Najnowsze technologie w zarządzaniu oraz sterowaniu eksploatacją pomp i ujęć głębinowych system SoftSPM

Transkrypt

1 54 Praktyka i eksploatacja Rok VI Zeszyt 4(36) lipiec sierpień 2014 ISSN Marian Strączyński Ryszard Woszczyk Przemysław Zatorski Najnowsze technologie w zarządzaniu oraz sterowaniu eksploatacją pomp i ujęć głębinowych system SoftSPM Część I. Budowa systemu Współczesna eksploatacja układów pompowych pomp głębinowych ukierunkowana jest głównie na energooszczędne wydobycie wody oraz przekazanie jej do stacji uzdatniania SUW. Zagadnienie oszczędności energii przekłada się na optymalizację budowy układów pompowych, ich właściwego opomiarowania oraz prowadzenia optymalnego zarządzania eksploatacją wraz z odpowiednim monitoringiem i sterowaniem. Całość zagadnień [1] wymaga uwzględnienia charakterystycznego dla eksploatacji studni i pomp głębinowych wzajemnego przenikania się zagadnień z dziedzin: hydrogeologii, techniki pompowej, hydromechaniki, elektrotechniki, techniki systemów, automatyki itp. Wiemy też, że z punktu widzenia eksploatacji pomp głębinowych najważniejszym zagadnieniem jest właściwy dobór parametrów pompy do warunków pracy w układzie pompowym, eksploatowanym w danej studni ujęcia. Właściwy dobór pompy głębinowej gwarantuje uzyskiwanie wysokich wskaźników sprawności energetycznej w przyszłej eksploatacji głębinowego agregatu pompowego oraz zapewnia jego długotrwałą i bezawaryjną pracę na ujęciu. Współcześnie opracowane modele matematyczne [2] doboru pomp do bieżącej charakterystyki studni oraz układu pompowego wraz z modelami ocen energochłonności i diagnostyki pracy układów: studnia agregat pompowy rurociąg z armaturą, systemowo zmieniają sposób zarządzania w eksploatacji ujęć. Przykładem nowoczesnego podejścia do zarządzania eksploatacją pomp i ujęć głębinowych jest aktualnie wdrażany w Polsce i za granicą, system SoftSPM (Sabmersible Pumps Managment). 1. Budowa układów pompowych SPM W systemie SoftSPM zarządzanie eksploatacją pomp i ujęć głębinowych prowadzone jest z poziomu oprogramowania, które posiada trzy warianty, przystosowane do potrzeb różnych użytkowników: SoftSPM basic, SoftSPM stadard lub SoftSPM enterprice. Dostępne są również trzy wersje oprzyrządowania i opomiarowania studni wersja minimum, wersja bazowa i wersja optymalna, które w zależności od potrzeb oraz posiadanych środków finanso- wych mogą być instalowane na obiektach ujęć w terenie. Wersje te bazują na najnowocześniejszych rozwiązaniach z dziedziny opomiarowania układów pompowych studni, do których należy między innymi zintegrowana sonda pomiaru ciśnień wewnątrz i na zewnątrz rurociągu tłocznego pompy głębinowej, montowana za króćcem tłocznym pompy, pod wodą. Sonda ta umożliwia precyzyjne wyznaczenie bilansu strat przepływu w układzie pompowym, w tym określenie liniowych strat przepływu w rurociągu, na którym pracuje pompa głębinowa. Na rys. 1 pokazano widok zintegrowanej sondy pomiaru ciśnień podczas jej montażu w rurociągu tłocznym pompy głębinowej. Rys. 2 przedstawia schemat zabudowy urządzeń i opomiarowania dla wersji minimum SPM-MIN. W wersji tej, w układzie pompowym można sterować pracą głębinowego agregatu pompowego oraz studni. Mierzone są następujące parametry: ciśnienie p p przy króćcu tłocznym pompy głębinowej (po wodą); położenie statycznego lub dynamicznego zwierciadła wody H st, H d w studni; ciśnienia p 1, p 2 (przed i za zasuwą dławiącą). Zapewnione jest także zdalne sterowanie załącz/wyłącz silnikiem pompy.

