ZDALNE STEROWANIE SYSTEMEM CIEPŁOWNICZYM AGLOMERACJI ŁÓDZKIEJ

Centralnym Punktem Dystrybucji Ciepła w Łodzi jest Dyspozycja Ruchu Zakładu Sieci Cieplnej (DSC). Dyspozytorzy nadzorują pracę sieci oraz decydują o zamawianej ilości ciepła jakie ma być dostarczone do odbiorców. Aby maksymalnie wspomóc pracę Dyspozytora Wydział został wyposażony w różne systemy informatyczne.

Praca Dyspozycji (DSC) wspomagana jest przez następujące systemy:

• GIS - geograficzny system informacyjny,
• TCH - system monitorowania pracy źródeł,
• SOC - system zdalnego sterowania przepompowni magistralnych (stacji obniżania ciśnień) wraz z symulatorem pracy sieci ciepłowniczej,
• KOM - system zdalnego sterowania komór ciepłowniczych.

Na rysunku pokazano uproszczoną strukturę całego systemu informatycznego. Każdy z wymienionych podsystemów pracuje autonomicznie, a współpracę pomiędzy ich elementami zapewnia jedna z dwóch wykorzystywanych sieci komputerowych: sieć ogólna (główna sieć zakładu dostępna dla wszystkich Wydziałów) oraz sieć technologiczna (odrębna sieć dostępna tylko dla użytkowników, którzy muszą mieć dostęp do obu tych sieci).

GIS został zbudowany na bazie oprogramowania SmallWorld i pozwala inwentaryzować infrastrukturę sieci cieplnej oraz obrazować jej aktualny stan. Dane gromadzone są w bazie danych (zarządzanej przez serwer GIS) w układzie geograficznym. W dyspozycji zlokalizowane są dwie stacje robocze GIS, które zapewniają pełen dostęp do danych tego sytemu.

System monitorowania źródeł stanowią dwie stacje (na powyższym rysunku oznaczone TCH) wykorzystujące oprogramowanie SCADA. Dane odczytywane są poprzez sieć technologiczną z podobnych stacji zlokalizowanych w źródłach.

Zdalne sterowanie komór ciepłowniczych

System ma umożliwiać w wybranych 19 punktach monitorowanie parametrów pracy sieci oraz zdalne, bezobsługowe sterowanie komorami w celu przełączania obszarów zasilania pomiędzy poszczególnymi źródłami ciepła. 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 kanału przyjęto, że podstawowym kanałem komunikacyjnym systemu będzie cyfrowa transmisja danych w paśmie 400MHz, podobnie jak dla systemu opisanego wyżej. Na podstawie przeprowadzonych symulacji cyfrowych propagacji dla kilku wysokich obiektów, w których znajdują się punkty dostępowe dla sieci technologicznej, wybrano optymalną lokalizację centralnej stacji transmisji danych (na powyższym rysunku oznaczone SCk).

Uproszczoną strukturę omawianego podsystemu pokazano na rysunku. W jego skład wchodzą:

• stacje operatorskie (KOM)
• stacja bazowa (SBk)
• centralna stacja transmisji danych (SCk),
• serwer bazy danych (ORACLE)
• komory ciepłownicze (Kxxx)

W systemie przewidziano dwie dwumonitorowe stacje operatorskie (KOM) wykorzystujące oprogramowanie typu Wizcon. Odpowiadają one za realizację podstawowych funkcji systemu, a w tym:

• Pozwalają na monitorowanie pracy sieci cieplej.
• Umożliwiają zdalne sterowanie armaturą.
• Rejestrują najważniejsze parametry we własnej i zewnętrznej bazie danych.
• Dokonują archiwizacji własnej bazy danych.
• Tworzą raporty na podstawie danych archiwalnych zgromadzonych w bazie danych ORACLE.

