System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Budowa systemu zdalnego monitoringu i sterowania nadrzędnego urządzeń wodociągowych i kanalizacyjnych z założenia powinna poprawiać poziom świadczonych usług poprzez scentralizowanie informacji o stanie urządzeń i w konsekwencji, zwiększenie mobilności obsługi oraz maksymalne skrócenie czasu reakcji na stany awaryjne. Pierwsze przymiarki do automatyzacji procesów technologicznych w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach miały miejsce Użytkownik systemu: Przedsiębiorstwo Usług Komunalnych w Ropczycach Wykorzystane produkty: SATEL: SATELLINE-3AS 869 w roku 2000. Przedsiębiorstwo rozpoczęło eksploatację nowo wybudowanej oczyszczalni ścieków i powstał problem braku informacji z systemu kanalizacji lewarowo-podciśnieniowej, skutkiem czego konieczne były codzienne kontrole objazdowe. W roku 2004 wybudowana została kolejna oczyszczalnia bez stałej obsługi, z odcinkiem sieci kanalizacyjnej. W tym czasie we współpracy z Instytutem Nafty i Gazu w Krakowie w ramach prac badawczo rozwojowych, Przedsiębiorstwo Usług Komunalnych wdrożyło prototyp systemu stabilizacji ciśnienia i monitoringu pracy studni głębinowych, przewidując jednocześnie możliwość systematycznej rozbudowy tego systemu dla istniejących i nowo powstających urządzeń w miarę rozwoju sieci wod-kan. Wyzwanie Priorytetem dla przedsiębiorstwa było stworzenie systemu o otwartej architekturze z możliwością systematycznej rozbudowy. Zakupiono licencje systemu SCADA, sterownik centralny o dużej mocy obliczeniowej oraz narzędzia do projektowania aplikacji. Został opracowany główny algorytm sterownika przy czym prawa do źródeł algorytmu są w rękach inwestora. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwy jest swobodny rozwój systemu bez uzależnienia się od zewnętrznego integratora. Fot. 1. Szafa sterownicza pompowni ścieków System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 1 z 6
Wszystkie kolejne inwestycje, zarówno realizowane, jak i uzgadniane przez przedsiębiorstwo były weryfikowane pod względem spójności z powstałym systemem wizualizacji. Począwszy od roku 2005 wszystkie uzgodnienia branżowe projektowanych sieci zawierały wymogi dotyczące przystosowania do systemu monitoringu. Dzięki opracowaniu szczegółowych wytycznych nie tylko technologicznych, ale także w zakresie automatyki, każdy projektant otrzymuje sprecyzowane wymogi, a powstały obiekt przystosowany jest do standardów funkcjonującego w zakładzie systemu sterowania i wizualizacji. Realizacja Istniejąca infrastruktura kabli sterowniczych pozwoliła na podłączenie sygnałów z studni głębinowych z centralną dyspozytornią w ramach budowy prototypu systemu. Przyszła kolej na wybór standardu komunikacji z pozostałymi obiektami. System powinien spełniać kryteria techniczne, a jednocześnie być atrakcyjny cenowo zarówno inwestycyjnie, jak i eksploatacyjnie. I właśnie to założenie było najtrudniejsze do spełnienia. Rys. 1. Schemat działania systemu Ostatecznie po kilkumiesięcznych analizach i testach różnych rozwiązań zapadła decyzja: radiomodemy a spośród nich najlepszym okazał się produkt firmy SATEL Oy. Wyższy początkowy koszt inwestycji rekompensowany jest przez praktycznie bezkosztową eksploatację, dzięki wysokiej niezawodności i pracy w wolnym od opłat paśmie częstotliwości. Pamiętać należy, że w tym okresie miesięczne opłaty za eksploatację modemu GPRS, czy SMS to koszt kilkudziesięciu złotych, a budowa linii kablowej na odległość kilku kilometrów między obiektami była niemożliwa. Pierwszy etap rozbudowy systemu to 8 pompowni ścieków. Analiza kosztów eksploatacji systemu GPRS pomogła w decyzji za roczne opłaty z tytułu opłat za transmisję danych z 8 pompowni można było kupić nowy radiomodem. Ponadto radiomodem gwarantuje niezależność od operatora sieci telefonii i właściciela APN, co sprawdziło się na przykładzie pozostałych elementów systemu. Transfer danych jest darmowy zatem obiekty są odpytywane na bieżąco wskutek czego ewentualne problemy z łącznością są wykrywane natychmiast. Monitorowanie obiektów może się odbywać cyklicznie w krótkich odstępach czasu, dając pełną wiedzę na temat stanu poszczególnych obiektów nie powodując zwiększenia kosztów eksploatacyjnych. Tej zalety nie posiadają systemy oparte na zdarzeniowym wysyłaniu informacji. System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 2 z 6
