。 これらの設計によるスペースの節約は、従来の開閉装置と比較して 20 ～ 30% も小さくなります。

新しい設備の場合、電気インフラストラクチャ用のスペースが削減されるということは、建物スペースの多くをサポート インフラストラクチャではなくミッション自体に専念できることを意味します。 非常に高コストの構造物 (海上設置など) では、スペースコストが非常に高くなる可能性があり、設計段階で特定されたスペース節約は構造全体のサイズを縮小するため、非常に大きな価値があります。 モジュラー電源装置の設計 (データ センターの E ハウスで使用されるものなど) も、開閉装置の設置面積が小さいというメリットがあります。 これにより、E ハウス モジュールの設置面積が小さくなり、支持構造が軽減され、現場への輸送が容易になります。

改修用途では、追加のインフラストラクチャスペースを構築する資本コストと運用上の煩雑さを回避するために、新しい機器を既存のスペースに取り付けることが不可欠です。 設置面積の小さい機器を使用して設計すると、現在満室になっている部屋に予備スペースを「作成」することもできます。

どちらの場合でも、オーナー オペレーターは、インテリジェント インフラストラクチャが提供できる高い信頼性、特に通常の運用中に潜在的な問題を示すことができるため、最も必要な領域にメンテナンス リソースを積極的に割り当てることができるというメリットも得られます。

インテリジェント機器は非常に重要な設計革新です。 ただし、期待を上回るパフォーマンスを発揮する機器設計も、品質と信頼性の両方の鍵となります。 広く受け入れられている ANSI 要件では、MV 開閉装置は無負荷で 10,000 回の動作を想定して設計されている必要があります。 組み込みモニタリングを備えた最新の機器は、この要件をはるかに超えることができ、最大定格負荷で最大 30,000 回の操作を想定して設計されています。 これは、電気機械システムがその動作寿命の間確実に動作するという確かな証拠を提供します。 エンドユーザーは、新しい機器が規制要件を超えるように設計されているという証拠を探す必要があります。

このような設計基準は非現実的に思えるかもしれません。 たとえ数十年の耐用年数であっても、これに近い回数の停電が発生する電気インフラはありません。 しかし、設計がより高い基準を満たすことができるという事実は、その設計の堅牢性と品質の証拠であり、通常の機器の寿命におけるそれほど厳密ではない要求の間に優れたサービスを提供できるという証拠です。

シュナイダー エレクトリックの 2 つの最近の製品は、これらすべての傾向を示しています。 1 つは EvoPacT で、重要な組み込みセンシングを備えた中電圧真空サーキット ブレーカーです。 2 つ目は、EvoPacT のセンシングと接続性を拡張する MV スイッチギアの新しい製品ラインである SureSeT です。 どちらもそのような機器の新世代の一例であり、はるかに多くのセンシングと接続性を組み込んでおり、オーナーオペレーターに新しいレベルの信頼性と価値を提供しています。

EcoStruxure は、シュナイダー エレクトリックの相互運用可能な IIoT アーキテクチャおよびプラットフォームであり、産業からデータセンター、インフラストラクチャ、建物、さらには家庭にまで拡張されます。 EcoStruxure は 3 つの主要な層に分かれています。 1) コネクテッド製品、2) エッジコントロール、3) アプリケーション、分析、およびサービス。

EvoPacT および SureSet スイッチギアは、EcoStruxure Connected Products レイヤーの一部を形成します。 この層は大きな価値を付加しますが、資産所有者や運用者は、EcoStruxure Power スタックの上位層がどのようにしてインテリジェント機器の価値をさらに高めることができるのか、また運用と保守をさらに変革する方法を理解する必要もあります。 より高レベルの EcoStruxure 製品とサービスにより、電気インフラストラクチャとそれがサポートする重要な運用のさらなる改善と変革が可能になります。

重要なインフラストラクチャ機器の傾向として明らかなのは、「目に見えない」機器を、自身の状態を測定して報告できる最新の機器に置き換えることです。また、同じ情報を予知保全、高可用性などをサポートする分析アプリケーションでも利用できるようにすることです。最適化のこと。

シュナイダーエレクトリックのMV開閉装置のSureSetラインに自己感知型のEvoPacTサーキットブレーカーを組み合わせ、これが同社のExoStruxure Powerアプリケーションと連動することは、IIoTのビジョンが以前は実現できなかった重要な機器にさらに拡張されつつあることを示す好例です。稼働中に検査しました。

EcoStruxure Asset Advisor などのシュナイダー エレクトリックの上位ソフトウェア製品は、機器の健全性データを活用し、分析や人工知能を通じて、資産の健全性や電力効率に関する推奨事項を提供する例です。 人間のドメイン専門家を雇用することで、エンドユーザーは分析と問題検出における人間の最高の専門知識の両方から恩恵を受けることができます。 これにより、予測メンテナンスに移行します。

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