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挖掘数字孪生的力量——预测性维护

作者:Carsten Baumann2024.02.02阅读 12852

  
本文图片来源:施耐德电气
  通过采用先进的预测性维护策略控制工程网版权所有,有助于制造企业确保电气系统的正确设计和安全运行。
  在没有适当控制的情况下,管理设施中电气系统的维护和运营,可能会导致安全和财务风险,包括造成人员伤害和设备损伤的计划外停机。此类中断还可能给企业造成过多的经济损失。Uptime Institute的研究数据发现,在所有报告的停机事件中,约有三分之一的停机成本超过25万美元,其中许多停机成本超过100万美元。数据中心的停机成本是最高的,四分之一的受访者在一项调查中表示,他们最近一次故障的直接和间接成本超过了100万美元。
  工厂的电力系统工程师通常依靠静态、纸质或基于PDF的电气单线图,来预防停电并维护其设施。这会带来一些限制,增加运行风险,并在维护和更新电气系统文档方面带来了挑战。采用预测性维护最佳实践,如数字孪生安全审计智能传感器电弧闪光解决方案,可以帮助企业确保电气安全并减少计划外停机时间。
  01  挖掘数字孪生的力量
  数字孪生使用实时数据和仿真创建物理对象、过程或系统的虚拟复本。这些数字表达可以通过深入了解复杂系统的行为、性能和潜在问题来帮助提高对系统的理解、设计和运行。例如,配电系统的数字孪生可以监控通过各种组件的电流,识别过载或过电压的潜在区域,并预测设备故障的可能性。
  在电气系统的设计以及生命周期的运营和维护阶段,都可以使用数字孪生技术来显著提高安全性。使用数字孪生技术的智能单线图,可以创建单相和三相电力系统的动态蓝图。这些工具有助于无缝协作以及应用实时见解,从而简化诊断和故障排除。
  运行人员和工程师可以通过使用数字孪生作为全面的数字学习环境www.cechina.cn,来提高他们对现有电气系统的理解。新一代预测工具使用实时和存档数据作为仿真平台,使电力系统工程师可以运行“假设”的场景。这种在线预测仿真是一种强大的分析工具,使工程师能够预测系统对运行人员行为的响应。
  这种方法有一些优点,包括能够在没有实际危险的情况下仿真紧急情况和不稳定的情况www.cechina.cn,从而减少安全风险。此外,精确的“假设”场景有助于说明如何提高运营效率和加强决策。实用的事后分析和事件回放功能,也可以加快对事件的响应。

▲图1:ETAP是一家分析工程解决方案公司,专门从事电力系统的仿真、设计、监测、控制、
运行人员培训、优化和自动化。ETAP的集成数字孪生平台提供了全面的企业解决方案套件。
  02  利用审计提高安全和电气系统性能
  审计可以成为促进安全和提高电气系统性能的另一个有价值的工具。具有识别技术缺陷和预测设施电气系统潜在故障风险的能力至关重要。通过审计,组织可以识别潜在的危险和需要改进的领域,使他们能够在事故或故障发生之前采取纠正措施。审计还有助于确保电气系统高效运行,识别不合规的地方,并验证维护计划是否有效执行。这种积极主动的方法可以提高安全性,减少停机时间,延长设备寿命并节省成本。
  然而,发现这些缺陷可能会令人望而生畏,尤其是在资源有限的情况下。与专家顾问和运营团队合作可以帮助确定需要改进的关键领域,使用最先进的非侵入性技术,进行现场审计和评估电气装置。它能创建设备的单线图,快速识别出可能危及系统安全和性能的潜在薄弱点。此过程有助于发现潜在的漏洞危害,并及时提出性能优化和安全改进建议。
  拥有专业软件的专家可提供全面的现代化计划,包括10年维护、监测和管理计划、备品备件和技术文档管理。审计结束后,与所有利益相关者举行汇报会,强调观察到的结果、风险和推荐的下一步行动。全面的报告会传达重要的、可操作的见解,以及跨地区或国家的标准化交付成果,以确保多地点或国家的一致性,并为维护计划制定持续的监控和管理策略。
  03  降低电气系统电弧闪光的风险
  电弧闪光是电气安装、运行和维护中最可能发生的破坏性、危险性的力量之一。它非常复杂、危险和难以避免和控制。不受控制的电弧有可能产生超过35000℉的极端热量和高达每平方英尺1000磅的冲击波。由此产生的噪音可以达到160分贝,来自电弧的高速投射物可以达到700英里/小时。产生的有毒气体可能会扩大67000倍,对工人、设备和设施构成重大风险。
  直到最近,电弧闪光缓解和电弧闪光危害分析一直很复杂。尽管已经开发了许多经验公式和重要的测试,但对于工程师来说,在没有计算工具的情况下解决现有的算法和公式仍然具有挑战性,并且人们几乎不可能将其应用到该领域。然而,随着行业对电气安全的日益关注,现在电弧闪光危害得到了更广泛的认识。
  减轻电弧闪光的风险很复杂,通常需要多方合作,包括设施业主、电气系统设计师和设备制造商。然而,获取准确的信息可能具有挑战性,尤其是在传统的设计和构建项目环境中。信息交换可能会受到限制,例如系统短路水平、电极组成、外壳尺寸或标准运行程序。如果不考虑这些因素,即使是最周密的缓解方案效果也可能会打折。
  为了降低电弧闪光事故的风险和严重程度,并确保工人安全,需要严格遵守相关行业法规。积极主动的电气系统设计方法,有助于消除电弧闪光伤害的风险。在新系统的设计和技术规范阶段,工程解决方案可以使用设计安全方法来降低与带电部件意外接触的可能性。
  了解电弧电流的大小、路径和持续时间,对于有效缓解是必要的。能量水平是一个用于量化电弧闪光危险的参数。消除风险或减少电弧闪光的能量等级,可以通过断电工作、耐电弧开关设备或将人员转移到电弧闪光边界之外来实现。
  然而,这些解决方案有时只能避免设备损坏。或者,采用电弧故障检测解决方案,可以通过上游过电流保护装置清除电弧故障。不过,这些解决方案可能有风险,需要辅助电源、系统设计或运行人员干预,这也会引入人为错误的可能性。此外,这些解决方案是一次性的,需要检查或更换故障部件。
  简单、可靠的控制电弧闪光危险的解决方案,可以通过一个不需要复杂工程的被动式、可重复、常开系统来实现。常开的电弧闪光预防和控制系统,可最大限度地减少电弧发生的可能性。如果确实出现持续的电弧电流,系统将在一个周期或更短的时间内将其熄灭,这比任何其它有源或反作用保护系统都快。

