Mgr Przemysław Małek CAS Łódź BUDOWA SYSTEMÓW MONITOROWANIA I STEROWANIA OBIEKTAMI SIECI CIEPLNEJ NA PRZYKŁADZIE SYSTEMU ZDALNEGO PRZEŁĄCZANIA OBSZARÓW ZASILANIA W ŁODZI 1 W artykule dokonano analizy wybranych zagadnień dotyczących budowy systemu informatycznego dla ciepłownictwa na przykładzie systemu zdalnego sterownia komorami ciepłowniczymi aglomeracji łódzkiej. Zdefiniowano i pokazano, jakie ograniczenia zdeterminowały strukturę systemu i co decyduje o jego późniejszej funkcjonalności. Opisano system, którego elementy sprawdziły się w rzeczywistości, a także przedstawiono przykłady innych zrealizowanych inwestycji, wykorzystujących jego infrastrukturę. Wiele miejsca poświęcono budowie poszczególnych części systemu oraz sposobom realizacji postawionych celów. Przedstawiono również szereg problemów i ich rozwiązań dotyczących bezpieczeństwa oraz eksploatacji elementów takiego systemu. Ostatnim analizowanym zagadnieniem jest otwartość systemów telemetrycznych oraz możliwość ich integracji, aby mogły służyć podniesieniu jakości oferowanych usług oraz optymalizacji kosztów eksploatacji. Wstęp W skład Zespołu Elektrociepłowni w Łodzi S.A. wchodzą trzy elektrociepłownie (EC-2, EC-3 i EC-4), których zadaniem jest produkcja ciepła, a także wytwarzanie energii elektrycznej oraz Zakład Sieci Cieplnej, który odpowiada za dystrybucję ciepła (pary wodnej i wody gorącej) w Łodzi. Rozbudowana sieć cieplna w Łodzi, licząca prawie 800 km długości (obsługująca prawie 8 tys. węzłów) oraz zainstalowana w źródłach moc cieplna (2560MW) zaspokaja potrzeby cieplne miasta w ok. 70%. Struktura sieci pozwala na zasilanie poszczególnych obszarów miasta przez różne źródła. Podział sieci na sekcje zasilania pomiędzy poszczególnymi źródłami realizowany jest w magistralnych komorach ciepłowniczych, zaś w utrzymaniu ciśnień dyspozycyjnych pomagają magistralne przepompownie tzw. Stacje Obniżania Ciśnień (SOC). Zarządzanie systemem ciepłowniczym Łodzi odbywa się z jednego centralnego punktu - Dyspozycji Wydziału Ruchu ZSC (DSC). Tu podejmowane są najważniejsze decyzje dotyczące eksploatacji, a w tym określanie parametrów czynnika na wyjściu źródeł i ustalanie obszarów zasilania dla poszczególnych źródeł. W celu poprawienia efektywności pracy dyspozytorów i zwiększenia elastyczności Dyspozycja została wyposażona w następujące systemy informatyczne: GIS geograficzny informacyjny, TCH monitorowania pracy źródeł, SOC zdalnego sterowania przepompowni magistralnych (stacji obniżania ciśnień) wraz z symulatorem pracy sieci ciepłowniczej [2], WW wizualizacji wielkoformatowej. Wszystkie systemy są połączone siecią komputerową bazującą na okablowaniu strukturalnym z centralnym punktem Dystrybucji Danych zlokalizowanym w wydzielonym specjalnym pomieszczeniu tzw. Serwerowni. Rysunek 1. Struktura systemów informatyczno-komunikacyjnych w Dyspozycji ZSC w Łodzi przed wdrożeniem zdalnego systemu przełączania obszarów zasilania (kwiecień 2003 roku). Ponieważ łódzkie elektrociepłownie były budowane na przestrzeni kilkudziesięciu lat, zostały one wyposażone w jednostki produkcyjne o zróżnicowanej mocy cieplnej i elektrycznej. Oczywiście jednostki takie posiadają zdecydowanie różny poziom efektywności produkcyjnej. Nakładając na to zachodzące zmiany na rynku energii i udział w nim ZEC Łódź S.A., staje się zrozumiałe, że w okresach dużych wahań zapotrzebowania na ciepło utrzymanie największych (i najbardziej wydajnych) jednostek energetycznych ma istotne znaczenie dla minimalizacji 1 Artykuł opublikowano w materiałach na VIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje, 13-15 września 2004r. doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 1 Łódź, kwiecień 2005
kosztów produkcji. Analiza ekonomiczna wykazała, że są sytuacje, w których korzystne okazało się oddawanie nadmiaru ciepła do atmosfery (do 40MW) dla utrzymania w ruchu największego bloku energetycznego. Niewątpliwie korzystniejsze byłoby zwiększenie obszaru zasilania dla tego źródła, kosztem źródeł posiadających mniejsze sprawności. Aby to było możliwe, konieczne są szybkie zmiany w podziale sieci cieplnej na sekcje. Przełączenia powinny zostać wykonane w kilkadziesiąt minut przy zachowaniu bezpieczeństwa pracy sieci i źródeł. Jedyną możliwością w tej sytuacji jest budowa systemu umożliwiającego zdalne przełączanie obszarów zasilania poprzez sterowanie armaturą w komorach ciepłowniczych. Zdefiniowano następujące podstawowe funkcje i cechy systemu: możliwość zdalnego sterowania i monitorowania stanu armatury sekcyjnej i obejściowej oraz parametrów technologicznych; monitorowanie instalacji detekcji zagrożeń; sterowanie i monitorowanie układu elektrycznego; możliwość rozbudowy systemu do 200 obiektów. Na etapie oferty dokonano analizy w aspekcie potrzeb i możliwości technicznych oraz kosztów wdrożenia i posiadania systemu [1] w zależności od technologii komunikacyjnej. Dodatkowo, opracowanie uwzględniało istniejącą strukturę informatyczną i komunikacyjną Inwestora. Taki materiał stanowił znakomitą bazę do uzgodnień projektowych, gdyż postawione cele i funkcje systemu oraz wybrana technologia komunikacyjna zdeterminowała strukturę systemu. Projektanci, w