2 Najnowsze technologie w zarządzaniu oraz sterowaniu eksploatacją pomp i ujęć głębinowych Rys. 1. Zintegrowana sonda pomiaru ciśnień podczas montażu w rurociągu tłocznym pompy głębinowej Rys. 2. Schemat zabudowy urządzeń i opomiarowania dla wersji minimum SPM-MIN Wersja SPM-MIN jest najtańszą wersją opomiarowania studni lecz mimo to umożliwia matematyczne, komputerowe wyznaczanie parametrów pracy układu pompowego oraz daje możliwość dokonywania modelowych ocen energochłonności. Wersję tą można stosować w układach pompowych, w których pompowane medium nie posiada lub posiada śladowe zanieczyszczenia mechaniczne, głównie piasek, oraz jakość pompowanej wody jest zbliżona do jakości wody pitnej. Dokładność wyznaczonej matematycznie wydajności pompy jest uzależniona od stromości charakterystyki H = f(q), a klasa dokładności mieści się w przedziale 0,5 1,5. Dla pomp o wyjątkowo płaskich charakterystykach należy stosować wersję wyższą systemu, np. SPM-BASE. W wersji opomiarowania SPM-MIN opomiarowanie układu pompowego studni współpracuje ze specjalizowanym sterownikiem SP-21 (rys. 3 i 4), który rejestruje i przesyła dane pomiarowe do programu centralnego SoftSPM. Na rys. 4 pokazano operatora systemu, który regulując położenie zwierciadła wody w studni, otrzymuje wynik pomiaru poziomu w postaci wiadomości sms na telefonie komórkowym. Rys. 3. Urządzenie monitoringu studni SP-21 Na rys. 5 przedstawiono schemat zabudowy urządzeń i opomiarowania dla wersji bazowej SPM-BASE. W wersji tej, w układzie pompowym można sterować pracą głębinowego agregatu pompowego oraz studni. Mierzone są następujące parametry:

3 56 Praktyka i eksploatacja Rys. 4. Operator systemu, regulując położenie zwierciadła wody w studni, otrzymuje wynik pomiaru poziomu w postaci wiadomości sms na telefonie komórkowym ciśnienie p p przy króćcu tłocznym pompy głębinowej (po wodą); położenie statycznego lub dynamicznego zwierciadła wody H st, H d w studni; ciśnienia p 1, p 2 (przed i za zasuwą dławiącą); wydajność pompy Q. Zapewnione jest również zdalne sterowanie załącz/ wyłącz silnikiem pompy. Wersja SPM-BASE jest najczęściej stosowaną w eksploatacji ujęć i nie wymaga ograniczeń w jakości pompowanego medium. Wersja ta zapewnia wysoką dokładność pomiarów parametrów hydraulicznych w układzie pompowym klasa poniżej 0,5. Wersja SPM-BASE współpracuje, podobnie jak SPM-MIN, ze specjalizowanym sterownikiem SP-21. Wersja optymalna SPM-OPT, przedstawiona jest na rys. 6. W tej wersji zapewnione jest następujące opomiarowanie oraz sterowanie układu pompowego: Pomiary studzienne: ciśnienie p p przy króćcu tłocznym pompy głębinowej (po wodą); położenie statycznego lub dynamicznego zwierciadła wody H D, H ST w studni; ciśnienia p 1, p 2 (przed i za zasuwą dławiącą); wydajność pompy Q; temperatura wody T w ; temperatura silnika T s czujnik PT-100; zasolenie wody z s. Pomiary elektryczne: napięcie zasilania U; pobór prądu I; pobór mocy czynnej P e ; Rys. 5. Schemat zabudowy urządzeń i opomiarowania dla wersji bazowej SPM-BASE Rys. 6. Schemat zabudowy urządzeń i opomiarowania dla wersji optymalnej SPM-OPT

