La nouvelle génération d'appareillage MT intelligent

Jul 15, 2023

La vision originale de l'Internet industriel des objets (IIoT) consistait en des actifs intelligents communiquant leur état et leurs conditions à des applications logicielles centralisées qui regrouperaient, effectueraient des analyses, identifieraient les risques et dirigeraient intelligemment l'action humaine. L'un des principaux problèmes de cette vision est que les immobilisations existantes n'étaient pas « intelligentes ». Pour obtenir des données sur l'état de l'équipement, il fallait soit ajouter une nouvelle détection à l'actif, soit extraire des données de capteur (si elles existaient) des systèmes d'automatisation installés.

Ainsi, une grande partie des premiers travaux dans le domaine de l'IIoT s'est concentré sur les "grandes machines qui tournent" ; les équipements rotatifs à forte intensité de capital, tels que les gros moteurs, les moteurs, les générateurs, les turbines, les compresseurs, etc. Ces équipements étaient généralement déjà équipés d'instruments de surveillance de l'état ou pouvaient être modernisés relativement facilement, rendant ces données critiques disponibles. Mais en ce qui concerne les actifs passifs ou non rotatifs (tels que les appareillages électriques), le modèle IIoT convenait également. Même si de tels équipements pouvaient être absolument essentiels à la mission d'une usine, d'un aéroport ou d'un centre de données, ils restaient largement non surveillés et invisibles.

Aujourd'hui, une nouvelle génération d'appareillage de commutation intègre beaucoup plus de capacités de détection et comprend une connectivité intégrée qui facilite les applications de niveau supérieur pour le contrôle avancé, l'agrégation de données et l'analyse.

Dans un passé récent, certains appareillages de commutation MT ont inclus une capacité de détection (principalement pour les températures et les courants). Ce qui rend les derniers produits nouveaux et différents, c'est le haut niveau de détection intégré à l'équipement et les raisons de cette détection supplémentaire. La détection supplémentaire est complémentaire aux commandes de l'appareillage. Les nouveaux capteurs effectuent des mesures qui sont des indicateurs de l'état et de la fiabilité des composants critiques et de l'ensemble de l'appareillage de commutation. La nouvelle détection vise spécifiquement à fournir des indicateurs de performance des propriétés mécaniques et électriques. De plus, ces mesures sont effectuées non seulement lors de la maintenance mais en continu et à chaque manœuvre de l'appareillage.

Le tableau ci-contre fournit une liste de certaines des mesures disponibles dans les conceptions d'équipement les plus récentes. Mais quelques exemples illustreront mieux la valeur potentielle de cette nouvelle mine d'informations.

Premièrement, dans tout appareillage électrique, les composants de la chaîne de déclenchement sont les plus critiques. Ceux-ci assurent la fonction de protection. Dans l'appareillage MT, cette chaîne est constituée d'une bobine de déclenchement, qui à son tour déclenche un mécanisme. Le mécanisme ouvre mécaniquement les contacts de l'interrupteur à vide, qui arrêtent le flux de courant et éteignent tout arc électrique. Même si la fonction de déclenchement n'est actionnée par un défaut électrique qu'une seule fois au cours de la durée de vie d'environ 40 ans de l'appareillage de commutation, un fonctionnement correct à ce moment unique est des plus impératifs. Le problème avec l'appareillage de commutation existant est que, alors que certaines mesures électriques étaient disponibles en continu, les performances des composants mécaniques critiques de la chaîne de déclenchement n'étaient mesurées que pendant la maintenance planifiée (le cas échéant). Les données nécessaires pour évaluer les performances globales de l'appareillage de commutation n'étaient pas disponibles autrement que par la maintenance et les tests hors ligne.

En revanche, les équipements de pointe mesurent la vitesse du mécanisme de déclenchement à chaque manœuvre, qu'elle soit planifiée ou préventive. Au niveau local, ces informations fournissent une indication de la santé du mécanisme. Mais les mêmes informations peuvent être historisées et agrégées pour permettre des tendances, une évaluation de l'état, un diagnostic et une maintenance prédictive plus concluants.