uzgodnieniu z Inwestorem, postawili sobie dodatkowe cele w zakresie cech, jakie powinien posiadać budowany system: zastosowania otwartych technologii komunikacyjnych i struktury tak, aby umożliwić dalszą rozbudowę w przyszłości; dostosowania obiektów do pracy bezobsługowej, czyli zabezpieczenia obsługiwanych komór przez zagrożeniami takimi, jak zalanie, pożar, gaz czy włamanie; bezpieczeństwa transmisji danych i wyłączności sterowania przez osoby powołane; ergonomii pracy poprzez zastosowanie zdublowanych dwumonitorowych stacji wizualizacji (z których odbywa się sterowanie) i integrację z wizualizacją wielkoformatową w Dyspozycji. W wyniku przeprowadzonej szczegółowej analizy [1] zdecydowano, że podstawowym kanałem transmisji danych dla pierwszego i drugiego etapu będzie kanał radiowy w paśmie dzierżawionym. Ponieważ kanał taki charakteryzuje się stosunkowo niską przepustowością, podstawowym zagadnieniem stało się rozwiązanie zagadnienia czasowo optymalnej transmisji danych. Aby zapewnić otwartość rozwiązań wykorzystano technologie OPC, DCOM, COM+, XML i szeroko stosowany protokół Modbus RTU. W uproszczeniu, bezpieczeństwo transmisji danych obejmuje trzy kluczowe zagadnienia: blokowanie dostępu osobom niepowołanym zarówno bezpośrednio na obiektach, jak i zdalnie; wzajemnie wyłączny dostęp do funkcji sterowania przez poszczególne stacje robocze; uniemożliwienie wzajemnego zakłócania pracy różnych systemów poprzez jego selektywne separowanie. Struktura systemu Generalnie, niezależnie od procesu technologicznego, system zdalnego sterowania i monitorowania pracy rozproszonych obiektów składa się z następujących elementów: stacja (lub stacje) wizualizacji stacja robocza zapewniająca dostęp do danych procesowych i funkcji sterowania operatorowi odpowiedzialnemu za nadzorowanie przebiegu procesu. Stacja musi zostać zlokalizowana w miejscu, gdzie podejmuje się decyzje dotyczące pracy sieci cieplnej; system Komunikacji zapewniający łączność z obiektami wg przyjętych założeń; stacja obiektowa zlokalizowana bezpośrednio na nadzorowanym zdalnie obiekcie, która odpowiada za komunikację z Systemem Komunikacji oraz realizację zadań wg lokalnych uwarunkowań; elementy dodatkowe wspomagające pracę systemu tj. rejestrację wielkości procesowych i zdarzeń, archiwizację, raportowanie, a w tym bazy danych wraz z narzędziami do ich obsługi. doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 2 Łódź, kwiecień 2005
SB KOMORY MASTERPIX SB SOC Dokonując wyboru odpowiedniej struktury dla konstruowanego systemu należy najpierw uwzględnić wszystkie występujące ograniczenia. W systemach rozproszonych jednym z najważniejszych jest szkielet infrastruktury komunikacyjnej, który zapewni współpracę łącząc poszczególne komponenty w jedną spójną całość. W omawianym przypadku podstawowy szkielet komunikacyjny wykorzystuje transmisję radiową w paśmie 400 MHz. W wyniku analizy propagacji dokonanej na podstawie przeprowadzonych symulacji cyfrowych okazało się, że optymalna lokalizacja anteny Centralnego Punktu Sieci Telemetrycznej (CPST) znajduje się w centrum miasta z dala od budynku z pomieszczeniem dyspozycji. Kolejne ograniczenie determinujące strukturę systemu dotyczyło konieczności wizualizacji z możliwością sterowania jednocześnie kilkoma komorami z dwóch stacji typu SCADA, ale z zapewnieniem wzajemnie wyłącznego sterowania poszczególnymi komorami. Innymi słowy, każda komora może być sterowana wyłącznie z jednej stacji. Takie rozwiązanie ma na celu jednoznaczne określenie autora poszczególnych poleceń, a także ochronę przed wzajemną ingerencją operatorów. Projektowana struktura musi być skalowalna i docelowo umożliwić przyłączenie do systemu 200 obiektów ciepłowniczych pełniących różne funkcje w procesie dystrybucji ciepła. Spełnienie tego warunku oznacza zapewnienie, że maksymalne opóźnienia w torach transmisji danych dla docelowej liczby sterowanych obiektów nie przekroczą wyznaczonej granicy 15 sekund. W praktyce okazało się, że tak sformułowane wymaganie ma ograniczoną przydatność, ponieważ - przykładowo dla pomiarów temperatur - jest zdecydowanie zbyt restrykcyjne, natomiast w przypadku obserwacji stanu armatur praktycznie uniemożliwia sterowanie ręczne. Te same sygnały opisujące stan armatury w czasie, gdy w komorze nie są wykonywane przełączenia obszarów zasilania, pozostają niezmienne miesiącami. Te paradoksalnie sprzeczne wymagania doprowadziły do wniosku, że konieczne jest zastosowania specjalnego adaptacyjnego mechanizmu szeregowania w procesie akwizycji danych z obiektów oddalonych, co jest możliwe tylko poprzez zastosowanie specjalnego serwera komunikacyjnego w centralnej części struktury. Aby taki serwer umożliwiał podłączenie kolejnych obiektów (komór) niezależnie od dostawców ich lokalnej automatyki oraz pozwalał na dystrybucję danych do różnych systemów wizualizacji (SCADA, HMI, MMI) musi wspierać międzynarodowe standardy komunikacyjne. Dynamika zmian ciśnień w układzie hydraulicznym sieci cieplnej, a także opóźnienia komunikacyjne, utrudniają zdalne, ręczne sterowanie pracą urządzeń w komorze z poziomu stacji wizualizacji. Dlatego konieczne jest, aby w strukturze systemu istniał element wykonawczy zlokalizowany przy komorze, bezpośrednio podłączony do układów wykonawczych. Do tej roli najlepiej nadają się sterowniki swobodnie programowalne PLC (K-xxx). Dyspozycja ZSC Stacje Obniżania Ciśnień K-xxx STRUKTURA K-xxx K-xxx K-xxx TCH KOM SOC TCH KOM SOC K-xxx DS ORACLE VLAN RS 232 over Ethernet Kościuszki GIS View View Sieć Technologiczna Serwer Sieć Ogólna Rysunek 2 Struktura systemów informatyczno-komunikacyjnych w Dyspozycji ZSC w Łodzi wraz z systemem zdalnego systemu przełączania obszarów zasilania (październik 2003 roku). Kolorem zielonym zaznaczono nowe komputery systemu zlokalizowane w Dyspozycji ZSC. doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 3 Łódź, kwiecień 2005
