Система автоматического управления насосной станцией на основе открытой SCADA системы OpenSCADA

Постоянное повышение цен на электроэнергию, воду  и теплоснабжение требует настойчивого поиска путей энерго- и ресурсосбережения в коммунальном хозяйстве и промышленности. Массовым типом установок в коммунальном хозяйстве являются насосные установки для транспорта холодной и горячей воды, которые обычно приводятся в действие с помощью асинхронных двигателей переменного тока.

Традиционный способ регулирования производительности насосных установок состоит в дросселировании напорных трубопроводов сети (применение вентилей и задвижек) и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров – давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приемном или регулирующем резервуаре и т.п. При таком регулировании от 5 до 15 %, а в иногда до 25-30% потребляемой электроэнергии затрачивается нерационально.

Высокоэффективный способ решения проблемы заключается в применении частотно-регулируемого электропривода на основе преобразователя частоты для насосных установок. Такой электропривод позволяет плавно регулировать скорость электродвигателя насоса, изменять его производительность и поддерживать напор в трубопроводной сети в зависимости от изменения условий потребления воды в течение суток. При этом может быть получена значительная экономия электроэнергии и воды.

Использование преобразователей частоты, подразумевает наличие системы автоматического управления и возможно диспетчеризации. Современные системы автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП) являются достаточно сложными. Условно иерархию АСУ ТП можно разделить на два уровня: нижний и верхний уровень. Нижний уровень АСУ ТП содержит полевое оборудование (датчики и исполнительные механизмы), а также программируемые логические контроллеры (ПЛК). Верхний уровень представляет собой систему визуализации и контроля над технологическим процессом (диспетчерское управление и сбор данных, SCADA-система).

ПЛК являются ответственной частью АСУ ТП, которая выполняет функцию сбора данных полевого оборудования, вычисление и выдачу регулирующих, блокировочных и других воздействий на регулирующие органы полевого оборудования.

Основные задачи, решаемые SCADA-системами:

1. Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.

2. Обработка информации в реальном времени.

3. Отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме.

4. Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.

5. Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

6. Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

7. Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

8. Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).

В соответствии с описанными задачами SCADA-система является сложным программным обеспечением (ПО), поэтому большинство таких систем являются коммерческими (например, Genesis32 от ICONICS, WinCC от Siemens, InTouch от Wonderware и и т.д.) и базируются на операционной системе (ОС) Windows от Microsoft с закрытым программным кодом.

Из-за высокой стоимости, использование SCADA-системы для небольших проектов является экономически невыгодным, т.к. затраты на покупку SCADA-системы и ОС для неё может составлять до 30% от общей стоимости проекта (без учета стоимости разработки).

Но существует ПО с открытым исходным кодом, т.е. исходный код таких программ доступен для просмотра, изучения и изменения, что позволяет помочь в доработке самой открытой программы, а также использовать код для создания новых программ и исправления в них ошибок. Ярким примером является ОС GNU/Linux – альтернативная замена для Windows. 

В связи с активным развитием свободного ПО постоянно появляются новые направления, в которых раньше были только коммерческие продукты. Существуют и открытые SCADA-системы, например FreeSCADA, Atlantis, OpenSCADA, Visual и т.д.

Наиболее проработанным является проект OpenSCADA.

Система OpenSCADA предназначена для выполнения, как обычных функций SCADA-систем, так и для использования в смежных областях информационных технологий.

Система OpenSCADA может использоваться:

– на промышленных объектах, в качестве полнофункциональной SCADA-системы;

– во встраиваемых системах, в качестве среды исполнения;

– для построения различных моделей (технологических, химических, физических, электрических процессов) с последующим моделированием;

– на персональных компьютерах, серверах и кластерах для сбора, обработки, представления и архивации информации о системе и её окружении.

