Решения на базе оборудования Advantech для автоматизации систем водоснабжения и водоподготовки

Введение

Ежедневно открывая водопроводный кран, мы редко задумываемся над тем, насколько сложен механизм водоснабжения. Как бы то ни было, для обеспечения потребителей водой требуемого качества необходимы специальные инженерные сооружения для реализации многоэтапного технологического процесса водоподготовки, водораспределения, а также отдельных систем отведения сточных вод. Рано или поздно в результате длительной эксплуатации изнашиваются базовые компоненты такого рода систем – трубопроводы, насосные агрегаты, запорная арматура, что приводит к потерям воды вследствие утечек и повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

В связи с этим при организации и модернизации систем водоснабжения особое внимание уделяется поддержанию работоспособного оборудования [1].

Каждая капля воды расходуется эффективно

Город Сиань, административный центр провинции Шаньси, как и многие мегаполисы, сталкивается с экологическими и демографическими проблемами и связанным с ними дефицитом ресурсов, например, воды, но вполне вероятно, что город со временем превратится в мировую столицу высоких технологий. Для достижения этой цели местная администрация и бизнес инвестируют в «зелёные» технологии, искусственный интеллект, развивают инфраструктуру новых районов и стремятся повысить качество оказания коммунальных услуг жителям.

В городе с числом жителей более 7 млн человек была целиком модернизирована система городского водоснабжения, от водозабора до водопроводного крана потребителя (рис. 1).

Рис. 1. Бесперебойная подача чистой воды каждому жителю Сианя оказалась возможна благодаря модернизации всей городской системы водоснабжения, от водозабора до крана потребителя

Далее мы кратко рассмотрим систему автоматизации одного из главных компонентов такого рода систем – насосных станций различного назначения.

Любая насосная станция состоит из основных и резервных насосных агрегатов, привод которых осуществляется мощными электродвигателями. Автоматическая система управления регулирует подачу воды в соответствии с заданным расписанием, а также контролирует основные параметры: температуру и расход воды, давление, а также температуру и уровень вибраций электродвигателей. Оборудование системы автоматизации размещается в герметичных шкафах для защиты от воздействия высоких температур, влажности, агрессивных сред, а также для снижения воздействия электромагнитных помех от работающих мощных электродвигателей. Для обмена информацией оборудования нижнего уровня – датчиков, контроллеров, исполнительных механизмов – с уровнем управления SCADA-системы используются шлюзы данных, управляемые и неуправляемые коммутаторы, маршрутизаторы и др.

В качестве последних при создании системы управления насосными станциями было решено использовать сетевое оборудование Advantech. Мы подробно рассмотрим его особенности и технологические преимущества.

Коммутаторы серии EKI-7000

Согласно техническому заданию требовалось разместить сетевое оборудование в непосредственной близости от работающих насосных агрегатов в условиях высокой влажности и высоких температур, а также сформировать на их основе надёжную информационную сеть. Ethernet-коммутаторы серии EKI-7000 (рис. 2) в промышленном исполнении с поддержкой функции подачи питания по сети Ethernet (PoE) успешно справились с этой задачей.

Рис. 2. Управляемый Ethernet-коммутатор серии EKI-7000

Патентованная технология X-ring, поддерживаемая данными коммутаторами, обеспечила пользователю сверхбыстрое время восстановления соединения (менее 10 мс) в случае обрыва линии или сбоев [2].

Интеллектуальный шлюз данных IoT ECU-1251

Технологическое оборудование для систем водоснабжения часто оснащается измерительными устройствами и исполнительными механизмами от разных производителей. Это оборудование поддерживает различные интерфейсы передачи данных, что затрудняет их интеграцию в системы верхнего уровня (SCADA). Межсетевой интеллектуальный шлюз ECU-1251 (рис. 3) поддерживает целый ряд промышленных протоколов обмена данными: Modbus RTU/TCP, BACnet, МЭК-101, МЭК-104, DNP3 и OPC-UA. Кроме того, ECU-1251 осуществляет функции регистратора событий (Data Logger) и способен передавать данные по беспроводной связи стандарта LTE в облачные сервисы Microsoft Azure или AWS (Amazon Web Services).

Рис. 3. Интеллектуальный шлюз данных серии ECU-1100

Технология программирования IoT-шлюза не ограничивается встроенной графической средой TagLink Studio, для решения специальных задач предоставляется возможность использования классических языков программирования С/С++/С#. Таким образом, ECU-1251 является универсальным средством онлайн-мониторинга для многих отраслевых приложений промышленного Интернета вещей, а не только систем водоснабжения.

Оптимизация системы управления станции очистки сточных вод

Хорошим примером отраслевого внедрения системы автоматизации и диспетчеризации может служить программно-аппаратный комплекс очистки сточных вод недалеко от порта Гаосюн (Тайвань), созданный на основе оборудования и программного обеспечения Advantech.

Рис. 4. Структурная схема комплексной системы управления водоочистительного комплекса

Как видно из структурной схемы (рис. 4), система управления территориально распределённым объектом очистки сточных вод подразделяется:

на нижний технологический уровень датчиков уровня и расхода воды, величины PH, электропроводности, растворённого кислорода, газоанали-заторов;
локальный уровень управления на базе программируемого логического контроллера, а также сбора и передачи технологических данных в систему диспетчерского управления;
промежуточный транспортный уровень сети с кольцевым отказоустойчивым резервированием коммутаторов;
пункт диспетчерского управления на основе программного обеспечения SCADA.

Остановимся подробнее на компонентах этой системы.

Пункт диспетчерского управления четырьмя подстанциями реализован под управлением SCADA-системы WebAccess 8.1, что позволило оптимизировать затраты на оборудование и программное обеспечение благодаря возможности дальнейшего горизонтального расширения и добавления новых функциональных узлов.

Система WebAccess поддерживает открытые интерфейсы обмена данными и обеспечивает визуализацию технологического процесса в режиме реального времени, мониторинг установок механической, химической и биологической очистки сточных вод, а также контроля работоспособности оборудования насосных станций. Кроме того, WebAccess позволяет безопасно настраивать и администрировать систему через интернет-браузер в режиме 24/7/365 из любого места и с любого устройства. WebAccess имеет библиотеки протоколов и графических элементов, средства анимации.

В качестве базовых контроллеров были использованы модульные ПЛК серии APAX на базе RISC-процессоров с резервированием процессорного модуля для повышения функциональной надёжности. Алгоритм управления разработан на языке программирования Structured Text стандарта МЭК 61131-3. Максимальное время отклика системы составило 1 мс, что является более чем достаточным значением для решаемой задачи. Коммутаторы уже известной нам серии EKI-7000 образуют транспортный уровень сети на основе волоконно-оптических линий связи, резервированных по типу «кольцо». Таким образом, на базе аппаратного и программного обеспечения одного поставщика была создана готовая система управления с резервированием функциональных узлов.

Заключение

Проблема стабильного обеспечения питьевой водой актуальна не только для азиатского региона, а вследствие глобальной тенденции к урбанизации, и для нашей страны тоже.

Рис. 5. Около 200 локальных систем управления водоснабжением города Сианя оборудованы сетевыми коммутаторами и интеллектуальными шлюзами данных Advantech

Пример модернизации насосных подстанций одного из мегаполисов Китая (рис. 5) и проект комплексной системы водоподготовки в крупном тайваньском порту показали, насколько использование высокотехнологичного оборудования способно повысить качество жизни и водоснабжения в крупных городских агломерациях и регионах с дефицитом пресной воды, и, кроме того, привлекли внимание к бережному отношению к важнейшему из ресурсов. ●