Автоматизация и оптимизация на работата на ВиК системите

Непрекъснатото развитие на интелигентните технологии за водопроводни и канализационни мрежи помага на ВиК- операторите, постоянно да подобряват ефективността и управлението на мрежите. Оптимизацията на операциите налага внедряването на облачните интелигентни технологии за управление. В интелигентните ВиК-мрежи, информацията получавана от „Geographic data and information-GIS”, „Supervisory Control And Data Acquisition-SCADA”, интелигентни измервателни уреди в реално време, информира оператора за точното място и настъпилите промени в хидравличния модел на мрежата, които изискват коригиращи мерки. В първата част на статията ще разкажем за приложението на SCADA и за основните компоненти. В следващ материал ще обърнем повече внимание на GIS и други системи за оnline мониторинга и управление в реално време.

Голяма част от доскоро често използваните технологии практически не предлагат възможности за предварително мрежово моделиране и оптимизация на ВиК-системната динамика. По този начин не се осъществява прогнозна оценка на въздействието на оперативни или физически промени върху ефективната работа на системата. ВиК- операторите, в трудни ситуации са базирали преценката си за ремонти и реконструкции, само и единствено на опита си. Новите системни цифрови технологии изцяло интегрирани с „GIS”, „SCADA”, интелигентни измервателни уреди, сензори и инфраструктура, дават възможност на операторите да оптимизират мрежовите операции и ефективността в реално време. „Simulation modeling”-симулационните модели(специален случай на математическо моделиране), прогнозиращи хидравличното поведение на мрежите и системите за управление на качеството на водата, са сред най-ефективните начини за предвиждане състоянието на водоразпределителните и водоснабдителните съоръжения при широк набор от профили на натоварване и работни условия. Така се определят какви биха били налягането, потокът и качеството на водата при дадена комбинация от системни характеристики. Улеснява се изготвянето на различни оперативни тактики и управленски стратегии по отношение на качеството на водата и надеждността на хидравличните системи. За постигнето на тези основни цели, симулационните мрежови модели изискват точни и актуални данни за състоянието на водоснабдителната мрежа. Това налага синхронизиране на данните от „GIS” и „SCADA” системите в реално време във възможни работни модели. Бързо се създават и сравняват алтернативни работни сценарии, за вземането на най-подходящото решение. Например, прогнозиране на ефекта от цялостно спиране на водоподаващите системи, изключване на помпени станции, от различни дейности по поддръжка и обслужване на мрежите, както и други планирани или непланирани събития. Могат да се предсказват също и стойностите на мрежови параметри-поток, налягане и др.

Приложение на SCADA за ВиК операторите
SCADA e система за надзорен контрол, управление и събиране на данни от ВиК мрежите. Tя осъществява връзка с помпените станции и мрежите на ВиК-оператора, позволява въвеждане на данни от служителите. Показва измерванията в реално време чрез графичен интерфейс. Позволява централизирано и локално управление на процесите в реално време. Съхранява архивни данни за измерените величини. Основната функция на SCADA системите е получаването на данни от отдалечени устройства-вентили, помпи, сензори. Осигурява се възможност за цялостен контрол на ВиК мрежата от разстояние посредством софтуерна SCADA платформа. Тя обезпечава и локален контрол на процесите, така че полевите устройства да се включват и изключват в подходящото време, допълвайки стратегията за отдалечено управление, събиране на данни и регистриране на различни събития. Съвременните софтуерни SCADA платформи разполагат с опции за получаване на аварийни сигнали и изпращане на известия до потребителите, комплексни инструменти за съхраняване, обработка и анализ на данни в реално време. Повечето SCADA системи за ВиК-мрежи, използват разпределена децентрализирана архитектура, в която могат да бъдат разграничени две йерархични нива–локално ниво, отговарящо за водоснабдителните помпени станции, и централно ниво за оператора. Локалното ниво се основава на използването на сензори и програмируеми логически контролери, а централното ниво се състои от високоскоростни компютри за мониторинг и дистанционно управление на процесите. Комуникацията между двете нива, в зависимост от средата между тях, се осъществява с помощта на различни технологии за изпращане на данни – оптичен кабел, радио/безжична връзка, GSM и др. Архитектурата на SCADA-системата, се разработва на база на определен мрежов ВиК-модел, за да може да обработва бързо голямо количество информация с висока надеждност. Системата следи протичането на технологичния процес, измерва с голяма точност разхода на ресурси и производителността. Всяка локална водоразпределителна станция е снабдена с устройства за събиране на данни и управление, които изпълняват автоматично измерване на специфични параметри, първична обработка на данните-валидиране на стойностите от преобразувателите, сравняване с нормативно-допустимите граници , издаване на предупреждение при преминаване на регулаторните граници и комуникация с по-висше йерархично ниво. Обикновено SCADA системите за ВиК мрежи проследяват следните показатели-налягане, дебит, ниво на водата, състояние на помпите и филтрите, активна/реактивна енергия. Така се осъществява управлението на помпите в зависимост от дебита или налягането във водоснабдителните мрежи за питейна вода. Изготвят се информационни бюлетини и работни доклади. Представят се мерките, които трябва да бъдат взети от ВиК операторите-схеми за бърза оценка на моментните експлоатационни характеристики, виртуални графики, диаграми на развитието на технологичния процес в определени времеви периоди. SCADA-системата, предоставя и възможността за откриване и предотвратяване на повреди във водоснабдителната мрежа. Дистанционното показване на работните условия на мрежата, позволява на ВиК-оператора, да реагира бързо при възникване на проблеми. Например, спукване на водопровод, пожари, възникване на електрически или механични повреди. Последните генерират сигнал, предоставящ информация за местоположението на повредата и мерките за отстраняването й. По този начин е възможно да се намали или дори да се елиминира времето на престой и съответно прекъсване на водоподаването. SCADA-системата, едновремено следи няколко параметъра, като оптимизира употребата на химикали за постигане на определено качество на водата. Оптимизира се също и експлоатацията на помпените станции, като се намалява енергопотреблението. То се осъществява в резултат на получената информация, даваща възможност за по-добра настройка на ВиК-мрежата. С намаляването на водните загуби в мрежите се намалява и напорния дебит, водещ до намаляване на необходимата електрическа енергия за захранване на помпите. Дистанционното отчитане на параметрите за нивата на водата в резервоарите, дебитите, наляганията във водопроводите, мощността на помпените станции, прави възможно предварително да се прогнозират и отстраняват авариите. Течове типично възникват поради корозия на металните тръбопроводи и влошаване на структурната им якост. Предварителното им откриване, намалява разрастването им и финансовите средства за тяхното отстраняване.

