System Telemetrycznego Sterowania Przepompowniami (STSP)

     System przeznaczony jest do zdalnego monitorowania i sterowania z centralnej dyspozytorni bezobsługowymi przepompowniami pracującymi na magistralach głównych w systemie ciepłowniczym miasta Łodzi. Przepompownie zlokalizowane są w odległości 4-6 km od centralnej dyspozytorni. Ich zadaniem jest utrzymywanie w wybranych punktach sieci ciepłowniczej odpowiedniego rozkładu ciśnień. Zadanie to jest realizowane poprzez płynną regulację wydajności i dobór liczby pracujących pomp. Podstawowe funkcje systemu to:

automatyczne uruchamianie przepompowni, automatyczne planowe i awaryjne odstawianie przepompowni, automatyczna regulacja ciśnień, dobór liczby pomp i ich wydajności, samoczynne i planowe załączanie rezerwy zasilania, zabezpieczenie budynków przed włamaniem i pożarem, wykrywanie nieszczelności w układach agregatów pompowych i kontrola zalania budynków,

• sterowanie armaturą w celu ochrony magistral w sytuacji awaryjnego odstawienia pompowni,
• awaryjne odstawianie agregatów pompowych w przypadku wzrostu drgań lub temperatury,
• zapewnienie komunikacji z centralną dyspozycją,
• zapewnienie możliwości zdalnego sterowania,
• monitorowanie lokalne i zdalne pracy pompowni (układu hydraulicznego i elektrycznego),
• rejestracja wszystkich istotnych zdarzeń i przebiegów wybranych parametrów pracy.

     Ze względu na strategiczne znaczenie pompowni dla systemu ciepłowniczego aglomeracji kluczowym zagadnieniem jest niezawodność i pełna, ciągła kontrola poprawności ich pracy. Realizacja tego postulatu jest możliwa tylko wtedy, jeśli niezawodność systemu komunikacyjnego sprosta tym wymaganiom.
     Wybrano system komunikacji radiowej z nadmiarowym kanałem łączności jako rozwiązanie, które najbardziej odpowiada powyższym wymaganiom, a mianowicie zostały tu wykorzystane dwa tory transmisji danych:

• tor podstawowy i tor rezerwowy - radiomodemy pracujące w paśmie 400MHz na częstotliwości licencjonowanej

     Na rysunku przedstawiono strukturę Systemu Telemetrycznego Sterowania Przepompowniami (STSP). Wyróżniono w niej następujące obiekty:

• centralną dyspozytornię Zakład Sieci Cieplnej (ZSC),
• przepompownie (SOC_D, SOC_P).

W torach komunikacyjnych wykorzystano specjalistyczne radiomodemy MDS 4710.
     System zawiera dwie stacje koncentratorów danych (KD), zlokalizowane w przepompowniach i centralny punkt akwizycji danych - stację bazową (SB), umożliwiającą komunikację z przepompowniami za pośrednictwem dwóch dodatkowych stacji operatorskich SCADA (SO).

Stacje Operatorskie. Zadaniem stacji operatorskiej (SO) jest:

• zobrazowanie zebranych danych opisujących aktualny stan procesu technologicznego,
• zdalne ręczne lub parametryczne automatyczne sterowanie obiektem,
• archiwizowanie danych.

     Zlokalizowane w centralnej dyspozycji stacje operatorskie umożliwiają sterowanie zdalne pompowni w jednym z następujących trybów:

awaryjne ręczne (TRYB OPERATOR) - w przypadku awarii lub prac remontowo-konserwacyjnych, parametryczne (TRYB AUTOMAT) - pozwalające na zadawanie wybranych wielkości dla autonomicznego układu lokalnej regulacji automatycznej.

     Stacje operatorskie (SO) na bieżąco czytają niezależnie dane ze stacji bazowej (SB). Odczyt odbywa się za pośrednictwem interfejsu szeregowego. Dzięki zastosowaniu tu powszechnie używanych standardów możliwe jest podłączenie do stacji bazowych (SB) dowolnych systemów wizualizacji i sterowania.