Un deuxième exemple de nouvelle détection est la mesure de l'écart d'érosion des contacts de l'interrupteur à vide. Au fil du temps et de multiples opérations à courant élevé, ces contacts peuvent s'éroder légèrement. Mais étant donné les courants et la puissance élevés impliqués, même de petits niveaux d'érosion (moins de 1 mm) peuvent être assez importants. Désormais, l'équipement peut mesurer la position du mécanisme, l'alignement et l'érosion des contacts de l'interrupteur. Encore une fois, il s'agit d'informations sur l'état du disjoncteur qui ne seraient disponibles que lors de la maintenance hors ligne pour un appareillage de commutation conventionnel. Les mesures sont effectuées après chaque manœuvre, fournissant une indication mesurée et validée de l'état de l'appareillage.

Un point important concernant la nouvelle capacité de détection est qu'elle a été conçue pour se concentrer sur les mesures les plus critiques, et pas seulement sur celles qui sont faciles à obtenir. La conception de l'appareillage de commutation doit ajouter une détection à des zones spécifiques qui se sont révélées par l'histoire comme étant les principales sources de problèmes d'appareillage de commutation. Ainsi, les nouvelles données de capteur sont directement pertinentes pour la santé et les performances de l'équipement. Encore plus de valeur peut être obtenue en historisant, agrégeant et analysant ces données, que cela soit fait par le propriétaire-exploitant ou via un service géré par un FEO d'équipement.

L'une des considérations les plus importantes en matière de sécurité opérationnelle et de commodité est la capacité d'effectuer des opérations sur l'équipement à une distance de sécurité. Les blessures causées par les équipements électriques représentent un grave problème de santé et de sécurité. Il y a des milliers d'accidents électriques chaque année et 5 à 10 incidents d'arc électrique par jour aux États-Unis seulement. Ces incidents peuvent être dévastateurs pour la santé des travailleurs et également coûteux. L'OSHA estime que les soins médicaux pour les blessures causées par les arcs électriques peuvent coûter plus d'un million de dollars. Cela s'ajoute aux dommages matériels, aux pannes de courant, aux pertes d'activité et aux éventuelles mesures réglementaires. Cependant, la capacité d'interagir avec les équipements électriques MT à une distance de sécurité atténue de nombreux risques pour la sécurité, y compris les arcs électriques.

L'appareillage de commutation doit prendre en charge une interface homme-machine (IHM) polyvalente, qui peut être utilisée à partir de nombreux emplacements sur de nombreux appareils. L'IHM doit pouvoir être évaluée à partir d'un panneau d'affichage monté sur le boîtier. Mais si vous préférez, la même interface doit être mise en miroir via un réseau sans fil sur une tablette portable ou même un combiné cellulaire.

Cela permet d'effectuer les opérations à partir d'un emplacement pratique et à une distance de sécurité de l'équipement lui-même. Les opérations prises en charge doivent inclure la mise en rack, la commutation et la surveillance de l'état et des conditions de l'appareillage de commutation. Grâce à cette capacité à distance, l'appareillage de commutation de nouvelle génération peut améliorer les pratiques d'exploitation, les rendant à la fois plus sûres et plus rapides. Toutes les opérations quotidiennes de l'équipement, qu'il s'agisse d'inspection visuelle, de documentation, de fonctionnement ou d'embrochage d'un disjoncteur, peuvent être effectuées grâce à ces opérations numériques.

