HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ 11. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 10. – 13. studenoga 2013. X-XX Antun Foškulo, dipl.ing.el. Končar – Inženjering za energetiku i transport d.d. antun.foskulo@koncar-ket.hr IDENTIFICIRANJE I PRAĆENJE OPREME KORIŠTENJEM RFID TEHNOLOGIJE UZ TRENUTNI UVID U STATUS OPREME NA GRADILIŠTU RP-a SAŽETAK Ovaj članak nastoji baciti svijetlo na procese identificiranja i praćenja opreme i to iz perspektive projektanta koji u danom trenutku može biti ponovno uključen u proces nabavke opreme. Sam taj proces kao i drugi povezani procesi umjesto da se izvode ručno mogu biti automatizirani korištenjem RFID tehnologije. Prikupljeni podaci mogu dodatno biti ojačani grafičkom vizualizacijom, time potpomažući identifikaciju dostupne opreme na gradilištu kao i efektivno prikazujući njen status na gradilištu time dajući uvid u trenutnu fazu izvedbe rasklopnog postrojenja. Uz potrebni software naglasak je ipak stavljen na potrebni hardware budući oprema rasklopnog postrojenja je sastavljena od materijala koji odbijaju radio signale. Eksperiment izvedivosti predloženog rješenja koristeći jednostavne aplikacije i besplatne online servise je provedena. Diskusija predloženog rješenja je provedena i pregled inih primjena RFID tehnologije na rasklopnim postrojenjima te njihove prednosti su navedene. Ključne riječi: RFID, identificiranje, praćenje, vizualizacija informacije, rasklopno postrojenje EQUIPMENT IDENTIFICATION AND TRACKING THROUGH THE USE OF RFID WITH A REAL-TIME GRAPHICAL INSIGHT INTO ITS ON-SITE STATUS SUMMARY This paper tries to put light onto the processes of equipment identification and equipment tracking from a perspective of a design engineer, who at some point in time may again be involved into equipment ordering process. Such processes instead of being manually performed again and again, can be automated by using the RFID technology with results that can be further enhanced through graphical visualization, thus helping to identify available equipment on-site and to show its on-site status in order to provide an insight into the current construction phase of the switchyard. Along with software needed accent is put onto the necessary hardware since switchyard equipment is mainly composed of materials that reflect radio signals. A feasibility experiment was conducted by using simple applications and free-of-charge online services. A discussion of proposed solution was conducted and an overview of some other uses for RFID technology and its benefits inside the switchyards is given also. Key words: RFID, identification, tracking, information visualization, switchyard 1 1. ANALIZA PROBLEMA 1.1. Domena problema – projektiranje i izgradnja rasklopnog postrojenja Projektiranje rasklopnih postrojenja predstavlja kompleksnu radnju koja zahtjeva integraciju više tehničkih disciplina koje između ostalog moraju biti i dobro koordinirane u svrhu postizanja dobrog tehničkog rješenja. Budući da svaka od zastupljenih tehničkih disciplina u fazi projektiranja ima za cilj izradu barem jedne projektne knjige to ima za posljedicu generiranja i postojanje u opticaju više dokumenata popisa opreme koji međusobno ne moraju biti povezani. Slika 1. Zastupljene tehničke discipline Sa gornje slike vidljivo je da rasklopno postrojenje predstavlja kompleksnu građevinu koja je sastavljena od stotine tipova opreme kao i na tisuće komada opreme definiranih unutar specifikacija opreme. Dimenzije opreme mogu varirati ovisno o svrsi opreme te mogu biti slični, a ipak različiti. U tu svrhu opremu možemo podijeliti nekoliko tipova opreme. 