▲图2:ETAP预测激励分析信息的屏幕截图,显示了运行序列和时间-电流曲线等。
  这种方法无需运行人员干预,不依赖辅助电源,并显著降低对人员和电气设备造成伤害的风险。采用被动式电弧闪光保护系统,使电弧闪光管理危险变得更加简单,缓解策略也更容易实施。与许多主动式解决方案不同,常态运营的电弧闪光预防和控制系统不会导致跳闸,从而在控制电弧故障的同时实现零停机,也不会造成上游设备的中断。
  实现被动式、可重复、常开运行的电弧闪光控制解决方案的初始成本,可能比标准设备高出约15%。然而,在整个设备生命周期内它可以带来巨大的投资回报。该系统的优势包括减少额外的电弧闪光工程控制,降低安装、调试和持续维护成本,减少对个人防护设备的需求和相关成本。此外,企业也可以避免与电弧闪光危害直接和间接相关的费用,如医疗和法律费用、罚款、保险费增加和业务连续性的中断。
  04  使用智能传感器提高运营能力
  具有共享可见性的智能传感器、断路器和配电盘www.cechina.cn,使风险管理价值链上的各个利益相关者受益。智能传感器可用于监测工厂工况,并通过监测工厂内的空气质量、温度、湿度和其它环境条件,提醒工程师注意潜在的安全隐患。如果液位超过安全限值,可以及时向工程师或安全人员发送报警,让他们采取适当的行动。智能传感器还可以检测可能危害人类健康或安全的气体,并检测工厂中是否存在烟雾或火灾。
  当断路器和配电盘配备了内置的智能传感器监控功能时,从安装的那一刻起就能提供运营数据。这些新功能具有许多优势,例如降低企业的风险,为测试、检验和认证提供支持,在整个年度内而不仅仅是在检验期间为客户提供增值服务。
  智能传感器可用于实时监控关键工厂设备和过程,使工程师能够快速检测任何异常或潜在问题,并在问题变得更严重之前采取纠正措施。通过分析智能传感器的数据www.cechina.cn,工程师可以预测工厂设备何时需要维护。这样可以提前安排维护,最大限度地减少停机时间并降低成本。这些能力正在不断发展,并有可能在未来为电气运行提供更全面的见解。
  05  预测性维护是主动安全措施的最佳实践
  归根结底,最先进的预测性维护最佳实践是为了从四个维度来实现安全:减少、避免、预防和遏制。确保电气系统的安全和减少计划外停机,对于最大限度地降低财务风险和保护人员和设备至关重要。采用预测性维护最佳实践,如数字孪生、安全审计和电弧闪光解决方案,可以显著提高安全性并减少计划外停机时间。
  数字孪生技术可以在设计、运营和维护阶段使用,以简化诊断和故障排除。审计可以识别潜在的危险和需要改进的领域,使组织能够在事故或故障发生之前实施纠正措施。为了降低电弧闪光事故的风险和严重程度,确保工人的安全,必须降低电弧闪光的风险。采取这些积极主动的措施来确保电气安全和防止计划外停机,可以为企业带来经济效益,提高安全性并延长设备使用寿命。
  关键概念:
  ■ 学习如何借助数字孪生来运行虚拟的安全场景。
  ■ 了解如何使用审计和智能传感器来提高安全性和电气系统性能。
  ■ 审查主动减少电弧闪光威胁的方法。
  思考一下:
  您的工厂采用哪些方法提升电气系统的安全性?
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