Strukturalnie system został podzielony na następujące części: Centralny System Sterowania (CSS) oraz Systemy Sterowania Komorami (SSK). W skład CSS wchodzi również Centralny Punkt Sieci Telemetrycznej (CPST). Jest to infrastruktura komunikacyjna związana z lokalizacją w innym niż Dyspozycja ZSC budynku Inwestora. Wykorzystanie dwóch stacji wizualizacji, serwera bazy danych wraz z narzędziami do jej obsługi, a także konieczność integracji nowego systemu z wizualizacją wielkoformatową to kolejne uwarunkowania, które muszą być brane pod uwagę przy określani struktury systemu. Dlatego też projekt musiał obejmować rekonfigurację urządzeń aktywnych sieci zakładowych w celu włączenia do istniejącej infrastruktury nowych komputerów, dwóch stacji wizualizacji (KOM), serwera bazy danych (ORACLE) i serwera komunikacyjnego (SB). Powstałą w ten sposób strukturę ilustruje Rysunek 2. Budowa Systemu Wstęp W opisywanym przykładzie wdrożenie systemu rozłożono na dwa etapy. W pierwszym etapie (2003 rok) zostało zrealizowane zdalne sterowanie na 7 magistralnych komorach ciepłowniczych, zaś w drugim etapie (2004 rok) na kolejnych 12 komorach. To wymusiło wdrożenie Centralnego Systemu Sterowania już w pierwszym etapie. Wszystkie komputery CSS zostały zlokalizowane w Dyspozycji ZSC. Dobrze przygotowana wcześniej infrastruktura informatyczna pomieszczeń Dyspozycji (okablowanie strukturalne, wydzielone pomieszczenie techniczne oraz logiczna konfiguracja sieci zakładowych z zastosowaniem technologii VLAN 2 ) pozwoliła na realizację opisanej wcześniej struktury bez konieczności wykonywania jakichkolwiek prac modernizacyjnych i zakłócania ciągłości pracy Dyspozycji. W wydzielonym pomieszczeniu technicznym tzw. Serwerowni, została zabudowana specjalna szafa komputerowa (NCSS), a w niej serwer bazy danych (ORACLE) oraz serwer komunikacyjny Stacja Bazowa (SB). Natomiast stacje wizualizacji (KOM) zostały zlokalizowane w pomieszczeniu głównym Dyspozycji na stanowisku dyspozytora i mistrza. Stacje wizualizacji Zgodnie z wymaganiami stacje wizualizacji zostały wyposażone w dwumonitorowe karty graficzne. Pozwoliło to w istotny sposób zwiększyć ich funkcjonalność, ponieważ z jednego stanowiska można sterować jednocześnie dwiema komorami lub sterować jedną z jednoczesnym podglądem podstawowych informacji dla całej sieci ciepłowniczej. Konfiguracja aplikacji wizualizacji zbudowanej w oparciu o oprogramowanie Axeda Supervisor umożliwia niezależne wyświetlanie obrazów synoptycznych poszczególnych komór (każdy obraz jest wyświetlany na jednym monitorze). Podstawowy obraz każdej komory przedstawia schemat technologiczny z naniesionymi bieżącymi pomiarami. Kierunki rurociągów na schemacie są zgodne z kierunkami geograficznymi, co znakomicie poprawia korelację systemu z systemem informacji o terenie GIS. Przykładowy obraz ze schematem technologicznym przedstawia Rysunek 3. Pozostałe obrazy związane z komorą zostały zunifikowane, gdyż dotyczą instalacji, które występują w każdej komorze. Ułatwia to eksploatację i poprawia ergonomię pracy dyspozytorów, gdyż oczekiwane przez nich informacje zawsze znajdują się w analogicznych miejscach, niezależnie od wybranej komory. Stacje wizualizacji zostały zdublowane ze względów bezpieczeństwa, ponieważ trudno wyobrazić sobie sytuację, kiedy w wyniku awarii komputera nie można wykonać przełączeń na sieci. Oznacza to, że obie muszą realizować identyczne funkcje. Poza wizualizacją i sterowaniem są one również odpowiedzialne za zapis zmiennych procesowych do relacyjnej bazy danych i generowanie raportów. Serwer komunikacyjny Stacja Bazowa Rysunek 3 Schemat technologiczny na obrazie wizualizacji komory K-231. W klasycznych systemach sterowania SCADA, gdzie istnieje jedna stacja wizualizacji, jest ona połączona z obiektami przy użyciu dedykowanych dla producentów sterowników PLC driver ów komunikacyjnych przyporządkowanych do łączy szeregowych stacji wizualizacji. 2 Wirtualne Sieci Komputerowe doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 4 Łódź, kwiecień 2005