1.2. Tipovi opreme i njena dostava U svrhu ilustracije problema, samo oprema karakteristična za projektnu knjigu postrojenja visokog napona će biti spomenuta. Podjela takve opreme prikazana je na način vidljiv unutar tablice 1. Tablica 1. Tipovi i karakteristike opreme TIP OPREME Primarna oprema Ovjesna oprema Spojna oprema Užad Kabeli Postolja VELIČINA velika srednja mala duga duga velika KOLIČINA mala srednja velika srednja srednja srednje MATERIJAL čelik / porculan čelik / staklo / porculan aluminij / bakar aluminij / čelik / bakar aluminij / bakar / PVC / XLPE čelik 2 Ovisno o opremi koja se dostavlja na gradilište, sljedeća pravila dostave se primjenjuju : • • • • • Velika oprema kao jedinica Velika oprema može biti rastavljena na manje dijelove (zahtjeva dodatno vrijeme i trud za ponovno sastavljanje) Srednje velika oprema općenito dolazi rastavljena ali ju je nešto lakše sastaviti Manja oprema općenito je dostavljena unutar više kutija i to bez logičnog reda pakiranja Oprema izražena u duljini dolazi na bubnjevima sa neidentificiranom dužinom (obično standardne duljine po kabelskom bubnju) Po dostavi na gradilište oprema mora biti identificirana, provjerena, pobrojana, popisana te uskladištena što predstavlja vremenski zahtjevnu radnju. Budući da su električni sustavi (u ovom slučaju trofazni), skoro svaki dio opreme dolazi u setu po tri komada. Neuspjeh pozitivnog identificiranja samo jednog komada iz seta može uzrokovati kašnjenja mjerljiva u mjesecima. 1.3. Trenutni model procesa i praksa skladištenja Trenutni model procesa (AS-IS model) prikazan je na slici 2. i predstavlja aktivnosti izrade, provjere i usporedbe popisa opreme te aktivnosti vezane za gradilište. Aktivnosti kupnje i isporuke opreme između njih. Kao što je i vidljivo automatizacijska rješenja nisu prisutna. Slika 2. Trenutni (AS-IS) model procesa izrade, provjere i usporedbe Dopremljena oprema opisana pod poglavljem 1.2. se istovara te se smješta na tlo prije nego što jednim svojim dijelom bude uskladištena. Preostali dio opreme uz izloženost atmosferskim i inim utjecajima može biti oštećen prilikom obavljanja aktivnosti uobičajenih za svako gradilište. Oštećenja u transportu su također moguća. 3 1.4. Detektirani problemi Detektirani problemi su klasificirani u pripadajuće grupe : a) Identifikacija opreme • • • • • • Točno definirana specifikacija podložna je Voditelj projekta u definiciji rezervnih količina opreme može ali i ne mora obavijestiti projektanta Projektant rijetko dobije na uvid packing listu opreme Sanduci opreme mogu ali i ne moraju na sebi imati popisani sadržaj Dostava velikih narudžbi ima za posljedicu dolazak više kamiona na gradilište time onemogućujući detaljan identifikacijski proces opreme te prosljeđujući opremu direktno na brzo iskrcavanje i skladištenje Dostavljena oprema ručno se identificira, prebraja te popisuje b) Praćenje opreme • • • 2. Oprema male veličine, užadi i kabeli sastavljeni od metala su podložni krađi čak iako je skladište zaključano i čuvano Nedostatak ukradene opreme se primijeti tek neposredno pri njenoj ugradnji te zahtjeva dodatno vrijeme za nabavu i isporuku, onemogućujući kompletiranje radnji na određenom polju Definiranje nadomjesnih količina za ukradenu, oštećenu ili krivo naručenu opremu može pokrenuti iscrpljujući identifikacijski proces između voditelja gradilišta i projektanta čime se projektant gura u petlju ukoliko komunikacija nije u realnom vremenu (asinkrona komunikacija) OSNOVA I CILJEVI RJEŠENJA Osnova rješenja bazira se na principu automata prikazanog na slici 3. Slika 3. Princip automata Slika 4. Predložen koncept automatizacije Problemi identifikacije i praćenja opreme pokušat će biti premošteni korištenjem RFID tehnologije i vizualizacijom informacije te su navedeni u nastavku : a) Ciljevi identificiranja opreme • • • • Identificirati opremu dostavljenu na gradilište (automatski) Označiti dostavljenu opremu ovisno o mjestu ugradbe i pridodati joj odgovarajući status (automatski) Usporediti