4 Najnowsze technologie w zarządzaniu oraz sterowaniu eksploatacją pomp i ujęć głębinowych współczynnik mocy cos Ø; diagnostyka prądowa. Sterowanie zdalne: otwieranie/zamykanie zasuwy; zwiększanie/zmniejszanie obrotów silnika falownik; załączanie/wyłączanie silnika pompy. Z każdego obiektu przekazywany jest także sygnał dwustanowy, generowany w sytuacji ingerencji osób niepowołanych (tzw. sygnał ochrony obiektu). Rys. 7. Sterownik SIMATIC S7 Sygnały z aparatury kontrolno-pomiarowej doprowadzone są do szafki automatyki, w której zainstalowany jest specjalnie oprogramowany sterownik SIMATIC S rys. 7, współpracujący (zazwyczaj poprzez sieć GSM sms) lub GPRS z oprogramowaniem SoftSPM. Do wykorzystania możliwe są również inne środki przekazu danych: światłowody, radio, wi-fi, kable telekomunikacyjne itp. systemu posiada praktycznie nieograniczone możliwości w konfiguracji systemu, zarówno pod kątem swoich potrzeb ruchowych jak i zasobów finansowych. Każda z możliwych konfiguracji systemu zapewnia wprowadzenie nowoczesnego, a przede wszystkim zoptymalizowanego zarządzania eksploatacją pomp i ujęć głębinowych. Trzonem systemu jest oprogramowanie. Wersja SoftSPM basic przygotowana jest dla niewielkich użytkowników pomp głębinowych, przy czym może już współpracować z każdą z wersji oprzyrządowania i opomiarowania studni. Oprogramowanie SoftSPM standard przygotowane jest dla użytkowników posiadających własną stację prób pomp natomiast SoftSPM enterprise obsługuje korporacje zajmujące się nadzorem i zarządzaniem w dużych systemach eksploatacji ujęć i pomp głębinowych. System SoftSPM może być też wykorzystywany do własnych celów przez producentów głębinowych agregatów pompowych. Każda z wersji oprzyrządowania i opomiarowania studni wersja minimum, wersja bazowa i wersja optymalna współpracuje z oprogramowaniem SoftSPM basic, Soft- SPM standard lub SoftSPM enterprise. Zaimplementowane w każdej wersji oprogramowania modele matematyczne przetwarzają dane pomiarowe i wizualizują wyniki np. na mapie odtwarzającej położenie studni w terenie rys. 8. Jednocześnie, na mapie tej zaznaczono położenie zbiornika (niebieski kolor otoczki). Wizualizacja pracy studni pokazuje aktualny stan pracy układu pompowego kolor zielony otoczki świadczy o załączeniu i pracy silnika pompy głębinowej, kolor czerwony otoczki położenia studni świadczy o wyłączeniu pracy pompy głębinowej. Dodatkowo, wewnętrzny (w zaokrągleniu) kolor w otoczce położenia studni wizualizuje aktualny stan oceny pracy układu pompowego: kolor zielony oznacza optymalną pracę układu; kolor żółty wskazuje na graniczną pracę wymagającą optymalizacji; kolor czerwony oznacza niewłaściwą pracę układu pompowego oraz studni. W przypadku wizualizacji zbiorników i piezometrów wewnętrzny kolor w otoczce ich położenia odzwierciedla stan położenia zwierciadła wody: kolor zielony poziom dopuszczalny, 2. Budowa i struktura oprogramowania oraz systemu SoftSPM System SoftSPM posiada trzy wersje oprogramowania oraz trzy wersje oprzyrządowania i opomiarowania studni. Użytkownik decydujący się na zastosowanie Rys. 8. Mapa odtwarzająca położenie studni w terenie na przykładzie systemu w ZWiK Myszków