Z uwagi na konstrukcję protokołów komunikacyjnych (typu Master-Slaves), nie ma możliwości podłączenia w jednym kanale komunikacyjnym (w jednym łączu) dwóch stacji wizualizacji. Oznacza to, że aby zastosować dwie równorzędne stacje SCADA, potrzeba dwóch łączy do każdego sterownika obiektowego (stacji Slave), co nie zawsze jest możliwe. Był to jeden z głównych powodów zastosowania Stacji Bazowej, która pełni rolę serwera komunikacyjnego. Drugim istotnym powodem zastosowania Stacji Bazowej była konieczność wprowadzenia adaptacyjnego mechanizmu optymalizacji szeregowania w torze komunikacji radiowej, ponieważ stacja musiała być tak zaprojektowana, aby w przyszłości mogła obsługiwać co najmniej 200 obiektów. To również pozwala znakomicie zredukować koszty w przypadku zastosowania technologii wymagających opłat za transfer danych, jak np. GPRS. Kolejną istotną cechą Stacji Bazowej jest możliwość przyłączenia kolejnych obiektów z wykorzystaniem niezależnych kanałów komunikacyjnych. Trudno bowiem zakładać, że kolejne 181 obiektów będzie wyposażonych w wybrane w pierwszej fazie realizacji sterowniki oraz że wszystkie będą łączyć się przy użyciu tego samego kanału transmisji radiowej. Stacja Bazowa jest oprogramowaniem oferowanym przez firmę CAS, zbudowanym w oparciu o najnowsze komponenty i technologie komunikacyjne takie jak: COM+, DCOM, OPC. Konfiguracja Stacji Bazowej odbywa się przy pomocy specjalnego programu do transferu danych w technologii XML. Na potrzeby systemu zaimplementowano w Stacji Bazowej protokół Modbus do komunikacji ze sterownikami komór. Modbus jest międzynarodowym standardem obsługiwanym przez wszystkich wiodących producentów sterowników na świecie. Kolejną funkcją Stacji Bazowej jest redundancja zrealizowana poprzez możliwość uruchomienia dla każdego obiektu dwóch nienależnych kanałów komunikacyjnych, pracujących w trybie gorącej rezerwy. Kanały redundantne są uruchamiane naprzemiennie w konfigurowalnych odstępach czasu. Więcej szczegółów zainteresowani znajdą na stronie www.cas.eu. Z uwagi na wybraną technologię komunikacji z komorami oraz propagację fal radiowych, zdecydowano o lokalizacji Centralnego Punktu Sieci Telemetrycznej w innym niż Dyspozycja budynku. Ponieważ transmisja radiowa wymaga łącza szeregowego pojawił się problem, jak połączyć Stację Bazową z modemem odległym od niej o ok. 2km. Problem ten został rozwiązany przez zastosowanie urządzenia typu Device Server, udostępniającego port szeregowy w sieci Ethernet. Odpowiednia konfiguracja urządzenia umożliwia dostęp do niego tylko upoważnionemu użytkownikowi. Nie bez znaczenia jest fakt, że zastosowane urządzenia do transmisji danych, czyli radiomodemy i Device Server są przezroczyste. Oznacza to, że nie wpływają na format transmitowanych danych, czyli z punktu widzenia Stacji Bazowej wszystkie sterowniki komór są dostępne bezpośrednio w zdefiniowanym kanale. Komora zdalnie sterowany obiekt technologiczny Rysunek 4. Struktura oprogramowania Stacji Bazowej (CommServer). Na platformie systemu operacyjnego (SO) główne moduły oprogramowania stacji: SERWER (odpowiadający za komunikację ze stacjami wizualizacji poprzez standard OPC), MONITOR (odpowiedzialny za skanowanie danych z obiektów), wspólna BAZA DA- NYCH (gdzie gromadzone są dane dla SERWERA i MONITORA) oraz moduły wymiany danych w technologii OPC (Serwer i Klient). System Sterowania Komorą (SSK) został umieszczony w zewnętrznej, wolnostojącej szafie i jest skonstruowany z wykorzystaniem sterownika swobodnie programowalnego PLC, wyposażonego w terminal operatorski. Realizuje on lokalnie wszystkie funkcje systemu związane ze zdalnym sterowaniem. Poza monitorowaniem sygnałów wejściowych, sterownik ten wykonuje również operacje związane ze sterowaniem napędami armatur w komorze. z uwagi na duże przepływy w rurociągach magistralnych, kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa pracy sieci ma stabilność ciśnień, która jest bezpośrednio powiązana z szybkością ruchów armatury. W optymalnym układzie zmiana stanu armatury przebiega maksymalnie szybko, pod warunkiem, że zmiany ciśnień będą przebiegały stabilnie tzn. będą kontrolowane przez operatora. Ze względu na wysoką dynamikę zmian ciśnień w układzie hydraulicznym sieci cieplnej, występujące opóźnienia czasowe w torach transmisji danych, a także ograniczone możliwości ludzkiej percepcji, sterownik realizuje lokalnie autorski algorytm stabilizacji ciśnienia odpowiedzialny za bezpośrednie wystawianie rozkazów na armaturę. Operator może zadać czas całkowitej zmiany stanu zasuwy oraz dopuszczalny skok ciśnienia w czasie, przy czym jest to parametr nadrzędny w stosunku do zadanego czasu ruchu zasuwy. Następnie operator wydaje tylko rozkaz Zamknij lub Otwórz, a zamykanie lub otwieranie w zadanym czasie, przy zapewnieniu stabilizacji ciśnienia na poziomie niewiększym niż żądany, jest realizowane przez sterownik. Dodatkowo operator ma możliwość przestawienia położenia zasuwy do zadanego położenia, a także wywołania sekwencji uruchomienia bądź odłączenia obszaru zasilania. Podczas sekwencji rozkazy są wydawane w odpowiedniej kolejności na poszczególnych zasuwach tak, aby po zakończeniu procedury, główne zasuwy sekcyjne znalazły się doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 5 Łódź, kwiecień 2005