tablične podatke dostavljene opreme i potrebne opreme (ručno ili automatski) Izvršiti manipulaciju baze podataka (automatski ili ručno) b) Ciljevi praćenja opreme • • • Identificirati opremu raspoloživu u skladištu (automatski) Promijeniti status opreme (automatski ili ručno) Sinkronizirati status opreme sa bazom podataka (ručno ili automatski) c) Ciljevi vizualizacije informacije • Grafički prikazati status opreme na interaktivnoj karti (automatski) 4 3. KONCEPT RJEŠENJA Koncept rješenja vidljiv je na slici 4. te takvo predloženo rješenje nije u potpunosti automatizirano već postoje određeni koraci koji moraju biti obavljeni ručno. Drugi koraci mogu biti obavljani ručno ili automatizirani. 3.1. Ručne radnje Ručne pripremne radnje uključuju : a) pretvorbu specifikacije u strukturiranu tablicu podataka Prema AS-IS modelu na slici 2. specifikacija opreme (nestrukturirana tablica) koja pokazuje ukupne količine za određeni tip opreme morala bi biti razbijena na način da može vjerno prikazivati svaki jedinični komad iste opreme te prema tome sadržati stupac koji je rezerviran za upis unikatne oznake b) Pretvorba pozadine od interesa u interaktivnu kartu Pretvorbom slike u kartu istoj slici pridodaju se koordinate u smislu geografske širine i dužine. Pozadina za prikaz statusa može biti jedan ili više nacrta dostupnih unutar projektne knjige. Tu podrazumijevamo bokocrte ili izometrijske nacrte polja kao i sheme polja. Tlocrtna dispozicija je prihvatljiva ukoliko se ne želi prikazati status opreme koja je vertikalno jedna iznad druge. 3.2. Ručne ili automatske radnje Sljedeće radnje od interesa su : a) Strukturiranje tablice Strukturirana tablica podataka može imati mnogo redaka koji predstavljaju komad opreme dok ista tablica može sadržavati minimalno slijedeće stupce : • • • • • • Jedinstvena oznaka tag-a Oznaka Opis komada opreme Status opreme Geografska širina Geografska dužina b) Manipulacija bazom podataka U svrhu ostvarenja manipulacije podacima, slijedeće tablice se definiraju kao : • • • • • Tablica A kao tablica količine opreme dobivene očitavanjem na ulazu na gradilište Tablica B kao tablica ukupne potrebne opreme za kompletiranje izgradnje Tablica C kao tablica količina nedostajuće opreme na gradilištu ( C = B – A ) Tablica D kao tablica podataka za zapisivanje u tagove ( D = A presjek B) Tablica E kao tablica relevantna za prikaz statusa ( E = D U C ) Radnje manipulacije podacima obavljaju se unutar aplikacija baza podataka. c) Označavanja statusa Četiri vrste statusa su razmatrane i definirane su kao : • • Raspoloživo (dostupno na gradilištu) Instalirano • • nedostaje oštećeno 5 Pridodavanje statusa „raspoloživo“ vrši se automatski zapisivanjem tablice D unutar tagova koji su identificirani na ulasku na gradilište postrojenja. Naknadna promjena statusa opreme iz „raspoloživo“ u „instalirano“, „nedostaje“ ili „oštećeno“ vrši se ručno nakon ugradnje, prebrojavanja tj. pregledavanja isporučene opreme. 3.3. Ostale radnje Svakom komadu opreme jedinstvene koordinate moraju biti dodijeljene od strane projektanta ili druge osobe. Od projektanta također se zahtjeva da definira jedinstvene oznake opreme koje se mogu bazirati na oznakama unutar jednopolnih shema postrojenja. Fizičko označavanja opreme može provoditi ili naručitelj po zaprimanju opreme uskladištene do isporuke ili prodavatelj / isporučitelj opreme, sve prije konačne isporuke na gradilište. 