5 58 Praktyka i eksploatacja 2. Hostingowy każdorazowe wdrożenie jest specyficzne dla konkretnego klienta. System finalnie jest instalowany na serwerach SDC (SoftSPM Data Center), a dostęp odbywa się za pomocą internetu. 3. U klienta podobnie jak w przypadku modelu hostingowego, system jest dostosowywany bezpośrednio pod potrzeby klienta, natomiast sam system jest instalowany na serwerach wskazanych przez klienta. Rys. 9. Trójwarstwowa architektura oprogramowania SoftSPM kolor żółty poziom graniczny, kolor czerwony poziom niedopuszczalny. Monitoring pracy zbiorników i piezometrów nadzoruje specjalne urządzenie systemu P-21. SoftSPM to aplikacja webowa, inaczej mówiąc jest to program komputerowy, który pracuje na serwerach, a komunikacja z użytkownikiem końcowym odbywa się poprzez sieć komputerową internet, wykorzystując przeglądarki internetowe. Technika projektowania systemu została tak dobrana, aby jej wygląd i układ dostosowywał się automatycznie do rozmiaru okna urządzenia, na którym jest on wyświetlany (przeglądarki internetowe, smartfony, tablety). Ponadto, sam system spełnia oczekiwania w kontekście user experience design, czyli produktu interaktywnego ze szczególnym zwróceniem uwagi na to, aby interakcja z nim dostarczała użytkownikom pozytywnych wrażeń, co bezpośrednio przekłada się na jego intuicyjność w kontekście samej obsługi. Oprogramowanie SoftSPM jest zbudowane w oparciu o architekturę trójwarstwową (rys. 9), w skład której wchodzą serwer bazy danych, serwer aplikacji oraz serwer prezentacji. Zastosowane najnowsze rozwiązania open source bezpośrednio przekładają się na globalny koszt wdrożenia systemu, ponieważ odbiorca nie ponosi dodatkowych wydatków z tytułu zakupu licencji zewnętrznych (serwery aplikacji, serwery bazy danych itp.). Model sprzedaży systemu proponowany przez firmę SoftSPM jest oferowany w trzech wariantach: 1. Abonamentowy, w którym to Klient ponosi miesięczne koszty abonamentowe, a sam system jest hostowany na serwerach SDC (SoftSPM Data Center). Klient korzysta ze standardowych funkcjonalności (zakres zależny od wykupionej wersji MINI/BASE/OPT), wykorzystując dostęp do internetu. Wykorzystane bezprzewodowe i niezawodne technologie do komunikacji pomiędzy systemem a urządzeniami pomiarowymi montowanymi przy obiektach, dają nieograniczone możliwości bez barier odległościowych lub terytorialnych. Z pewnością można stwierdzić, że w każdym wariancie system jest w stanie obsłużyć każde urządzenie oddalone nawet o tysiące kilometrów od naszej aplikacji. Wykorzystując możliwości korzystania z aplikacji przez internet, zarządzanie obiektami staje się proste, funkcjonalne i dostępne w dowolnym momencie z dowolnego miejsca na świecie. W ramach podstawowego zakresu systemu mamy między innymi możliwość: 1. Zarządzania katalogami pomp, silników, opomiarowania, orurowania oraz okablowania. 2. Doboru agregatów pompowych. 3. Zarządzania stanami magazynowymi. 4. Zarządzania i eksploatacji obiektami (studnie, zbiorniki, piezometry). 5. Zdalnego zarządzania urządzeniami. 6. Pełnego monitoringu on line. 7. Dostępu do pełnej historii pomiarowej obiektów i urządzeń. 8. Korzystania z bazy wiedzy. W systemie SoftSPM zakres przetwarzanych danych oraz informacji jest wyjątkowo szeroki i obejmuje: technikę pompową: komputerowy katalog głębinowych agregatów pompowych wraz z wyborem i doborem pomp, automatycznie sterowane stacje prób pomp głębinowych, wizualizacja pracy punktów pracy pomp na ich charakterystykach H = f(q) podczas eksploatacji (charakterystyki katalogowe lub ze stacji prób), oceny eksploatacji pomp wg charakterystyk katalogowych i rzeczywistych; technikę wiertniczą i hydrogeologię: komputerowy katalog studni odwadniających oraz piezometrów, baza danych eksploatacyjnych studni i piezometrów, baza danych chemii wody; elektrotechnikę: komputerowy katalog silników głębinowych, baza danych eksploatacyjnych silników głębinowych, baza danych osprzętu elektrycznego i kabli, szafy zasilająco sterownicze i pomiarowe wraz urządzeniami;