Основни компоненти на SCADA
При изграждането на телеметрични и отдалечени SCADA - системи, разработчиците все повече се сблъскват с необходимостта да измерват параметрите на процеса на трудно достъпни места. Отдалечеността, опасните условия, липсата на други източници за захранване с енергия, скъпата поддръжка са само част от препятствията, с които човек трябва да се сблъска, когато автоматизира съоръженията.

Безжичните сензори със собствено захранване могат да се използват, като сензори за температура, позиция, тежест, скорост, честота, налягане, електрически параметри, броячен вход и др.Тези сензори се свързват със стандартни цифрови входове и изходи, към „programmable logic controller”(PLCs)-програмируем логически контролер или ”Remote Terminal Units”(RTUs)-отдалечени терминални възли(отдалечена периферия), които събират данните от сензорите и управляват чрез импулси различни изпълнителни устройства (двигател, помпа, цилиндър) и др. „PLCs” са микромпютри-, микроконтролери, при които в една интегрална схема е поместена цяла компютърна конфигурация-процесор, програмна и оперативна памет, таймери, схема за начално установяване, интерфейсни схеми, електрически изтриваема постоянна памет, серийни и периферни интерфейсни адаптери, часовник за реално време, многоканални аналогово-цифрови преобразуватели и др. Или казано по друг начин един логически контролер включва процесор с вградена RAM памет, SD карта за съхранение, GPS с времева синхронизация, както и 4G модем за трансфер на данни със скорост от порядъка на 5 KB/s. Един SCADА контролер е с възможност за разширяване и свързване на допълнителни вход/изход-модули(до 40), може да обработва до 1088 различни сигнала. Надеждността на предаването на данни се осигурява от поддръжката на DNP3 протокол, благодарение на което загубата на предадени данни е изключена. Ако комуникационната линия е прекъсната, контролерът натрупва непредадени съобщения и когато комуникацията е възстановена, ги предава с отчитане на времето. Той е пригоден за работа в тежки условия и е адаптиран към нуждите на ВиК процеса.Тези уреди са основен източник на данни за автоматизация на ВиК системата. Същите захранват SCADA-ситемата, с данни през мрежа-LAN или WAN. Централизирана базова станция (SCADA високоскоростен персонален компютър), служи за определена задача и има определено физическо място за надзор и контрол от операторски терминал. Често тя е и сървър. Поддържат се сензори за различни типове данни, като технологични параметри-налягане, дебит, ниво в резервоарите и показатели за качеството на водата-pH, температура, електропроводимост, мътност, остатъчна концентрация на хлор и др. Контролерите типично се захранват от батерии, с възможност за зареждане от соларен панел(през деня). Контролерите могат да бъдат отдалечено управлявани и конфигурирани по различен начин в зависимост от конкретните нужди. Отделните технологични параметри, обикновено се измерват на кратки равни интервали-например, 30s в зависимост от темповете на изменението им във времето. Всички полеви устройства автоматично предават данни на базовата станция на разстояние до 1000m. Всяко полево устройство е самостоятелно, с вграден приемо-предавател (2,4GHz) и батерия с дълъг живот (издържа от 3 до 10 години в зависимост от скоростта на предаване и вида на батерията). Мрежите на устройствата са мащабируеми, което позволява до 1000 полеви устройства да бъдат свързани към базова радиостанция и до 256 радио базови станции към мрежа. Полевите устройства се разполагат в компактен, здрав корпус(изграден по стандарта NEMA4). Също допълнително може да се постави дистанционен сензор и външна антена. Принципно, производителите на полеви устройства дават 5-годишна гаранция за резервни части и експлоатация. Обменът на данни между SCADA-системния сървър и контролера се осъществява чрез безжични канали за комуникация (радио, Wi-Fi, GSM/GPRS).