budowa systemów monitorowania i sterowania obiektami sieci

budowa systemów monitorowania i sterowania obiektami sieci

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
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).
Stacje
Obniżania
Ciśnień
STRUKTURA
K-xxx
K-xxx
K-xxx
Dyspozycja ZSC
K-xxx
TCH
MASTERPIX
TCH
KOM
KOM
SOC
SOC
K-xxx
SB SOC
DS
VLAN
SB KOMORY
ORACLE
RS 232
over
Ethernet
Kościuszki
GIS
View
View
Serwer
Sieć Technologiczna
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 VLAN2)
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
Rysunek 4. Struktura oprogramowania Stacji Bazowej
propagację fal radiowych, zdecydowano o lokalizacji Centralnego
(CommServer). Na platformie systemu operacyjnego
Punktu Sieci Telemetrycznej w innym niż Dyspozycja budynku.
(SO) główne moduły oprogramowania stacji: SERWER
Ponieważ transmisja radiowa wymaga łącza szeregowego pojawił się
(odpowiadający za komunikację ze stacjami wizualizacji
problem, jak połączyć Stację Bazową z modemem odległym od niej
poprzez standard OPC), MONITOR (odpowiedzialny za
skanowanie danych z obiektów), wspólna BAZA DAo ok. 2km. Problem ten został rozwiązany przez zastosowanie
NYCH (gdzie gromadzone są dane dla SERWERA
urządzenia typu Device Server, udostępniającego port szeregowy
i MONITORA)
oraz
moduły
wymiany
danych
w sieci Ethernet. Odpowiednia konfiguracja urządzenia umożliwia
w technologii OPC (Serwer i Klient).
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
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
URTiP5) 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 SAIABurgess.
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
doc: R-05050103PL_Artykuł_Budowa_Systemu_Komór/Ver:8
www.cas.eu
www.commsvr.com
[email protected]
10
Łódź, kwiecień 2005