Комплексная система диспетчеризации объектов водоснабжения

В статье представлена система диспетчеризации DSQP100 для объектов водоснабжения. Подробно рассмотрены все ее компоненты: локальная система управления, представляющая собой электротехнический шкаф с многофункциональной панелью оператора QuickPanel+, и верхний уровень системы, который организуется с помощью рабочей среды HMI/SCADA Cimplicity 9.5, установленной на рабочий компьютер диспетчерской или АРМ оператора. Показаны преимущества, которые дают пользователям данные высокотехнологичные решения.

ООО «Адвантек Инжиниринг», г. Москва

Большинство предприятий нуждаются в решениях, четко кастомизированных под свои задачи и процессы. Яркий пример – объекты водоснабжения, для которых необходимы специализированные системы автоматизации и диспетчеризации процессов. Это связано не только со спецификой водоподготовки, но и с общей безопасностью. В настоящий момент на рынке присутствует не так много подобных систем, а по-настоящему удобные и работающие можно пересчитать по пальцам. Однако именно к таким – удобным, работающим, многофункциональным и адаптивным – можно причислить систему диспетчеризации DSQP100, программно-аппаратное решение, разработанное компанией GE специально для объектов водоснабжения.

Данный комплекс программных продуктов и оборудования позволяет реализовать диспетчеризацию скважинных водозаборов и резервуаров, насосных станций и установок повышения давления, установок водоподготовки и других объектов.

В структуре системы диспетчеризации DSQP100 можно выделить два уровня: автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, или центральный сервер системы, на котором установлено ПО HMI/SCADA Cimplicity 9.5, и подключенные к не­му локальные подсистемы управления, которые могут находиться на значительном расстоянии друг от друга, поэтому для связи с ними используется интернет. Ниже мы рассмотрим подробнее все элементы системы диспетчеризации DSQP100, ее функциональность и возможности человеко-машинного интерфейса.

Локальные подсистемы управления

Непосредственно на объектах водоснабжения действуют локальные подсистемы управления, которые являются составной частью системы диспетчеризации DSQP100 (рис. 1). Физически локальная подсистема представляет собой электротехнический шкаф, в котором установлены: система ввода/вывода RSTi, коммутационное оборудование (коммутатор, преобразователи интерфейсов и пр.), ИБП и вмонтированная во фронтальную дверь шкафа панель оператора QuickPanel+. Локальные подсистемы могут устанавливаться как на вновь создаваемых объектах, так и на уже существующих, поскольку они поддерживают оборудование практически любого производителя.

Рис. 1. Локальная подсистема управления

Связь между верхним уровнем системы диспетчеризации DSQP100 и ее локальными подсистемами реализуется по интернет-каналу с использованием услуг провайдера. Способ связи выбирается индивидуально, это может быть оптический, проводной или GSM-канал – в зависимости от удаленности и расположения объекта.

Для организации удаленного вво­да/вывода в локальной подсистеме служит система ввода/вывода RSTi, построенная по модульному принципу. Составляющие ее модули отличаются исключительной компактностью, имеют ширину всего 11,5 мм (ни одно устройство ввода/вывода на рынке не обладает такими оптимальными размерами) и снабжены креплением для DIN-рейки. Количество и расположение модулей на рейке можно изменять в зависимости от конкретных задач, но в любом случае их конструкция обеспечивает высокую плотность каналов: можно подключать до 64 модулей, до 1024 точек входа/выхода. Одним из главных достоинств системы ввода/вывода RSTi является встроенный в модуль веб-сервер, с помощью которого реализуется удаленный доступ. Это решение сокращает затраты на сервисное обслуживание и внедрение системы управления. Помимо оптимальной конструкции, система ввода/вывода RSTi обладает такими преимуществами, как высокая скорость обработки сигналов (до 256 дискретных В/В за 20 мкс) и расширенные функции диагностики. Она дееспособна в широком диапазоне рабочих температур (от –20 до +60 °C) и отличается низким энергопотреблением.

Все данные о работе подконтрольного объекта, графики, отчеты и прочая информация выводятся на панель оператора QuickPanel+, встроенную в дверь электротехнического шкафа. Об этом устройстве необходимо сказать особо.

Панель оператора QuickPanel+ (рис. 2) обладает функциональностью как сенсорной панели, так и ПЛК, то есть в одном корпусе совмещает человеко-машинный интерфейс, сетевой интерфейс, программируемый логический контроллер и устройство сбора и хранения данных. Для выполнения столь разнообразных задач QuickPanel+ оснащена микропроцессором Advanced RISC Machine (ARM Cortex A8, 1 ГГц) и оперативной памятью DDR3 SDRAM 1 ГБ, это небольшое, но мощное устройство. Одна такая панель оператора способна оптимизировать работу всей системы управления, сократив затраты на ее разработку и обслуживание.