w oczekiwanym położeniu. Poza sterowaniem napędami armatury w komorze, operator ma możliwość sterowania wyłącznikami zasilania do komory oraz do szafy i komory. Kolejnym istotnym zagadnieniem, które należy uwzględnić w konstrukcji SSK, jest ochrona komory. Zdefiniowano następujące zagrożenia: włamanie do komory, pożar, zalanie komory, pojawienie się gazu. Wszystkie sygnały pochodzące z instalacji detekcyjnych w/w zagrożeń zostały wprowadzone do sterownika, który pełni funkcję centralki antyzagrożeniowej. z uwagi na wyniesienie układów zasilania i sterowania poza komorę, szafy zewnętrzne również wyposażono w odpowiednie czujniki. Największą trudność sprawił układ czujników otwarcia włazów. Ze względu na ekstremalnie trudne warunki pracy (np. włazy umieszczone w jezdni ruchliwych ulic) zrezygnowano ze stosowania czujników mechanicznych, optycznych i pojemnościowych. Ostatecznie najlepiej sprawdziły się odpowiednio dobrane czujniki indukcyjne. W celu dodatkowego zabezpieczenia urządzeń w komorze i szafie, została zainstalowana syrena alarmowa, załączana przez sterownik w przypadku wykrycia włamania do szafy lub komory. Oczywiście na stacjach wizualizacji jest generowany odpowiedni alarm, który ma powiadomić operatora o zagrożeniu. Ochrona antywłamaniowa jest załączana i wyłączana przez dyspozytora z poziomu stacji wizualizacji. W przypadku braku komunikacji, komorę lokalnie może rozbroić obsługa poprzez wprowadzenie odpowiedniego kodu na terminalu operatorskim. Rozbrojenie układu jest warunkiem koniecznym sterowania komorą, gdyż w innym przypadku zostanie wyłączone zasilanie komory. Sterownik SSK realizuje również algorytm wzajemnej wyłączności sterowania, czyli możliwości sterowania komorą wyłącznie z jednej stacji wizualizacji albo lokalnie z tablicy sterowniczej. Operator, wykorzystując lokalny panel lub zdalną stację zanim wyda jakikolwiek rozkaz, musi zażądać zgody na sterowanie. Sterownik sprawdza, czy stacja z wyższym priorytetem aktualnie nie steruje komorą i jeśli tak, to zgoda zostaje anulowana. Taki mechanizm zabezpiecza system przed jednoczesnym wystawianiem rozkazów z dwóch różnych źródeł. Jedynym realnym zagrożeniem pożarowym dla SKK jest podpalenie szafy przez chuliganów lub termiczne uszkodzenie przewodów i zacisków silnoprądowych. Wystarczającym zabezpieczeniem okazał się zwykły czujnik optyczny dymu, z którego sygnał został wprowadzony do sterownika. W następstwie jego zadziałania, automatycznie wyłączane jest zasilanie szafy NK i komory. Oczywiście na stacjach wizualizacji jest generowany odpowiedni alarm, który ma powiadomić operatora o zagrożeniu. Zdecydowanie większe prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia istnieje w przypadku zalania komory. Jest ono realne zarówno w przypadku rozszczelnienia układu hydraulicznego, jak i w przypadku bardzo intensywnych opadów. z uwagi na obecność napięcia w komorze w normalnym stanie jej pracy, konieczne jest wyłączenie zasilania zanim zostanie zalana instalacja elektryczna. Dlatego też zainstalowano w komorze dwa czujniki poziomu, jeden zlokalizowany ok. 10 cm nad podłogą (generuje tylko alarm dla operatora), natomiast drugi ok. 10 cm poniżej linii napędów (ok. 80 cm nad podłogą), którego zadziałanie powoduje niezwłoczne wyłącznie zasilania. Największe trudności napotkano dobierając rozwiązania sygnalizujące wystąpienie w komorze gazu. Dopiero ekspertyza wydana przez niezależnych specjalistów pozwoliła na zatwierdzenie instalacji detektorów gazu o dwóch progach alarmowych. Niepokój inspektorów budziła ewentualna konieczność stosowania napędów i instalacji w wykonaniu przeciwwybuchowym, z uwagi na możliwość pojawienia się gazu. Na podstawie jednoznacznej ekspertyzy stwierdzono, że nie ma konieczności stosowania instalacji w wykonaniu Ex, gdyż gaz w komorze może wystąpić jedynie w przypadku awarii gazociągu miejskiego. Podobnie, jak w przypadku zalania, niski próg (ustalony na 10% DGW 3 ) powoduje tylko wystąpienie alarmu, a dopiero wysoki próg 20% DGW powoduje odłączenie zasilania do komory. Ostatnią opisaną funkcją sterownika SSK jest rejestracja zdarzeń w pamięci, na wypadek przerwania łączności z Centralnym Systemem Sterowania i konieczności odtwarzania sekwencji zdarzeń po przywróceniu łączności. W takiej sytuacji po ponownym nawiązaniu komunikacji wszystkie nie zarejestrowane zdarzenia zostaną automatycznie uzupełnione z pamięci sterownika. Pozostałe elementy systemu Dane procesowe w Centralnym Systemie Sterowania rejestrowane są w serwerze bazy danych zbudowanym na platformie programowej Oracle. Na system operacyjny bazy danych wybrano Windows 2000 Server, który skonfigurowano jako serwer domenowy Dyspozycji. Dzięki temu powstał serwer, który umożliwia dystrybucję uprawnień dla poszczególnych operatorów z jednego miejsca. Szczególne znaczenie ma to dla bezpieczeństwa transmisji danych. 3 Dolna Granica Wybuchowości. Jest to minimalne stężenie gazu, przy którym może nastąpić wybuch. doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 6 Łódź, kwiecień 2005