4. DIZAJN I KOMPONENTE SUSTAVA Prema [2], dizajn sustava koji omogućuje provedbu svih aktivnosti nabrojanih unutar koncepta rješenja može biti ilustriran kao trokut sastavljen od četiri sloja. Svaki sloj predstavlja jednu komponentu sustava pa tako donja dva sloja predstavljaju hardware, a gornja dva sloja predstavljaju software (slika 5). Slika 5. RFID sustav Slika 6. Hardware RFID sustava Hardware RFID sustava sastoji se od tagova, čitača i računala prikazanih na slici 6. RFID tagovi mogu se podijeliti na aktivne i pasivne. Aktivni u sebi sadrže bateriju za razliku od pasivnih što je vidljivo na slici 7. Slika 8. predstavlja dvije izvedbe RFID čitača, stacionarni i prenosivi. Stacionarni čitač tj. RFID portal instalirao bi se na samom ulazu na gradilište dok se prenosivi RFID čitač može upotrebljavati unutar gradilišta. Slika 7. Izgled RFID tag-a : (a) pasivni, (b) aktivni Slika 8. Izgled RFID čitača : (a) stacionarni, (b) prenosivi 6 5. EKSPERIMENT IZVEDIVOSTI Kako RFID tehnologija nije bila dostupna autoru članka, simulacija eksperimenta predloženog koncepta je provedena. Struktura tablica podataka istovjerna je strukturi tablice podataka koja bi bila kreirana korištenjem RFID tehnologije. Slika 10a. Očitani podaci (tablica A) Slika 9. Prolazak šlepera ispod RFID portala Slika 10b. Referentni podaci (tablica B) Prolaskom kamiona ispod portala dolazi do očitanja njegovog sadržaja tj. do kreiranja tablice A prikazane na slici 10a. Tablica B na slici 10b. sadrži sve relevantne podatke tj. ukupne količine i tipove potrebne opreme. Obje tablice osnova su za početak manipulacije podacima koja se vrši unutar baze podataka. Za potrebe eksperimenta korištena je aplikacija MS Access. Slika 11a. Potrebna oprema (tablica C) Slika 11b. Raspoloživa oprema (tablica D) Tablica C tj. tablica razlika opreme dobivena je na način da se od ukupne količine opreme oduzela isporučena oprema. Tablica D dobivena je presjekom tablice A i tablice B. Tablica E za vizualizaciju statusa opreme također je kreirana unutar MS Accessa te je kao CSV format datoteke importirana unutar besplatnog servisa Google FusionTable. KML datoteka sa objedinjenim podacima eksportirana je te je potom učitana unutar interaktivne karte dostupne i napravljene preko UMapper besplatnog online servisa. Rezultat ostvaren na taj način vidljiv je na slici 12. Slika 12. Prikaz statusa opreme na interaktivnoj karti 7 6. DISKUSIJA O PRIJEDLOGU 6.1. Implementacija, troškovi i tehnički minimum U svrhu implementacije RFID sustava na gradilištu rasklopnog postrojenja prvi korak je razmatranje troškova i njihovo možebitno reduciranje. Ako gledamo na način da čitači (stacionarni i prenosivi) te računalo formiraju tehnički minimum te čine bazne troškove, onda je ušteda moguća odabirom određenog tipa RFID taga. Pasivni tag kao najjeftiniji tip uzima se kao prvi izbor. Međutim, kako se oprema za ugradnju na rasklopno postrojenje sastoji od metala i porculana tj. od materijala koji odbijaju radio valove to se savjetuje da se pasivni tagovi ne montiraju direktno na površine takvih materijala pa prema tome odabir pasivnih komponenata vjerojatno neće rezultirati dobrim očitanjem. Sljedeći problemi bit će razmatrani : • • 6.2. domet sustava razmještanje antena na portalu Domet sustava Metalni i porculanski dijelovi odbijaju radio valove od svoje površine te time smanjuju radni domet. Štoviše, metalni dijelovi uzrokuju struje koje protječu po površini materijala time proizvodeći magnetsko polje koje ometa RFID sustav na način da se smanjuju njegove sposobnosti čitanja i zapisa podataka te smanjujući radni domet sustava, [3]. Instaliranje pasivnih tagova na taj način uz istodobno zahtijevanje jeftinih komponenata relativno malih dimenzija koje omogućavaju dalek domet predstavlja izazov i realni problem, [4]. Prema [4], predlažu se slijedeća rješenja u svrhu poboljšanja : • • odabir frekvencije i uzimanje u obzir metalnih površina kod odabira antene održavanje određene udaljenosti između taga i površine, bilo na način da se ta udaljenost ispuni specijalnim materijalom ili montiranjem tagova na drvene sanduke koji sadrže metalni dio Takvi specijalni materijali su dostupni danas i bazirani su na nanostrukturama te ako