Stacja Bazowa. Jak wspomniano, stacja bazowa (SB) jest odpowiedzialna za odczytywanie danych z koncentratorów (KD) za pośrednictwem dostępnych kanałów komunikacyjnych. Elastyczna konfiguracja stacji bazowej i koncentratorów umożliwia przyszłą rozbudowę systemu. Rysunek pokazuje konfigurację, gdzie przepompownie wyposażono w cyfrowe łącze radiowe, zrealizowane na częstotliwości licencjonowanej (łącze podstawowe i rezerwowe). W obu torach wykorzystano radiomodemy MDS 4710E.

     Stacja (SB) umożliwia podłączenie do systemu kolejnych koncentratorów i innych układów pomiarowo-sterujących, jak np. inteligentnych modułów DGH, sterowników Saia, itp. Podłączenie kolejnych koncentratorów jest realizowane przez rekonfigurację oprogramowania stacji bazowej (SB). Stacje (SB) wyposażono w 8 kanałów do szeregowej transmisji danych, w tym dwa wykorzystano do komunikacji ze stacją SO i dwa do transmisji danych do koncentratorów danych.

Koncentratory Danych. Zadaniem koncentratorów (KD) jest zapewnienie niezawodnej transmisji danych z redundancją. Wykorzystanie niezależnych torów transmisyjnych zwiększa niezawodność w przypadku awarii lub prac konserwacyjnych jednego z nich. Koncentrator zbiera dane ze sterownika nadrzędnego oraz współpracujących z nim sterowników lokalnych agregatów połączonych w sieci i za pośrednictwem jednego z torów komunikacyjnych wysyła dane do stacji bazowej (SB). Przesyłane dane są zabezpieczone przed przypadkowymi zakłóceniami, prowadzona jest kontrola przepływu i retransmisja w przypadku błędów. Oprogramowanie sterowników nie zawiera dedykowanych elementów związanych z komunikacją, tzn. w możliwie maksymalnym stopniu wykorzystano tu wbudowany system operacyjny. Poprawność pracy systemu telemetrii i telesterowania jest niezależna od ciągłości zasilania z sieci elektrycznej poprzez zastosowanie zasilaczy bezprzerwowych UPS.

Sterowniki Nadrzędne. Sterowniki nadrzędne (SP) realizują większość funkcji związanych ze sterowaniem obiektem. Pozostałe funkcje realizowane są przez połączone do wspólnej magistrali sterowniki lokalne. Połączenie sterowników pomiędzy sobą zrealizowano za pośrednictwem łącza RS485. Istotne sygnały świadczące o awarii zostały przesłane do sterownika nadrzędnego niezależnymi, dodatkowymi liniami sygnałowymi. Sterownik nadrzędny natomiast odpowiada za realizację następujących funkcji:

• automatyczne sterowanie wszystkimi urządzeniami wykonawczymi układu hydraulicznego pompowni,
• sterowanie i kontrola pracy układu zasilania pompowni, a w tym sterowanie układem samoczynnego załączenia rezerwy,
• sterowanie i kontrola pracy układu kontroli dostępu, przeciwpożarowego i kontroli zalania,
• kontrola dostępem do funkcji zdalnego sterowania - arbitraż zdalnego sterowania.

Sterowniki nadrzędne wraz ze sterownikami lokalnymi zostały zaprojektowane tak, aby mogły realizować wszystkie funkcje autonomicznie, bez konieczności komunikacji ze stacjami w dyspozycji.

Sterowniki Lokalne. Funkcja kontroli poprawności pracy agregatów pompowych jest realizowana częściowo przez lokalne sterowniki programowalne w bezpośrednim sąsiedztwie agregatów oraz przez sterownik główny (schemat poniżej). Zadaniem tych sterowników jest:

realizacja algorytmów kontroli poprawności pracy agregatów, lokalne pomiary wybranych wielkości, regulacja wybranych wielkości, wykrywanie ewentualnych nieszczelności w układzie agregatów pompowych.