W celu zapewnienia prawidłowej pracy obiektów, pompownie ścieków zostały wyposażone w sterowniki swobodnie programowalne oraz radiomodemy z możliwością przesyłania informacji na odległość. Tego typu rozwiązania cechują się ogromną elastycznością pod względem swobodnej parametryzacji i zdalnego sterowania. Same pompownie stanowią autonomiczne obiekty pracujące w trybie automatycznym. Wymagają one jednak bieżącego dozoru ze strony obsługi, prac konserwacyjnych, usuwania zakłóceń w pracy poszczególnych urządzeń. Rys. 2. Projekt sieci radiomodemów wykonany w programie SaTerm Dla zapewnienia bieżącej kontroli pracy konieczne jest systematyczne doglądanie obiektów. Jednak nawet codzienne sprawdzanie stanu pompowni nie zapewnia bezprzerwowej pracy każdej z nich, a nawet kilkugodzinna przerwa w pracy (np. wskutek braku zasilania) stanowi potencjalne zagrożenie utraty zdolności odbioru ścieków z poszczególnych zlewni czy wręcz w konsekwencji zagrożenie skażenia środowiska. Z uwagi na stosunkowo duże odległości pomiędzy pompowniami częsta kontrola pompowni powoduje wzrost kosztów. Dzięki rozbudowie systemu monitoringu o funkcję komunikacji radiomodemowej, możliwe jest powiązanie sygnałów z poszczególnych obiektów w spójnym systemie wizualizacji i sterowania. Wykorzystanie tego potencjału daje następujące korzyści: natychmiastowa informacja o zakłóceniach i awariach urządzeń, bezzwłoczna reakcja obsługi na zdarzenia ruchowe, możliwość podjęcia działań zapobiegających skutkom awarii, analiza pracy systemu kanalizacyjnego na podstawie zarejestrowanych zdarzeń, oszczędności kosztów poprzez ograniczenie częstotliwości kontroli urządzeń bezpośrednio na obiekcie, rozłożenie w czasie retencji układu poprzez odpowiednie sterowanie przepływem ścieków w przypadku braku zasilania poszczególnych pompowni. System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 3 z 6
Rys. 3 - Synoptyka pompowni ścieków W celu realizacji powyższych możliwości należało zaprojektować i wykonać system sterowania nadrzędnego i wizualizacji zdolnego do realizacji następujących założeń technologicznych: wykonanie i uruchomienie sieci sterowników w trybie master-slave, przesłanie i zobrazowanie na ekranach synoptycznych sygnałów z obiektów, wygenerowanie sygnałów alarmowych na stacji wizualizacji, opracowanie algorytmu sterowania nadrzędnego dla sterowników obiektowych. Przedsiębiorstwo posiada już zalążek systemu monitoringu stacji wodociągów i ujęcia wody zbudowany w oparciu o sterownik PLC oraz stanowisko wizualizacji pracy urządzeń na platformie systemu SCADA. Moc obliczeniowa sterownika oraz licencja programu SCADA zostały przewidziane pod rozbudowę systemu o kolejne obiekty. System ten stanowi doskonałą bazę pod rozbudowę ujednoliconego monitoringu. Rys. 4 - Wizualizacja hydroforni sieciowej System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 4 z 6