6 Najnowsze technologie w zarządzaniu oraz sterowaniu eksploatacją pomp i ujęć głębinowych technikę komputerową: oprogramowanie SoftSPM: SoftSPM basic: Pakiet startowy, Statystyki pracy ujęcia, Ocena, Katalogi pomp, silników, kabli, oprzyrządowania i armatury; SoftSPM standard: Pakiet startowy, Statystyki pracy ujęcia, Ocena, Katalogi pomp, silników, kabli, oprzyrządowania i armatury, Stacje prób głebinowych agregatów pompowych; SoftSPM enterprise: Pakiet startowy, Statystyki pracy ujęcia, Ocena, Katalogi pomp, silników, kabli, oprzyrządowania i armatury, Stacje prób głebinowych agregatów pompowych, Pakiet remontów pomp i silników głębinowych, Zarządzanie gospodarką eksploatacji i remontów agrgatów pompowych; oprogramowanie OPC Siemens, oprogramowanie SINAUT Siemens modemy GSM/ sms/gprs, oprogramowanie Kepware Siemens S7-200/S7-300/S7-400/S Ethernet OPC Server WiFi; automatykę: sterowniki S7 SIMATIC, urządzenia: SP-21, urządzenia: WiFi, stacje bazowe: SB-21, sterowniki ST-1, koncentratory KDP-1, szafy automatyki, oprzyrządowanie pomiarowe; organizację i zarządzanie: gospodarka magazynowa, decyzje eksploatacyjne kierowanie eksploatacją, konsulting oraz szkolenia. System SoftSPM posiada trzy wersje oprogramowania oraz trzy wersje oprzyrządowania i opomiarowania studni. Taka struktura budowy systemu praktycznie zapewnia dowolne możliwości w zakresie przystosowania konfiguracji systemu dla każdego użytkownika pomp głębinowych od użytkowników kilku studni do kilku tysięcy obiektów. System przygotowano dla użytkowników zarówno w Polsce jak i za granicą. Oprogramowanie jest dostępne w języku polskim oraz wielu językach obcych. Serwer systemu SoftSPM dostępny dla użytkowników na stronie może obsługiwać klientów pochodzących z dowolnego miejsca na świecie. 4. Literatura [1] Strączyński M.: Technika cyfrowa w eksploatacji pomp. Forum Eksploatatora 4/2006. [2] Strączyński M., Pakuła G., Urbański P., Solecki J.: Podręcznik Eksploatacji Pomp w Wodociągach i Kanalizacji. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa Marian Strączyński Mast, Bełchatów Ryszard Woszczyk Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Myszkowie Przemysław Zatorski SoftSPM, Bełchatów Profesjonalna eksploatacja pomp i studni głębinowych System automatyki, sterowania i monitoringu ujęć SoftSPM zawiera szereg dedykowanych urządzeń cyfrowych oraz rozbudowany program komputerowy z modelami matematycznymi gwarantującymi optymalizację kosztów w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych. Wykonuje komputerową ocenę pracy układów pompowych pomp głębinowych energochłonność, diagnostyka, niezawodność. System posiada komputerowy dobór pomp na zadane warunki pracy studni Q,H i określa wymagane rezerwy. Transmisja danych pomiarowych ze studni wg najnowszych technologii GSM/GPRS, światłowody, radio, kable. System SoftSPM umożliwia komputerowe prowadzenie prób na stacjach badań głębinowych agregatów pompowych. Jak widać z powyższego zestawienia prezentującego elementy funkcjonujące w ramach systemu SoftSPM, zagadnienie optymalizacji w zarządzaniu eksploatacją studni i pomp głębinowych jest wyjątkowo wielodyscyplinarne i złożone. 3. Podsumowanie