     Odpowiadają one za pomiary sygnałów z czujników pomiarowych drgań, temperatury i położenia zasuw na tłoczeniu, filtrowanie sygnałów oraz porównywanie wielkości mierzonych z wartościami maksymalnymi. Dla każdego agregatu pompowego został zainstalowany jeden sterownik lokalny.
     Sterownik główny cyklicznie odczytuje kontrolowane wielkości poprzez interfejs szeregowy i - w przypadku przekroczenia zaprogramowanych wartości granicznych - odstawia awaryjnie agregat.

     Jako dodatkowe zabezpieczenie do sterownika SPM przychodzą też niezależnie sygnały binarne informujące o przekroczeniach granicznych drgań i temperatur poszczególnych agregatów, powodujące również natychmiastowe odstawienie agregatu. Zwiększa to niezawodność systemu w przypadku utraty komunikacji z danym sterownikiem.
     Komunikacja pomiędzy sterownikiem głównym a sterownikami lokalnymi odbywa się za pośrednictwem interfejsu szeregowego. Ze względu na standard RS485, w którym pracują sterowniki lokalne, zastosowano konwerter RS485/RS232 dający możliwość połączenia ze sterownikiem głównym.
     Aby zapewnić odpowiedni poziom redundancji, niezależnie z każdego ze sterowników (SP) do sterownika głównego (SPM) dostarczono dodatkowo dwa sygnały dwustanowe, które sygnalizują:

• stan przekroczenia maksymalnej temperatury łożysk agregatu,
• stan przekroczenia dopuszczalnej wartości poziomu wibracji.

     Pojawienie się któregoś z tych sygnałów uruchamia algorytm awaryjnego odstawienia pompy niezależnie od poprawności działania kabla transmisyjnego. Łożyska silników wyposażono w czujniki temperatur PT100 i piezoelektryczne czujniki drgań. W torach pomiarowych drgań umieszczono specjalistyczne wzmacniacze przetwarzające sygnały niskonapięciowe na prądowe, odpowiednio formując charakterystykę przetwornika. Aby zapewnić możliwość pracy bezobsługowej przepompowni trzeba było stworzyć system automatycznie wykrywający kontrolowane i niekontrolowane wycieki wody sieciowej. W trakcie normalnej pracy agregatów pompowych pewne niewielkie ilości wody z układu chłodzenia łożysk oraz wycieków naturalnych pomp odprowadzane są do zlokalizowanych w pobliżu studzienek kanalizacyjnych. Okresowo, w trakcie normalnej pracy, do studzienek odprowadzane są znacznie większe ilości wody, np. z układów odpowietrzania, z instalacji do chłodzenia łożysk. Wprowadzono więc modyfikacje w budowie studzienek kanalizacyjnych oraz zamocowano tam czujniki pływakowe. Programy sterowników lokalnych dostosowano do specyfiki układu i reagują one dopiero wtedy, gdy woda powodująca zadziałanie czujnika pływakowego, wydobywająca się z układu chłodzenia łożysk, lub inny większy wyciek trwa dłużej niż 5 minut. Pozwoliło to na kontrolowanie wycieków i reagowanie tylko wówczas, gdy występuje realne zagrożenie dla przepompowni. Dodatkowo w kanałach rurociągów zamocowano czujniki wystąpienia wody, które podłączono do centralki systemu antywłamaniowego.

Połączenie Radiowe na Częstotliwości Licencjonowanej. W tym torze sprzęt komunikacyjny - radiomodem - jest podłączony do komputera z wykorzystaniem interfejsu RS232 i za pośrednictwem fal radiowych w paśmie 400MHz transmituje dane szeregowe do oddalonego systemu przetwarzania danych. Wykorzystano tu układ "gwiazdy", w którym stacja centralna pracująca z anteną dookólną komunikuje się ze stacjami oddalonymi (SOC_D i SOC_P) sekwencyjnie na jednej częstotliwości. Stacje oddalone dla zwiększenia zasięgu, zmniejszenia wpływu zakłóceń i interferencji od innych urządzeń nadawczych, są wyposażone w anteny kierunkowe. System taki pracuje na częstotliwości dzierżawionej. Przydział częstotliwości dokonany został na podstawie wniosku z dołączoną dokumentacją projektową sieci radiowej, zawierającą jej opis, przeznaczenie, analizę propagacyjną i zakłóceniową.