Рис. 2. Панель оператора QuickPanel+

QuickPanel+ дает всем специалистам, работающим с системой, немало ценных преимуществ. Мультисенсорный экран, привычный современному пользователю и удобный в работе, реагирует даже на прикосновение пальца в перчатке, что нелишне в промышленных условиях. Также панель поддерживает удаленное подключение, позволяющее работать с ней (а значит, и с локальной подсистемой управления) дистанционно. Благодаря этой важной характеристике разработчики систем управления могут заниматься программированием со своего персонального компьютера, технологи и операторы – так же удаленно осуществлять диагностику и управление системой, а руководящий состав компании имеет доступ к основным показателям технологического процесса с планшета или телефона, получая в свое распоряжение веб-отчеты, графики и технологические экраны. С QuickPanel+ может работать одновременно даже целый коллектив сотрудников с помощью безопасного подключения через FTP- и HTTP-серверы.

В панель предустановлено программное обеспечение GE Historian collector, которое может выполнять сбор, хранение и обработку производственных данных из разрозненных источников. Исторический архив Historian collector позволяет использовать панель вместо традиционной SCADA-системы или совместно с ней.

QuickPanel+ поддерживает более 40 протоколов обмена данными, что делает ее универсальным решением, ведь она способна подключаться к контроллерам или станциям ввода/вывода сторонних производителей и обеспечивает быструю интеграцию даже в сложных системах.

Вообще, универсальность можно назвать главной идеей данного устройства, краеугольным камнем, положенным в его основу. Здесь всё сделано, чтобы облегчить интеграцию любых устройств, работающих на предприятии, в единую систему управления. Панель позволяет пользователю подключиться фактически ко всем типам отраслевого оборудования: у нее есть порт Ethernet, два порта USB для подключения периферийных устройств, COM-порт. Также предусмотрена возможность расширения портов с помощью переходников (например, USB в RS‑232, RS‑485 или Ethernet).

Хотелось бы отметить еще ряд характеристик QuickPanel+:
— поддержка технологии ‘plug and play’;
— удобный дизайн для облегчения монтажа;
— наличие полнофункционального вeб-браузера с поддержкой мультимедиа;
— поддержка пяти языков программирования стандарта МЭК (IEC): (LD) релейно-контактная логика, (SFC) последовательные функциональные схемы, (ST) структурированный текст, (IL) список инструкций, (FBD) язык функциональных блоковых диаграмм;
— мощный инструмент написания скриптов, включая возможности мультисенсора (двойное касание, зуммирование, перелистывание);
— наличие обширной базы данных, уменьшающей время на разработку приложений, поскольку отсутствует необходимость повторно вводить имена тегов; наличие библиотеки объектов анимации;
— промышленный дизайн: устойчивость к вибрации, широкий диапазон температур, стойкий к повреждениям экран, степень защиты IP65.

Панель оператора QuickPanel+ вместе с системой ввода/вывода RSTi являются идеальным инструментом для автоматизации малых промышленных объектов, это высокотехнологичные решения эпохи промышленного интернета вещей.

Верхний уровень системы диспетчеризации

Вся информация, собранная локальными подсистемами управления, стекается на верхний уровень системы диспетчеризации. Верхний уровень организуется с помощью рабочей среды HMI/SCADA Cimplicity 9.5, установленной на рабочий компьютер диспетчерской или АРМ оператора. Это программное обеспечение входит в большое семейство программных компонентов Proficy, которые компания GE Automation&Controls разрабатывает для построения промышленных автоматизированных систем разного масштаба и назначения, начиная от локальных и заканчивая MES-системами. HMI/SCADA Cimplicity 9.5 представляет собой прикладное ПО SCADA-системы, позволяющее создать общую структурную схему объекта водоснабжения (которую можно наложить на карту расположения объектов), а также построить мнемосхемы каждого из объектов. Кроме того, программа ведет журнал с записями событий и строит графики (тренды) изменения технологических параметров и параметров работы оборудования (рис. 3–6). На экране АРМ диспетчера при этом отображается следующая информация:
— давление в трубопроводах или на устье (для скважинного насосного агрегата);
— расход воды;
— уровень в резервуарах;
— температура обмотки, подшипников (в зависимости от типа агрегата);
— частота вращения вала (при использовании преобразователя частоты);
— электрические (напряжение, потребляемый ток) и другие параметры;
— архивы данных, отчеты о работе оборудования за любой промежуток времени: день, месяц, неделю, год.