Centralnym elementem odpowiedzialnym za komunikację w systemie jest stacja bazowa (SBk). Zapewnia ona przezroczystą transmisję danych pomiędzy stacjami operatorskimi (KOM) i sterownikami poszczególnych komór (K-xxx). Ponieważ na podstawie analizy propagacyjnej centralna stacja transmisji danych (SCk) została zlokalizowana w budynku mieszczącym się w innym rejonie miasta, modem radiowy został podłączony do SBk za pośrednictwem sieci technologicznej z wykorzystaniem urządzenia typu Device Server. Oprogramowanie komunikacyjne SBk zostało zaprojektowane tak, aby umożliwić komunikację docelowo dla co najmniej 200 obiektów (komory, węzły, przepompownie, itp.) oraz zapewnić możliwość podłączenia w przyszłości rezerwowych kanałów transmisji danych. W celu zwiększenia zasięgu terytorialnego możliwe jest również przyłączenie do stacji bazowej kolejnych centralnych stacji transmisji danych.

Zapewnienie komunikacji z tak dużą ilością obiektów poprzez stosunkowo wolny kanał, jest możliwe dzięki zaimplementowaniu specjalnego algorytmu szeregowania kolejności odczytywania danych. Istotą algorytmu jest zmienny dynamicznie czas cyklicznego ich odczytu dla wybranych grup wielkości. Czas odczytu jest automatycznie zmieniany w wyniku wystąpienia określonych zdarzeń. W rezultacie zapewniono pełne wykorzystanie kanału oraz krótki czas reakcji dla wybranych wielkości.

Podstawowym zadaniem serwera systemu ORACLE jest zarządzanie bazą danych przeznaczoną do archiwizacji danych technologicznych. Za zapis danych do bazy odpowiedzialne są stacje operatorskie, które dokonują zapisu w sposób cykliczny.

W omawianym systemie komory ciepłownicze zostały wyposażone w sterowniki programowalne. Są one odpowiedzialne za realizację wszystkich algorytmów, których inicjacja odbywa się na podstawie rozkazów i zadanych parametrów zdalnie z DSC lub lokalnie z panelu sterującego.

Sterownik komory realizuje algorytm sterowania w jednym z następujących trybów:

• Niezależne osobne sterowanie wybraną armaturą.
• Sterowanie sekwencyjne komorą.
• Awaryjne zamykanie sekcji.

Oprogramowanie sterownika odpowiada za właściwą sekwencję zamykania i otwierania armatury w komorach z uwzględnieniem aktualnego ich położenia. O kolejności zamykania i uruchamiania kolejnych sekcji decyduje za każdym razem dyspozytor. Szybkość zamykania i otwierania armatury dobierana jest automatycznie tak, by minimalizować powstawanie w sieci niepożądanych gwałtownych zmian ciśnienia, a tym samym zapewnić źródłom stabilną pracę. W trybie awaryjnym czasy dobierane są tak, aby zapewnić możliwe najszybsze bezpieczne odstawienie zagrożonego odcinka sieci.

W przypadku utraty komunikacji oprogramowanie sterownika wchodzi w tryb awaryjny, w którym wszystkie operacje są wykonywane tak, aby zapewnić możliwie najbezpieczniejszą pracę sieci.

Łączność komory z SCk zapewnia radiomodem połączony bezpośrednio ze sterownikiem.

Integracja systemów

Wszystkie opisane w artykule systemy informatyczne służą w zasadzie jednemu celowi, a mianowicie poprawie efektywności eksploatacji sieci ciepłowniczej. Z punktu widzenia użytkownika granice wyznaczające ich podział są nieistotne i fakt ich występowania tylko utrudnia korzystanie z nich. Innymi słowy ich konstrukcja i funkcjonalność powinna być maksymalnie zintegrowana i wzajemnie spójna.

Z konstrukcyjnego punktu widzenia łączenie funkcji systemów i tworzenie systemów o większej funkcjonalności rodzi problemy techniczne i organizacyjne ale zmniejsza niezawodność.