L'Internet industriel des objets (IIoT) est l'utilisation de données de capteurs provenant d'actifs et de machines connectés pour améliorer et transformer des produits industriels, des opérations de fabrication, des processus commerciaux et même des modèles commerciaux. Également appelé "Internet industriel" ou Industrie 4.0, l'IIoT utilise la puissance des équipements intelligents et des analyses en temps réel pour tirer de la valeur des données qui étaient auparavant cachées dans les opérations industrielles. La philosophie derrière l'IIoT est que les machines et les systèmes intelligents sont meilleurs que les personnes pour capturer et analyser des données en temps réel et communiquer des informations importantes qui peuvent conduire à des décisions commerciales plus efficaces.

Afin d'agréger, de gérer et de tirer de la valeur des équipements intelligents, l'IIoT nécessite une forme d'architecture qui fait abstraction des équipements hétérogènes et permet aux données et aux analyses de servir plusieurs cas d'utilisation et applications, plutôt qu'un seul. La plupart des architectures IIoT ont trois couches :

Outre la détection, la connectivité est une propriété essentielle des nouvelles conceptions d'équipement. Les produits connectés permettent à la fois l'intégration locale et l'agrégation des données de nombreux appareils dans une ou plusieurs installations. Les données agrégées alimentent des analyses qui apportent de la valeur à un niveau plus large.

La couche "Edge" est vraiment un spectre de matériel et de logiciel. Dans la plupart des cas, les données produit connectées sont agrégées et gérées en périphérie. Dans certains cas où la latence est un facteur à prendre en compte ou lorsque les données sont trop volumineuses pour être transportées (par exemple, les flux vidéo), les analyses et les applications peuvent être effectuées sur un nœud informatique de périphérie plutôt que dans un centre de données ou un cloud.

La couche Applications et analyses apporte une échelle de niveau cloud au stockage de données, à l'analyse et à d'autres applications à grande échelle. Cette couche est souvent hébergée dans le cloud, et même si ce n'est pas le cas, elle utilise souvent les mêmes logiciels et outils que le cloud computing.

Toutes les installations électriques ne voudront pas ou n'auront pas besoin de toutes ces applications et services IIoT de niveau supérieur. Mais soulignons quelques exemples de la manière dont une installation compatible IIoT offre des avantages et est complétée par ces solutions.

Outre la détection et l'intelligence intégrées, les nouvelles conceptions peuvent entraîner une réduction significative des besoins en espace pour les nouvelles installations et les rénovations. Les économies d'espace avec ces conceptions peuvent être jusqu'à 20 à 30 % inférieures à celles d'un appareillage de commutation conventionnel.

Pour les nouvelles installations, l'espace réduit pour l'infrastructure électrique signifie qu'une plus grande partie de l'espace du bâtiment peut être dédiée à la mission elle-même plutôt qu'à l'infrastructure de soutien. Pour les structures très coûteuses (par exemple, les installations offshore), les coûts d'espace peuvent être très élevés et les économies d'espace identifiées lors de la phase de conception ont une valeur énorme car elles réduisent la taille globale de la structure. Les conceptions d'équipements d'alimentation modulaires (telles que celles utilisées dans les maisons électroniques pour les centres de données) bénéficient également d'une empreinte d'appareillage de commutation plus petite. Cela donne une empreinte de module E-house plus petite, une structure de support réduite et un transport plus facile vers le site.

Dans les applications de rénovation, l'installation du nouvel équipement dans l'espace existant est essentielle pour éviter le coût en capital et la nuisance opérationnelle de la construction d'un espace d'infrastructure supplémentaire. Concevoir avec des équipements à encombrement réduit peut également "créer" de l'espace libre dans des pièces désormais pleines.

Dans les deux cas, les propriétaires-exploitants bénéficient également de la plus grande fiabilité qu'une infrastructure intelligente peut offrir, en particulier celle qui peut indiquer des problèmes potentiels pendant le fonctionnement normal et ainsi diriger les ressources de maintenance de manière proactive vers la zone qui en a le plus besoin.