Po analizie założeń technologicznych oraz inwentaryzacji wyposażenia pompowni i istniejącego systemu monitoringu wybrany został sposób realizacji zadania. Z uwagi na znaczne odległości pomiędzy poszczególnymi obiektami koszt budowy sieci w wersji kablowej czy światłowodowej przewyższał możliwości inwestycyjne przedsiębiorstwa. W celu umożliwienia zbierania sygnałów o zdarzeniach przewidziano komunikację na bazie radiomodemów w paśmie 869 MHz. Jest to zakres częstotliwości przeznaczony do transmisji radiowej o niedużej mocy zapewniającej jednak łączność na odległości do ok. 5 km. Istotną cechą tego pasma jest to, że użytkownicy mogą stosować urządzenia bez konieczności starania się o przydział częstotliwości i tym samym nie ponoszą opłat za używanie urządzeń. Dzięki temu monitorowanie obiektów może się odbywać cyklicznie w krótkich odstępach czasu dając pełną wiedzę na temat stanu poszczególnych obiektów, nie powodując zwiększenia kosztów eksploatacyjnych. W celu realizacji zadania należało opracować koncepcję systemu komunikacyjnego oraz wykonać testy zasięgu łączności radiowej w oparciu o dostępne urządzenia. Na obiektach wykonano testy radiomodemów RACOM oraz SATEL Oy. Po analizie uzyskanych parametrów wybrany został radiomodem SATELLINE-3AS 869. Następnie został określony protokół komunikacyjny MODBUS RTU jako najkorzystniejszy cenowo i technicznie. Nie bez znaczenia jest fakt, że przedsiębiorstwo posiada urządzenia, które są wyposażone w protokół Modbus lub posiadają możliwość rozbudowy o ten protokół niewielkim kosztem. Do zarządzania transmisją zainstalowany został procesor komunikacyjny w formie karty rozszerzeń do sterownika PLC. Następnie zamontowano radiomodem w Stacji Wodociągów i skonfigurowano oprogramowanie radiomodemów i sterowników. Kolejny etap obejmował opracowanie algorytmu sterowania nadrzędnego pompowniami. Cały system został połączony z wizualizacją za pośrednictwem serwera OPC, a program SCADA uległ rozbudowie o ekrany synoptyczne obrazujące zdarzenia na poszczególnych pompowniach. Korzyści Można dywagować: po co wyważać otwarte drzwi, skoro wiele firm oferuje gotowe systemy nadzoru? Tego typu rozwiązanie wymaga większego zaangażowania i świadomości od użytkownika końcowego. Jest to wybór indywidualny oparty na przeświadczeniu, że najlepiej dostosowany system może powstać przy dużym udziale odbiorcy. Oferta gotowych produktów z reguły zawiera wąską działkę typowych rozwiązań (pompownia, studnia, hydrofornia itp.), a w dacie wdrożenia systemu jest bardzo uboga. Włączenie innego, nietypowego obiektu staje się wówczas problemem. Opisywany system jest na tyle elastyczny, że obsługuje kilka typów pompowni ścieków, w tym pompownię próżniowo tłoczną, hydrofornie sieciowe różnych producentów, terenowe zbiorniki wody pitnej, studnie głębinowe z sterowaniem dostosowanym do stref taryfowych energii elektrycznej. W następnej kolejności na podłączenie wytypowane są dwie oczyszczalnie i planowane ujęcie wody ze stacją uzdatniania. Samych radiomodemów w systemie pracuje obecnie 47 sztuk. Pierwotna sieć radiomodemów zapewniała łączność z pompowniami ścieków będących w zasięgu masztu centralnego. System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 5 z 6
System jest systematycznie modyfikowany przez użytkownika i dostosowywany do aktualnych potrzeb. Dzięki elastyczności rozwiązania bywa, że algorytm jest modyfikowany pod potrzeby rozruchu kolejnego obiektu czy też analizy pracy wybranego urządzenia. Wiele funkcji zostało zaimplementowanych z inicjatywy pracowników, którzy zgłaszają potrzebę konkretnej informacji pomocnej im w pracy skutkiem czego systematycznie rozwijana jest funkcjonalność pod potrzeby obsługi. Na dzień dzisiejszy, dzięki funkcji retransmisji, jaką posiada każdy z radiomodemów, łączność dociera do najdalszych urządzeń na sieci wod-kan. Paradoksalnie pomimo znacznie dzisiaj większej (i tańszej) oferty rozwiązań na rynku komunikacji bezprzewodowej, w dalszym ciągu roczne oszczędności z tytułu braku opłat za transfer równoważą zakup jednego radiomodemu, a użytkownik jest w pełni niezależny od zewnętrznych operatorów podsumowuje Wojciech Iwan, Kierownik Zakładu Wodociągów i Kanalizacji w PUK Ropczyce. Wojciech Iwan Kierownik Zakładu Wodociągów i Kanalizacji Przedsiębiorstwo Usług Komunalnych w Ropczycach Sp. z o.o. System zdalnego monitoringu i sterowania urządzeń wod-kan w Przedsiębiorstwie Usług Komunalnych w Ropczycach Strona 6 z 6