se smjeste između taga i površine mogu ostavariti 50-60% normalnog dometa, [4]. Međutim, ti materijali nisu jeftini te značajno povećavaju cijenu cjelokupnog RFID rješenja. Frekvencija treba biti odabrana na način da se nalazi unutar određenog spektra. Niskofrekvencijski (LF) i visokofrekvencijski (RF) tagovi ponašaju se bolje unutar metalnih okruženja u odnosu na ultravisokofrekvencijske (UHF) tagove, ali su i više limitirani kod brzine prijenosa podataka, [5] što nije zanemariva činjenica pogotovo onda kad postoje stotine komada opreme utovarenih na kamion koji je spreman za prolaženje ispod stacionarnog portala. Kod ovog slučaja brzina prolaženja kamiona postaje važna i manje brzine prolaženja trebale bi biti prakticirane. Pasivni UHF tagovi pružaju dobre radne domete ali trpe degradaciju u performansama kad su instalirane na metalne površine. Budući da pasivni tagovi crpe energiju prilikom procesa ispitivanja iniciranog od strane čitača, mala količina energije primljena od taga radi refleksije može biti nedovoljna za obavljanje operacije čitanja. Eksperiment obavljen od strane [5] je dokazao da komercijalni pasivni UHF tagovi su neprimjereni za uporabu kod metalnih okruženja. Međutim, neka prilagođena rješenja sa drukčije dizajniranim antenom omogućavaju operaciju čitanja ali samo do određene udaljenosti (do 1m) što je ponovno nedovoljno za vršenje identifikacijskog procesa sa RFID portala. Slijedeće rješenje bilo bi korištenje semi-pasivnih tagova koji su baterijski napajani i zahtijevaju signal za njihovu aktivaciju. Budući da imaju u sebi bateriju time su u stanju pružiti veći radni domet, [6]. Prema [7], identificirani radni domet iznosi 10m u zraku ili 2.5m ukoliko je tag postavljen na metalnu površinu. Prema tome upotreba aktivnih tagova kao najskupljeg rješenja nije potrebna. 6.3. Razmještanje antena na portalu Uzimajući u obzir domet od 2.5m za semi-pasivni UHF tag i dimenzije kamiona od otprilike 3x3m (visina x širina), postojanje samo jedne antene na portalu je nedovoljno za efektivni prijenos i prijem radio signala. Instalacija više antena na više pozicija na portalu je moguća. Nekoliko rješenja je izvedivo i prema tome RFID portal može imati : • • dvije antene od kojih jedna služi za prijenos a druga za prijem radio signala više antena koje mogu vršiti i prijenos i prijam signala te montiranih na različita mjesta 8 Logička antena može biti definirana kao više povezanih antena koje su fizički ipak odvojene jedna od druge. Nebitno koji od gore navedenih rješenja se koristi, vjerojatnost uspješnog očitanja je povećana, [2]. Budući da su semi-pasivni tagovi jeftiniji od aktivnih tagova time imaju manji radni domet te uzimajući u obzir dimenzije kamiona slijedeći raspored je predložen : • • • • šest antena ukupno od kojih tri služe za prijenos, a ostale tri za prijam signala šest antena formiraju tri para od jedne antene za prijenos i jedne za prijam signala jedna logička antena montira se na gredu portala po jedna logička antena montira se na svaki stup (lijevo i desno) Različiti antikolizijski protokoli mogu biti korišteni i njihovo korištenje je preporučljivo u svrhu povećanja vjerojatnosti uspješne identifikacije. Nakon što je uspješno obavljena radnja čitanja sadržaja kamiona na način da kamion prolazi ispod portala vožnjom unaprijed, radnja zapisa može biti započeta i to na način da kamion vozi unatrag ispod istog RFID portala. 