Рис. 3. Технологическая схема насосной станции

Рис. 4. Электрическая схема насосной станции

Автоматизация и диспетчеризация систем водоснабжения

А. Т. Шагапов, генеральный директор ООО «ЭКОГИДРОПРОЕКТ»

Процессы автоматизации и диспетчеризации инженерных сетей и сооружений не только обеспечивают контроль над работой систем водоснабжения, но также являются основой для формирования единой информационно-управляющей системы, которая позволяет значительно снизить энергопотребление систем водоснабжения, а также повысить надежность их работы. В данной статье рассматриваются основные понятия, используемые при автоматизации и диспетчеризации инженерных систем.

Автоматизация – применение специальных технических средств, приспособлений, устройств и систем, осуществляющих контроль и управление технологическими процессами на различных объектах систем водоснабжения.

Средствами автоматики решаются различные задачи, возникающие в процессе эксплуатации объектов систем водоснабжения.

1. Обеспечивается поддержание на заданном уровне различных технологических параметров: количественных (давление, расход, уровень, температура и др.) и качественных (рН, концентрация остаточного хлора, щелочность, мутность, цветность и др.).
2. Включаются и отключаются насосные агрегаты при достижении заданных технологических параметров (уровней воды в резервуарах, давления и расхода в трубопроводе и др.).
3. Соблюдается заданная последовательность операций (включение и отключение пускателей и выключателей, открытие и закрытие задвижек и затворов, подача охлаждающей воды на подшипники и т. д.) при пуске и останове насосных агрегатов, промывке фильтров или вращающихся сеток и прочих устройств и механизмов.
4. Отключаются поврежденные агрегаты и включаются резервные в случае возникновения аварийной ситуации или неисправности оборудования.
5. Изменяется количество работающих насосов и регулируется их подача при изменении водопотребления или уровня воды в резер-вуарах.
6. Поддерживаются необходимое давление в системе трубопроводов и уровень воды в резервуарах.
7. Включаются или отключаются вспомогательные устройства, механизмы и системы (насосы технической воды, дренажные насосы, системы отопления и вентиляции, освещения и др.).
8. Осуществляется дозирование реагентов (коагулянта, хлора и т. д.).

Диспетчеризация – централизованный контроль и управление территориально разобщенными объектами водоснабжения, связанными общим технологическим процессом. Система диспетчеризации должна предусматриваться для систем водозабора, водоочистки, водоподачи и распределения воды между потребителями.

Диспетчеризация неавтоматизированных объектов (небольших насосных станций и очистных сооружений с дежурным персоналом) может осуществляться с помощью телефонной связи.

Диспетчеризация более крупных и автоматизированных объектов осуществляется, как правило, средствами телемеханики. Системы телемеханики (ТМ) по характеру выполняемых функций делятся на телесигнализацию (ТС), телеизмерение (ТИ) и телеуправление (ТУ).

Системы телесигнализации (ТС) передают на диспетчерский пункт (ДП) сигналы о положении и состоянии оборудования и систем: работает агрегат или не работает, закрыта задвижка или открыта, находится фильтр в работе или на промывке, или он пребывает в нерабочем состоянии (в ремонте).

Системы телеизмерения передают на ДП информацию об измеряемых параметрах: о давлении на коллекторе насосных станций, расходе воды в водоводах и магистралях, об уровне воды в резервуарах, мутности или цветности воды, дозы коагулянта и хлора и т. д.

Системы телеуправления передают с диспетчерского пункта на объекты (насосные станции, очистные сооружения) команды: остановить или пустить в работу насосный агрегат, открыть или закрыть задвижку, включить фильтр на промывку и т. д.

Для сбора информации на объектах водоснабжения и передачи ее на ДП, а также для передачи на объект команды с ДП оборудуются контрольные пункты (КП). Передача информации осуществляется по каналам связи. Каналами связи могут быть специальные контрольные кабели, телефонные пары проводов, а также радиоканалы.

Многопроводный канал связи соединяет каждый объект управления (насосный агрегат, задвижку) с органом управления (кнопкой, ключом) или устройством, воспринимающим информацию (табло, сигнальная лампа, измерительный прибор). Многопроводная система связи неэкономична, используется при небольшом количестве объектов управления, находящихся на небольшом расстоянии от диспетчерского пункта.

При большом количестве объектов управления, находящихся на значительном расстоянии от диспетчерского пункта, предпочтительней использование малопроводной системы передачи информации, осуществляемой или по проводам, или по телефонным парам. В этом случае система телемеханики оснащается устройствами для разделения сигналов (шифраторами и дешифраторами кода, фильтрами, распределителями сигналов). Аналогичные устройства необходимы при использовании радиоканалов.

