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.