Перечислим функции, решаемые OpenSCADA в рамках окружения ПЛК:

сбор данных различного спектра оборудования в синхронном, асинхронном или блочных режимах;

пользовательские процедуры обработки данных и выдачи управляющих воздействий на Java-подобном языке высокого уровня и на формальном языке блочных схем;

архивирование данных, начиная от временных буферов в памяти и заканчивая полноценными архивами на файловой системе или в БД различной дискретизации и глубины;

интеграция в архитектуру АСУ ТП путём реализации стандартных протоколов взаимодействия (ModBus, SNMP ...);

интеграция с СУБД для экспорта данных, хранения конфигурации или архивов;

свободная конфигурация и администрирование сети ПЛК как посредством оперативного интерфейса станции администрирования, так и посредством Web-интерфейса;

возможность реализации панелей оператора с интерфейсом контроля и управления на встроенной Touch-панели.

Достоинства OpenSCADA:

– открытость и доступность;

– основана на операционных системах GNU/Linux, считающимися самыми устойчивыми в работе;

– модульность системы;

– возможность создания специфичных проколов обмена на основе шаблонов;

– гибкость и масштабируемость системы;

– не высокие требования к мощности сервера и рабочей станции;

– мультиплатформенность, как в отношении аппаратного обеспечения, так и программного (планируется после выхода версии 0.7.0).

Недостатки OpenSCADA:

– малое количество библиотек элементов, для построения визуализации;

– в настоящее время OpenSCADA находится в стадии разработки, хотя даже сейчас она работает более устойчиво по сравнению с её аналогами, работающими на Windows.

Исходя из приведенного выше описания, для модернизации системы управления насосной станции второго подъема одного из областных городов Нижегородской области была предложена OpenSCADA, в качестве системы управления верхнего уровня.

Исходной, для модернизации,  стала система повысительных насосов состоящая из двух пар насосов. В каждой паре насосов один является рабочим, а другой резервный. Регулировка давления осуществляется с помощью дросселирования напорных трубопроводов в ручном режиме, что приводит, как уже говорилось выше, к потерям электроэнергии и уменьшению срока службы трубопроводной сети.

Для модернизации системы, предложена установка двух преобразователей частоты (ПЧ) фирмы Vacon мощностью 75 кВт каждый, на каждую группу насосов, что повышает надежность системы.

На рисунке 1 показана часть силовой схемы после модернизации.
 

Данная схема обеспечивает управление одним из насосов от ПЧ, при рабочем режиме, или подключение напрямую к сети, при аварийном режиме. Все автоматические выключатели и магнитные пускатели снабжены дополнительными контактами, которые заводятся на ПЛК. Управление ПЧ осуществляется ПЛК по сети RS-485 с использованием протокола ModBus. По этой же сети осуществляется передача данных в SCADA-систему.

Силовая схема для второй группы насосов аналогична рисунку 1.

Для обслуживающего персонала разрабатывается графический интерфейс, отображающий текущее состояние системы (рисунок 2).

На рисунке показаны трубопроводы с управляемой запорной арматурой и датчики, установленные в трубопроводах (давления и расхода). Показаны два ПЧ подключаемые к электродвигателям магнитными пускателями и автоматическими выключателями. Для ПЧ выведены основные показатели: напряжение в звене постоянного тока, напряжение и ток на двигателе. Линии питания на двигатели меняют свой цвет при включении или отключении с зеленого на красный соответственно. У всех устройств имеющие обратную связь с ПЛК установлен индикатор состояния с тремя цветами: зеленый – включен, красный – отключен, черный – нет сигнала. Внизу экрана выведен список журнала (слева), где отражаются события в системе, и график потребления (слева) за последние 120 с.
 

Т.к. объект автоматизации небольшой, то для реализации системы управления верхнего уровня устанавливается один персональный компьютер, выполняющий функции сервера/рабочей станции. Кроме этого возможно подключение по Web интерфейсу для удаленного мониторинга за работой системы.

В заключении отметим, что использование частотно-регулируемого электропривода обеспечивает высокую степень энерго- и ресурсосбережения за счет оптимизации режимов работы насосных агрегатов. Использование OpenSCADA позволяет создать надежную, быструю и гибкую систему АСУ ТП с удобным интерфейсом для оператора.

Размещено компанией OOO "ТМ"