В настоящее время в системах автоматизации и диспетчеризации широкое применение находит микропроцессорная и компьютерная техника, что позволяет значительно сократить количество аппаратуры диспетчеризации (передающих, преобразующих и сигнальных устройств, в том числе громоздких мнемосхем, табло и т. д.), что сокращает площади диспетчерских пунктов.

Применение микропроцессоров и компьютеров обеспечивает высокую гибкость систем управления при изменении режимов работы отдельных объектов и вводе в эксплуатацию новых объектов путем перепрограммирования структуры систем управления, повышает надежность систем управления и оперативность управления, обеспечивает более четкую визуализацию схем объектов и параметров технологических процессов.

При создании систем автоматизации и диспетчеризации соблюдается ступенчатая иерархия:

• системы автоматизации, имеющие местное значение и схемы автоматизации отдельных механизмов и устройств (дренажные насосы, вращающиеся сетки, вентиляция, отопления и т. п.), строятся как локальные, независимые друг от друга и от систем, имеющих более общее значение. В отдельных случаях из локальных систем подаются информационные сигналы в системы автоматизации более высокого уровня;
• системы автоматизации основных насосных агрегатов, очистных сооружений и других объектов, влияющих на процесс водоснабжения в целом, строятся как локальные системы, функционирующие самостоятельно, но в то же время они входят в автоматизированную систему технологического процесса (АСУ ТП) предприятия, напри-мер водопроводной станции.

АСУ ТП представляет высший этап автоматизации, обеспечивающий оптимальный режим работы предприятия. Локальные системы автоматизации, входящие в состав АСУ ТП, выдают необходимые информационные сигналы в АСУ ТП и получают соответствующие команды из АСУ ТП.

Команды могут выдаваться в виде задания определенных технических параметров (дозы реагента, давления, уровня и т. д.) или команд на включение/отключение различных агрегатов или механизмов (основных насосов, затворов и задвижек и др.), а также на включение определенных программ действия (промывка фильтров, вращающихся сеток и др.).

В крупных системах водоснабжения, состоящих из нескольких водопроводных станций, регулирующих узлов, станций подкачки, сложной системы водоводов, магистралей и водопроводных сетей, создаются АСУ ТП города (промышленного предприятия), в состав которых входят АСУ ТП водопроводных станций и других предприятий водоканалов. АСУ ТП водоснабжения представляет собой систему, в которой диспетчер с помощью специальных технических средств осуществляет управление процессом водоснабжения.

В условиях функционирования АСУ ТП создается диспетчерская служба, имеющая, в зависимости от специфики конкретной системы водоснабжения, одно-, двух- или трехступенчатую систему управления.

Верхней иерархической ступенью оперативного управления является центральный диспетчерский пункт (ЦДП) Управления водоканала города (промышленного объекта). ЦДП этого уровня предназначается для контроля и оперативного управления ходом технологического процесса всей системы водоснабжения, включая водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, водоводы, резервуары, регулирующие узлы, магистрали и распределительные сети.

Следующая ступень управления – ЦДП предприятия водопроводно-канализационного хозяйства (водопроводной станции, куста артезианских скважин, каскада насосных станций территориального водопровода и др.). ЦДП предприятия предназначается для контроля и управления технологическим процессом сооружений водопроводной станции (водозабора, насосных станций, водоводов, очистных и других сооружений данного предприятия).

Более низкая ступень управления – МДП цехов и отдельных производств, предназначается для контроля и оперативного управления технологическими процессами конкретных объектов: насосных станций первого подъема, второго подъема, очистных сооружений, здания фильтров и других.

Нижней ступенью управления является оперативный пункт (ОП), предназначенный для управления отдельными сооружениями и процессами. ОП оснащается приборами контроля, аппаратурой дистанционного управления и сигнализации, средствами связи. Информация на ОП поступает от технологических датчиков, блок-контактов пусковой аппаратуры и воспроизводится на щитах контроля или экранах компьютеров. Информация от ОП по каналам связи передается на МДП и ЦДЛ, где она обрабатывается соответ-ствующим образом и служит основой для принятия вышестоящим диспетчером решений по управлению технологическим процессом водоснабжения.

Выводы

Автоматизация и диспетчеризация систем водоснабжения:

• повышают надежность систем управления и оперативность управления;
• обеспечивают более четкую визуализацию схем объектов и параметров технологических процессов.

Применение микропроцессоров и компьютеров обеспечивает высокую гибкость систем управления при изменении режимов работы отдельных объектов и вводе в эксплуатацию новых объектов.