7. OSTALE PRIMJENE RFID TEHNOLOGIJE I NJIHOVE PREDNOSTI KOD RASKLOPNIH POSTROJENJA Osim informacija nužnih za identificiranje i praćenje opreme definiranih unutar poglavlja 3.2, RFID tehnologija može biti korištena i unutar eksploatacijske faze rasklopnog postrojenja i to pri procesu održavanja. Naime, postojeći tag koji se nalazi na površini opreme može sadržavati i dodatne informacije vezane za održavanje kao datum zadnjeg pregleda, servisa itd, [2]. Štoviše, i druge informacije kao temperatura, vlaga i sl. mogu biti također pohranjene unutar taga. Označavanje položenih u zemlju kabela i/ili cijevi također je provedivo i to u svrhu njihovog preciznog lociranja kod radnji zamjene istih ili pri djelomičnoj / potpunoj rekonstrukciji rasklopnog postrojenja. U svrhu realizacije ciljeva u tom slučaju oslanjamo se na dokumentaciju izvedenog stanja koja može biti precizna, ali isto može biti i u suprotnosti sa samim izvedenim stanjem. Neoslanjanjem jedino na dokumentaciju izvedenog stanja već i implementacijom označavanja kabela i cijevi mogu se izbjeći situacije koje dovode do prekidanja istih što pak dovodi do ušteda kako u vremenu tako i u novcu. 8. ZAKLJUČAK Predloženo rješenje u svrhu automatizacije bi se sastojalo od : • • • • RFID semi-pasivnih tagova RFID read / write portala sa 3 logičke antene RFID prenosivog read / write uređaja Centralnog računala sa adekvatnom aplikacijom te se može upotrijebiti u svrhu identificiranja i praćenja opreme unutar okruženja koje sadrže metalne i porculanske dijelove. Anti-kolizijski protokoli bi trebali biti implementirani u svrhu povećanja vjerojatnosti dobrog očitanja tj. zapisa. Identifikacija semi-pasivnih tagova trebala bi se obaviti u tvornici ili biti odrađena od strane isporučitelja opreme te bazirana na oznakama definiranim od strane projektanta (tablica B). Uporaba bežične tehnologije nije obvezatna ali može biti uključena ukoliko se želi smanjiti ručni rad te ukoliko se želi omogućiti brži uvid u grafičku informaciju unutar interaktivne karte. Samu vizualizaciju informacije moguće je provesti korištenjem besplatnih servisa uključujući pretvaranje slike u interaktivnu kartu kao i prikazivanje statusa unutar iste karte korištenjem tablica. Opisani koncept rješenja moguće je dodatno automatizirati na razini manipulacije podacima. Također, prikaz statusa unutar oblaka informacije moguće je ostvariti korištenjem simbola u boji pri čemu svaka boja ima značenje određenog statusa opreme time jačajući percepciju samog statusa. TO-BE model procesa na slici 13. sadrži jednu novu vertikalnu traku u odnosu na AS-IS model sa slike 2. u vidu RFID automatiziranog rješenja. Sve aktivnosti identificiranja i praćenje opreme mogu biti vršene preko RFID sustava. Usporedbom oba procesa iz projektantske perspektive vidljivo je sljedeće : 9 • • • • zadatak strukturiranja podataka vrši se od strane projektanta isti podaci prosljeđuju se dobavljaču i uključeni su unutar tablice B dupliranje aktivnosti identificiranja opreme je izbjegnuto petlja u koju je gurnut projektant više ne postoji Slika 13. Budući (TO-BE) model procesa Implementiranjem TO-BE procesa, kako projektant tako i ine osobe unutar lanca imaju način uvida u informaciju i to u realnom vremenu. Takva trenutna uvid dovodi do brže percepcije potencijalnog problema te ukoliko je isti pravovremeno registriran može dovesti do uštede u vremenu pri realizaciji rasklopnog postrojenja bilo kroz fazu njegovog projektiranja ili kroz fazu njegove izgradnje. 9. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] LITERATURA Wikipedia Sen P. et al. „RFID for Energy & Utility Industries“. 2009. Pennwell Corp. Adams D. „How RFID will work in metal environments“. 2005. UsingRFID.com Bernhard J. et al. „RFID in Metallic Environment : A technological gap to be closed“. 2007. Fraunhofer Institut fur Integrierte Schaltungen IIS. Mun L.N. „Design of High Performance RFID Systems for Metallic Item Identification“. 2008. PhD thesis. School of Electrical and Electronic Engineering. The University of Adelaide. Hassan M. „Experimental Evaluation of Semi-Passive RFID Performance in Warehouse Environment“. 2012. Brunel University London TempSensorNews web stranica 10
© Copyright 2024 Paperzz