L'équipement intelligent est une innovation de conception extrêmement importante. Cependant, les conceptions d'équipement qui fonctionneront bien au-delà de ce qui est attendu sont une autre clé de la qualité et de la fiabilité. Les exigences ANSI largement acceptées sont que l'appareillage MT soit conçu pour 10 000 opérations à charge nulle. Les derniers équipements modernes avec surveillance intégrée peuvent aller bien au-delà de cette exigence et sont conçus pour jusqu'à 30 000 opérations à pleine charge nominale. Cela fournit une preuve solide que le système électromécanique fonctionnera de manière fiable pendant sa durée de vie. Les utilisateurs finaux doivent rechercher des preuves que le nouvel équipement a été conçu pour aller au-delà des exigences réglementaires.

De tels critères de conception peuvent sembler irréalistes. Aucune infrastructure électrique ne devrait connaître un tel nombre d'interruptions, même sur une durée de vie de plusieurs décennies. Mais le fait qu'une conception soit capable de répondre à une norme plus élevée est la preuve de la robustesse et de la qualité de la conception, et la preuve qu'elle fournira un service supérieur pendant les exigences moins rigoureuses d'une durée de vie normale de l'équipement.

Deux produits récents de Schneider Electric illustrent toutes ces tendances. L'un est EvoPacT, un disjoncteur à vide moyenne tension avec une détection intégrée importante. Le second est SureSet, une nouvelle gamme d'appareillages MT qui étend la détection et la connectivité d'EvoPacT. Les deux sont des exemples de la nouvelle génération de tels équipements – incorporant beaucoup plus de détection et de connectivité, et offrant de nouveaux niveaux de fiabilité et de valeur aux propriétaires-exploitants.

EcoStruxure est l'architecture et la plate-forme IIoT interopérables de Schneider Electric qui s'étend de l'industrie aux centres de données, aux infrastructures, aux bâtiments et même aux maisons. EcoStruxure est divisé en trois couches principales ; 1) Produits connectés, 2) Edge Control, 3) Applications, analyses et services.

Les tableaux EvoPacT et SureSet font partie de la couche EcoStruxure Connected Products. Bien que cette couche ajoute une valeur significative, les propriétaires-exploitants d'actifs doivent également comprendre comment les couches supérieures de la pile EcoStruxure Power peuvent encore améliorer la valeur des équipements intelligents et comment elles peuvent transformer davantage les opérations et la maintenance. Les produits et services EcoStruxure de niveau supérieur permettent d'améliorer et de transformer davantage l'infrastructure électrique et les opérations critiques qu'elle prend en charge.

Ce qui est clairement la tendance pour les équipements d'infrastructure critiques est de remplacer les équipements "invisibles" par des équipements plus modernes qui peuvent mesurer et signaler leur propre état, et également mettre les mêmes informations à la disposition des applications analytiques qui prennent en charge la maintenance prédictive, la haute disponibilité et d'autres types d'optimisation.

La combinaison par Schneider Electric du disjoncteur EvoPacT à détection automatique dans la gamme d'appareillages MT SureSet, qui à son tour s'intègre à ses applications ExoStruxure Power, est un excellent exemple de la façon dont la vision IIoT s'étend désormais davantage aux équipements critiques qui ne pouvaient auparavant pas être examinés pendant leur fonctionnement.

Les produits logiciels de niveau supérieur de Schneider Electric, tels qu'EcoStruxure Asset Advisor, sont des exemples d'exploitation des données sur l'état des équipements et, grâce à l'analyse et/ou à l'intelligence artificielle, fournissent des recommandations sur l'état des actifs ou même sur l'efficacité énergétique. L'emploi d'experts du domaine humain permet aux utilisateurs finaux de bénéficier à la fois d'analyses et de la meilleure expertise humaine dans la détection des problèmes. Cela les pousse vers la maintenance prédictive.

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Mots-clés : IIoT, Equipment Health, EvoPacT, Metal-Clad Switchgear, MT, Sensing, SureSet, Schneider Electric, ARC Advisory Group.