W bazie danych zostały utworzone dwie tablice, w których rejestrowane są średnie dla wybranych zmiennych procesu technologicznego z poszczególnych komór oraz zdarzenia. Dane są dostępne dla operatorów poprzez specjalną aplikację do raportowania, funkcjonującą w środowisku arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel. Integracja systemu z wizualizacją wielkoformatową. Dopełnieniem funkcjonalności Systemu jest jego kompozycja z innymi systemami wspomagającymi pracę Dyspozycji. Najważniejszą cechą każdego z systemów (szczególnie systemów sterowania) jest bezpieczeństwo danych. Mimo wykorzystania jednego okablowania strukturalnego i tych samych urządzeń aktywnych sieci komputerowej, poszczególne systemy zostały odseparowane poprzez stosowanie technologii sieci wirtualnych VLAN. z drugiej strony, informacje ze wszystkich systemów muszą być dostępne na ekranach wizualizacji wielkoformatowej. Dlatego też sterownik ściany graficznej (Masterpix) ma dostęp do większości VLAN ów i umożliwia wizualizację pracy wszystkich systemów pracujących w Dyspozycji. Odpowiednia jego konfiguracja zabezpiecza przed możliwością sterowania obiektami z poziomu ściany graficznej. Otwartość systemu Kardynalną cechą warunkującą pozytywną ocenę systemu jest jego skalowalność, a więc możliwość rozbudowy o kolejne obiekty i perspektywa możliwości wykorzystania jego infrastruktury w innych zadaniach. Otwartość systemu telemetrycznego może być rozpatrywana w następujących aspektach: 1. Niezależność od systemu wizualizacji. Ogólnodostępne na rynku systemy wizualizacji pozwalają na transfer danych pomiędzy stacjami tego samego systemu. Nie oznacza to, że producenci nie dostarczają narzędzi umożliwiających wymianę danych pomiędzy różnymi systemami. Nie sposób tutaj nie wspomnieć o dynamicznie rozwijającej się technologii wymiany danych OPC, której komponenty są w ofercie każdego szanującego się producenta oprogramowania do wizualizacji. Stopień komplikacji konfiguracji narzędzi do transferu danych z innymi systemami wizualizacji bywa różny i może być on miarą jakości takiego produktu 2. Niezależność od dostawcy. Budowa dużych systemów telemetrycznych może być realizowana etapami przez kilka lat. Wobec powszechnie stosowanej praktyki organizowania przetargu na budowę systemu trudno zakładać, że taka inwestycja będzie realizowana w całości przez jednego dostawcę, pomijając problem dalszego istnienia dostawcy na rynku w perspektywie kilku lat. Dlatego też zakończona inwestycja musi posiadać znamiona umożliwiające jej dalszy rozwój przez modyfikację, a najlepiej rekonfigurację kluczowych elementów systemu 3. Niezależność od producenta sterowników. Większość dostawców sterowników swobodnie programowalnych propaguje stosowanie własnych, autorskich protokołów komunikacyjnych, których specyfikacja z reguły nie jest powszechnie dostępna. Zastosowanie takiego protokołu w danym kanale komunikacyjnym praktycznie uniemożliwia podłączenie do tego kanału sterownika innego producenta. Dobrą praktyką jest stosowanie otwartych protokołów (technologii) stanowiących pewien standard np. Modbus, Profibus. LON itp. Niestety nie ma rozwiązań idealnych i każde z nich posiada pewne ograniczenia, które mogą mieć znaczny wpływ na funkcjonowanie systemu. Niemniej jednak, podobnie jak w przypadku technologii OPC, każdy liczący się na rynku producent umożliwia komunikację we wszystkich standardowych protokołach z lepszym bądź gorszym skutkiem 4. Niezależność od dostawcy usług komunikacyjnych. Na etapie planowania inwestycji koszty posiadania systemu często nie są brane pod uwagę. Jednak w znacznym stopniu to właśnie koszty obsługi systemu oraz opłaty komunikacyjne determinują późniejszą ocenę eksploatacji i przydatności systemu. o ile koszty obsługi mogą zostać przesunięte na wykonawcę poprzez wydłużenie gwarancji, o tyle opłaty komunikacyjne będzie ponosił inwestor już od momentu uruchomienia systemu. Należy jednak pamiętać, że przeniesienie kosztów obsługi na wykonawcę z tytułu zobowiązań gwarancyjnych daje iluzoryczne poczucie bezpieczeństwa, gdyż prędzej czy później gwarancja się skończy i koszty obsługi będzie ponosił inwestor. Jeszcze większe zagrożenie wiąże się z dostawą usługi komunikacyjnej. Ze względu na dynamiczny rozwój technologii komunikacyjnych należy liczyć się z możliwością wycofania danej usługi z oferty dostawcy. Również polityka dostawców usług w tym zakresie jest trudna do przewidzenia. Dlatego też jedynym zabezpieczeniem inwestycji w tym zakresie jest posiadanie przez inwestora własnej infrastruktury komunikacyjnej lub uwzględnienie możliwości zmiany technologii łączności w budowie kluczowych elementów systemu W opisywanym przykładzie otwartość systemu została zachowana we wszystkich opisanych aspektach, głównie poprzez funkcjonalność Stacji Bazowej. Dystrybucja danych poprzez serwer OPC uniezależnia system od oprogramowania doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 7 Łódź, kwiecień 2005