Aby pogodzić te dwa bardzo trudne do jednoczesnego spełnienia postulaty, a mianowicie: integracji funkcji i utrzymaniu wielkości systemów w rozsądnych granicach, proponuje się, aby współpraca systemów została zapewniona w trzech płaszczyznach:

• Wspólna wizualizacja
• Centralna baza danych i system raportowania
• Udostępnianie danych pomiędzy systemami

W 2002 roku w Dyspozycji (CDS) została zainstalowana wizualizacja wielkoformatowa z wykorzystaniem rozwiązań technicznych oferowanych przez firmę Synelec. Obejmuje ona ścianę graficzną składającą się z czterech modułów 67", co daje obraz o wielkości 273 x 205 cm, przy rozdzielczości 2048 x 1536 pikseli. Moduły sterowane są przez dedykowany sterownik komputer tzw. Masterpix. MASTERPIX może pobierać obrazy generowane przez poszczególne stacje systemu. Zainstalowano na nim również aplikacje klientów wybranych systemów, a w tym klienta systemu GIS.

Integracja systemów z wizualizacją wielkoformatową wymagała rozwiązania problemu komunikacji systemów. Pierwotnie, ze względów bezpieczeństwa, system SOC zastał zaprojektowany jako całkowicie wydzielony. W systemie GIS, jak wspomniano wcześniej, warstwę komunikacyjną stanowi sieć ogólna, która podobnie ze względów bezpieczeństwa nie miała połączenia z siecią technologiczną. Jedynie stacje operatorskie systemu monitorowania źródeł (TCH) były podłączone do sieci technologicznej.

Jako wymóg podstawowy projektu przyjęto, że integracja nie naruszy autonomiczności systemów i nie zmniejszy poziomu ich separacji. Aby sprostać temu wymaganiu do komunikacji wykorzystano technologie VLAN i NAT .

NAT wykorzystano do połączenia sieci ogólnej z siecią technologiczną. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskano całkowitą separację sieci technologicznej od strony sieci ogólnej. Od strony sieci technologicznej natomiast dostęp do sieci ogólnej jest możliwy jedynie z wydzielonego segmentu sieci wirtualnej, a zatem - z wyjątkiem komputerów pracujących na tym wydzielonym segmencie - dostęp do sieci ogólnej od strony sieci technologicznej jest całkowicie separowany.

Separację dostępu do stacji roboczych systemu SOC od strony sieci technologicznej zapewniono poprzez podłączanie ich do wydzielonego wirtualnego segmentu, na którym pracuje również sterownik MASTERPIX. Aby jednak dane z systemu były dostępne w sieci technologicznej zainstalowano wydzielony serwer aplikacji (aby nie zaciemniać - nie został pokazany na rysunku struktury systemu), który odczytuje dane ze stacji roboczych i publikuje je w sieci technologicznej.

Serwer bazy danych ORACLE systemu zdalnego sterowania komór ciepłowniczych, zdaniem autora, powinien w przyszłości służyć jako wspólna platforma dla wszystkich omówionych systemów. Ponieważ odczyt i zapis do bazy danych może być zrealizowany dla każdego systemu niezależnie, takie rozwiązanie nie zmniejszy autonomiczności i bezpieczeństwa ich pracy. Prace w tym zakresie są na etapie tworzenia założeń i budowania koncepcji.

Kolejnym ważnym punktem styku poszczególnych systemów jest możliwość wymiany danych pomiędzy nimi. Jest to proste zadanie, w przypadku wykorzystania jednorodnego oprogramowania do budowy aplikacji, przykładowo WIZCON dla stacji operatorskich opisanych systemów. Wymiana danych pomiędzy systemem GIS i pozostałymi systemami wymaga modyfikacji jego oprogramowania oraz wbudowania mechanizmów komunikacyjnych. W tym zakresie integracja jest możliwa na dwóch płaszczyznach:

• Danych archiwalnych zawartych w bazie danych ORACLE.
• Danych bieżących udostępnianych przez stacje bazowe systemu.

Po wstępnej analizie stwierdzono, że dostęp do danych bieżących z horyzontem czasowym kilkunastu sekund za pośrednictwem serwera bazy danych jest rozwiązaniem nieefektywnym. Zaproponowano zatem, aby stacje robocze systemu GIS zostały dodatkowo wyposażone w moduły komunikacyjne pozwalające na bezpośredni odczyt i zapis do stacji bazowych. Prace w tym zakresie są aktualnie w fazie studium wykonalności.

Omawiany system oddano do eksploatacji w listopadzie 2003r.