zdalne sterowanie siecią ciepłowniczą aglomeracji

ZDALNE STEROWANIE SIECIĄ CIEPŁOWNICZĄ
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
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.
system
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 tylko dla użytkowników, którzy muszą mieć dostęp do danych procesowych).
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 z podobnych stacji zlokalizowanych w źródłach odczytywane są poprzez sieć technologiczną.
Zdalne sterowanie komorami ciepłowniczymi
System aktualnie umożliwia - w wybranych 19 punktach - monitorowanie parametrów pracy sieci oraz zdalne,
bezobsługowe sterowanie komorami w celu przełączania obszarów zasilania pomiędzy poszczególnymi źródłami ciepła.
Docelowo do system 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;
doc: R-050601P03_ulotka_Komory_pl/Ver:7
1
Łódź, lipiec 2004

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. 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 operatorski (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 transmisje danych pomiędzy stacjami operatorskimi (KOM) i sterownikami poszczególnych komór (Kxxx).
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 docelowo komunikację 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, dokonujące 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 sterowanie armaturą w jednym z następujących trybów:

niezależne, osobne sterowanie wybraną armaturą;

sterowania sekwencyjne komorą;

awaryjne zamykanie sekcji.
Oprogramowanie sterownika odpowiada za właściwą sekwencję zamykania i otwierania armatury w komorach
z uwzględnieniem aktualnego jej 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.
doc: R-050601P03_ulotka_Komory_pl/Ver:7
2
Łódź, lipiec 2004
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 konstrukcja i funkcjonalność systemów 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 oraz zmniejsza niezawodność.
Aby pogodzić dwa bardzo trudne do jednoczesnego spełnienia postulaty, a mianowicie: integracji funkcji i utrzymania
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 procesowych pomiędzy systemami z wykorzystaniem ogólnie akceptowanego standardu.
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 stacje poszczególnych
systemów. Zainstalowano na nim również aplikacje klientów wybranych systemów, a w tym klienta systemu GIS.
Integracja systemów1 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 również 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 VLAN2 i NAT3.
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 komorami ciepłowniczymi służy 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.
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. 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:
1
Projekt rozwiązań oraz prace wdrożeniowe zrealizowane w 2002r. przez firmę CAS
ang. Virtual LAN
3
ang. Network Address Translation
2
doc: R-050601P03_ulotka_Komory_pl/Ver:7
3
Łódź, lipiec 2004

bieżących danych procesowych;

danych archiwalnych zawartych w bazie danych np. ORACLE.
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.
www.commsvr.com
www.cas.eu
[email protected]
doc: R-050601P03_ulotka_Komory_pl/Ver:7
4
Łódź, lipiec 2004