wizualizacyjnego, gdyż każde takie oprogramowanie, w tym również najczęściej stosowany w ZEC Łódź SA Wizcon z pakietu Axeda Supervisor, posiada sterownik komunikacyjny w postaci klienta OPC. Implementacja w monitorze (module oprogramowania odpowiedzialnego za komunikację z obiektami) Stacji Bazowej protokołu Modbus i SBUS 4, a także możliwość konfiguracji nieograniczonej liczby kanałów komunikacyjnych zapewnia możliwość stosowania sterowników producentów innych niż SAIA. Obsługa wielu kanałów i technologii komunikacyjnych przez Stację Bazową umożliwia zmianę sposobu łączenia się z komorami (lub innymi obiektami Inwestora) w przyszłości. Ponadto, zastosowanie - jako podstawowego kanału - transmisji radiowej w paśmie dzierżawionym oraz budowa własnej infrastruktury komunikacyjnej uniezależniła Inwestora od dostawców usług telekomunikacyjnych, a opłaty komunikacyjne (za dzierżawę pasma wnoszone do URTiP 5 ) są nieistotne w skali przedsięwzięcia. Ostatni aspekt, czyli niezależność od dostawcy systemu, został zagwarantowany poprzez dostarczenie programu do konfiguracji Stacji Bazowej, gdzie przy użyciu technologii XML można samodzielnie skonfigurować wszystkie jej parametry. Możliwość rozbudowy systemu oraz jego przydatność w innych inwestycjach opisują poniższe przykłady. Pełną strukturę wraz z nowymi elementami systemu przedstawia Rysunek 5. W październiku 2003 roku zostało zrealizowane osobne zadanie inwestycyjne pn. Monitorowanie parametrów technologicznych wymiennikowni Smulsko. Wymiennikownia na osiedlu mieszkaniowym Smulsko w Łodzi jest dużym obiektem obsługującym ok. 600 węzłów cieplnych. W ramach zadania zabudowano sterownik pełniący rolę koncentratora danych dla podsystemów wymiennikowni, a w tym: systemu sterowania blokiem ciepłowniczym, obsługiwanego przez sterownik PRV2 firmy Landyss&Gyr, systemu sterowania pomp obiegowych sieci niskich parametrów, obsługiwanego przez system Delta Control firmy Grundfoss oraz systemu obsługi bloku uzupełniania sieci niskich parametrów. Dane z wymiennikowni są transmitowane poprzez Stację Bazową, tym samym kanałem transmisji radiowej, co komory ciepłownicze. Dla Centralnego Systemu Sterowania wymiennikownia stanowi po prostu kolejny obiekt technologiczny (kolejną stację w sieci telemetrycznej). Włączenie obiektu do systemu komunikacji wymagało jedynie rekonfiguracji stacji. Innym przykładem rozbudowy może być zainstalowany symulator pracy komory ciepłowniczej. Symulator powstał w odpowiedzi na zgłoszone potrzeby Dyspozycji w zakresie szkolenia z obsługi systemu. Podobnie, jak w przypadku wymiennikowni Smulsko dla Stacji Bazowej i Centralnego Systemu Sterowania jest on kolejnym obiektem. Również w tym przypadku, włączenie symulatora do systemu komunikacji wymagało jedynie rekonfiguracji Stacji Bazowej. Rekonfiguracja polegała na uruchomieniu kolejnego kanału komunikacyjnego na porcie szeregowym, do którego został podłączony symulator. Ostatni przykład rozbudowy systemu to budowa Rezerwowego Punktu Sieci Telemetrycznej (RPST) na dachu budynku Dyspozycji. Analiza propagacji fal radiowych wykonana na etapie opracowania koncepcji budowy systemu wykluczyła tę lokalizację jako Centralny Punkt Sieci Telemetrycznej, niemniej jednak ta lokalizacja nadaje się na Punkt Rezerwowy dla części obiektów. Po zabudowie anteny na dachu Dyspozycji i rekonfiguracji Stacji Bazowej, polegającej na uruchomieniu kolejnego kanału, uzyskano redundancję łączy dla większości komór ciepłowniczych objętych zadaniem. Co istotne, redundancję uzyskano dla różnych lokalizacji anteny centralnej, ale w tej samej częstotliwości. Funkcjonalność Stacji Bazowej umożliwia bowiem cykliczne przełączanie aktywności kanałów komunikacji, co pozwala na szybkie wykrycie uszkodzeń w którymś z kanałów komunikacyjnych. Daje to istotną przewagę nad tradycyjnym dublowaniem łączy, gdzie łącze zapasowe jest uruchamiane tylko w przypadku awarii łącza podstawowego. Istnieje wtedy realna groźba, że o uszkodzeniu toru rezerwowego transmisji dowiemy się natychmiast po awarii toru podstawowego, co przerwie komunikację z obiektem. Dalsza rozbudowa systemu. Już dzisiaj możemy mówić o dalszej rozbudowie systemu. W odniesieniu do opisanych wcześniej założeń budowy systemu i funkcjonalności Stacji Bazowej, możemy powiedzieć, że system na pewno może być rozbudowywany o kolejne komory ciepłownicze lub inne obiekty, nie tylko poprzez rozbudowę radiowej sieci telemetrycznej. Zastosowanie technologii OPC umożliwia rozwój systemu w kierunku dystrybucji informacji na kolejne stacje wizualizacji niezależnie od oprogramowania wizualizacyjnego. Obszary miasta znajdujące się poza zasięgiem anten centralnych w CPST (Centrum) i RPST (Dyspozycja) mogą znaleźć się w zasięgu poprzez budowę kolejnych punktów sieci telemetrycznej. Kolejnym atutem może być nawiązana współpraca z firmami amerykańskimi w ramach umowy offsetowej w celu komercjalizacji Stacji Bazowej i zwiększenia jej funkcjonalności o wprowadzenie redundancji na poziomie serwera komunikacyjnego. Szczególnie interesującym zastosowaniem systemu może być wdrażana obecnie praca na wspólną magistralę dwóch elektrociepłowni. Jedna z komór objętych zadaniem została wyposażona w armaturę regulacyjną. Pomysł pracy na wspólną 4 Dedykowany dla sterowników SAIA protokół komunikacyjny zaimplementowany w Firmware sterowników SAIA- Burgess. 5 Urząd Regulacji Telekomunikacji i Poczty doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 8 Łódź, kwiecień 2005
sieć zapewnia dywersyfikację potencjału technologicznego źródeł i w skrócie polega na zapewnieniu efektywniejszej elektrociepłowni stabilnych warunków w okresach przejściowych, kiedy wahania przepływów są bardzo duże. Praca na wspólna sieć polega na połączeniu źródeł na jednej magistrali i poprzez regulację armatury mniej efektywne ekonomicznie źródło zostaje dławione w celu oddania obszaru zasilania na rzecz drugiego źródła. W ten sposób planuje się stabilizację przepływu dla bardziej wydajnego źródła na poziomie 300-400 t//h. Warto podkreślić, że dla celów regulacji zostanie wykorzystana infrastruktura opisywanego systemu, a wszelkie prace dotyczą tylko opracowania regulatorów. Innym przykładem na wykorzystanie elementów systemu jest serwer bazy danych, który będzie odpowiedzialny na gromadzenie i dystrybucję danych do budowanego w Zakładzie Sieci Cieplnej systemu prognozowania zapotrzebowania na ciepło. Funkcje serwera bazy danych systemu sterowania komorami zostaną rozszerzone o pozyskiwanie i rejestrowanie parametrów ze źródeł w celu ich redystrybucji dla tego serwera. Zupełnie innym zagadnieniem czekającym na realizację, jest umożliwienie wizualizacji zmiennych procesowych w systemie GIS. Jest on podstawowym narzędziem pracy w Zakładzie Sieci Cieplnej. Wszystkie zarejestrowane w nim dane, jak i zdarzenia, stany, prace, remonty, polecenia itd. są wprowadzane ręcznie. Istniejąca infrastruktura i automatyzacja obiektów umożliwia automatyczne wprowadzanie zmian w bazie danych systemu GIS. Ponadto po uruchomieniu nakładek systemowych do systemu GIS będzie możliwe wywoływanie okien, które pozwolą operatorowi na wprowadzenie danych do Stacji Bazowej, co w rezultacie da funkcjonalność sterowania z systemu GIS. Zastosowane w budowie Systemu Sterowania Komorami technologie informatyczno-komunikacyjne cały czas podlegają ewolucji, a ich dynamiczny rozwój predysponuje nas do stwierdzenia, że inne zastosowania systemu są ograniczone jedynie względami ekonomicznymi przedsięwzięcia i inżynierską wyobraźnią. Podsumowanie Celem wdrożenia opisanego w artykule Systemu jest umożliwienie bardziej efektywnej eksploatacji elektrociepłowni dostarczających ciepło do aglomeracji łódzkiej poprzez umożliwienie szybkiej rekonfiguracji sieci dystrybucyjnej i - w efekcie - zmiany obszarów zasilania poszczególnych źródeł ciepła. Realizacja celu wymaga zdalnego monitorowania parametrów pracy oraz bezobsługowego sterowania komorami magistralnymi w wybranych 19 strategicznych punktach podziału sieci. Docelowo do systemu ma być przyłączone 200 kolejnych obiektów. W komorach są realizowane zdalnie następujące funkcje: sterowanie i monitorowanie stanu armatury sekcyjnej i obejściowej; monitorowanie wybranych parametrów, a mianowicie ciśnienia i temperatury; monitorowanie braku gotowości dla układu elektrycznego, systemu i armatury; monitorowanie uszkodzeń układu hydraulicznego (zalanie komory i wzrost wilgotności w jej wnętrzu); monitorowanie wystąpienia pożaru i włamań; automatyczne odłączenie zasilania wszystkich urządzeń elektrycznych w komorze w przypadku zagrożenia wybuchem gazu oraz zalania napędów w komorze; sterowanie zdalne wyłącznikiem zasilania komory oraz wyłącznikiem głównym zasilania szafy i komory. Po analizie propagacyjnej i potrzeb w zakresie przepustowości przyjęto, że podstawowym kanałem komunikacyjnym systemu będzie cyfrowa transmisja danych w paśmie 400MHz. Na tej bazie komunikacyjnej zbudowano strukturę systemu, którego głównymi komponentami są: stacje operatorskie (KOM); serwer komunikacyjny - Stacja Bazowa (SB); serwer bazy danych (ORACLE); komory ciepłownicze (Kxxx). Centralnym elementem odpowiedzialnym za komunikację w systemie jest Stacja Bazowa, która zapewnia przezroczystą transmisję danych pomiędzy stacjami operatorskimi i sterownikami poszczególnych komór. Dzięki unikalnym cechom tej stacji udało się osiągnąć dodatkowe bardzo istotne w omawianych zastosowaniach własności systemu, a mianowicie: optymalizację czasową wykorzystania torów transmisji danych; redundancje kanałów komunikacyjnych do obiektów rozproszonych; doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 9 Łódź, kwiecień 2005
otwartość systemu zarówno od strony obiektowej jak i systemu nadrzędnego. W efekcie udało się stworzyć system, który: Realizuje zaplanowane dla niego zadania; Nie absorbuje nadmiernie obsługi; Alarmuje o zagrożeniach; Jest prosty w obsłudze i eksploatacji; Zapewnia bezpieczną pracę sieci cieplnej bez względu na awarie poszczególnych elementów systemu; Umożliwia dalszą rozbudowę na wielu płaszczyznach. Sukces przedsięwzięcia został osiągnięty głównie poprzez zapewnienie otwartości dla tego i poprzednio budowanych systemów. Przemyślana i dobrze zaplanowana struktura pozwoliła na dystrybucję funkcji poszczególnych elementów systemu tak, aby mogły one funkcjonować samodzielnie. W rezultacie ewentualne uszkodzenie któregokolwiek z elementów Systemu, co prawda degraduje jego funkcjonalność, ale nie uniemożliwiają realizowanie podstawowych funkcji, dla których został stworzony. Literatura [1] M. Postół: Zdalne sterowanie systemem ciepłowniczym aglomeracji łódzkiej, VII Forum Ciepłowników, Międzyzdroje 2003. [2] M. Postół: Zdalne sterowanie obiektami przemysłowymi na przykładzie przepompowni magistralnych sieci cieplnej w Łodzi; IX Konferencja Sieci i Systemy Informatyczne, Politechnika Łódzka, 2001. CAS 90-441 Łódź, al. Kościuszki 103/105 tel/fax: +48 (42) 6862547; +48 (42) 6865028 www.cas.eu www.commsvr.com techsupp@cas.eu doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8 10 Łódź, kwiecień 2005