System sterowania i wizualizacji pracy oczyszczalni ścieków

w w w. a s t o r. c o m . p l
Zakład Gospodarki Komunalnej, Czaplinek
System sterowania i wizualizacji pracy oczyszczalni ścieków
Opisywana aplikacja została wykonana w ramach moder−
nizacji obiektu na zlecenie Urzędu Miasta i Gminy w Cza−
plinku, przy finansowaniu z funduszu PHARE. Jej rozruch
technologiczny odbył się na przełomie wiosny i lata 2000.
Co istotne, operacja ta została wykonana bez zatrzymywa−
nia pracy oczyszczalni.
danej kaskady.
FUNKCJE SYSTEMU
System napowietrzania wykorzystuje metodę pęcherzyko−
wą. Jego głównym elementem jest kaskada dmuchaw po−
wietrza. Składa się ona z czterech napędów, które mogą
pracować w dwóch podstawowych konfiguracjach:
Technologia
System obejmuje swym zasięgiem praktycznie wszystkie
kluczowe elementy instalacji oczyszczalni. W części tech−
nologicznej są to pomiary, regulacje i kontrola wielkości ta−
kich jak poziomy, przepływy, stężenia tlenu, potencjały RE−
DOX, stężenie ortofosforanów, temperatury, gęstości, męt−
ności i ciśnienia.
Układy regulacji poziomu zostały zrealizowane jako kaska−
dy pomp zasilanych z sieci. Regulacja bazuje na modelu
dwustanowym. Jedna z pomp pełni zawsze funkcję pompy
wiodącej, pozostałe to ewentualne pompy pomocnicze.
Dzięki zastosowanym algorytmom układy te pracują płyn−
nie i elastycznie w szerokim zakresie obciążeń. Są też od−
porne na skutki wypadnięcia z ruchu poszczególnych pomp
POMIESZCZENIE
KIEROWNICTWA
W układach regulacji przepływu zastosowano pompy z na−
pędami przekształtnikowymi. Sygnały sterujące dla tych
ostatnich generowane są przez regulatory PID (realizowa−
ne przez oprogramowanie sterowników obiektowych).
●
napęd dmuchawy wiodącej (regulacyjnej) zasilany jest
z przekształtnika, zaś pozostałe napędy − z sieci,
●
napędy wszystkich dmuchaw zasilane są z sieci.
Oczywiście każdy z napędów może zostać skonfigurowany
jako sieciowy lub przekształtnikowy. Analogicznie do ka−
skad pomp, także i ten układ jest wysoce elastyczny i od−
porny na awarie, a dzięki zastosowaniu hybrydowego mo−
delu regulacji umożliwia precyzyjną kontrolę poziomu tlenu
(pomimo bardzo dynamicznego charakteru obiektu, jakim
jest reaktor biologiczny).
Regulacja potencjałów REDOX realizowana jest pośrednio
STEROWNIA
CENTRALNA
WizCon
OPERATOR 2
OPERATOR 1
ETHERNET
PLC 6
90−30
MASTER
MODBUS
Modem
SNP (sztywne łącze TP S.A.)
PROFIBUS DP
ENKO
VersaMax
SLAVE
SLAVE
PLC 3
STACJA ZLEWCZA, SEPARATOR PIASKU
ZBIORNIK WÓD DESZCZOWYCH
VersaMax
SLAVE
PLC 2
ODWADNIANIE,
HIGIENIZ. OSADU
Modem
90−30
SLAVE
PLC 4
REAKTORY
BIOLOGICZNE
VersaMax
SLAVE
PLC 1
PRZEPOMPOWNIA
TECHNOLOGICZNA
Schemat systemu automatyki w Oczyszczalni Ścieków w Czaplinku.
VersaMax
SLAVE
PLC 5
PRZEPOMPOWNIA
GŁÓWNA
poprzez modyfikowanie (automatyczne) przepływów recyr−
kulacyjnych.
Stężenie ortofosforanów w ściekach wyjściowych kontrolo−
wane jest dzięki dozowaniu preparatu PIX przez dwie spe−
cjalizowane pompy. Ich pracę nadzorują układy regulacji
bazujące na metodzie czasowo − progowej.
Poza wymienionymi układami funkcjonują także inne, rów−
nież kontrolowane przez system. Należą do nich układy
sterowania napędami przepustnic, zaworów, przenośników,
mieszadeł, zgarniaczy, itd.
wą i ilościową analizę pracy poszczególnych układów
oczyszczalni. Mowa tu o trendach i raportach, które są do−
stępne zarówno dla stanów bieżących, jak i historycznych.
W ten sposób obsługiwane są m.in. przepływy, poziomy,
stężenia tlenu i ortofosforanów oraz szereg innych parame−
trów, których zmiany wartości w czasie dają obraz pracy
obiektu. W sposób ciągły prowadzona jest archiwizacja da−
nych i zdarzeń.
Dostęp do zasobów i mechanizmów systemu został zróż−
nicowany dla różnych grup personelu. W ramach grupy wy−
magane jest indywidualne logowanie. Funkcjonuje też me−
chanizm kontroli działań operatora.
Prowadzenie ruchu
System udostępnia szeroki wachlarz funkcji i mechani−
zmów pozwalających na bezpieczną i efektywną pracę ca−
łej instalacji w każdej sytuacji, z możliwością ingerencji w
nieomal wszystkie jej elementy w dowolnej chwili. W szcze−
gólności są to:
●
ciągły podgląd stanów, statusów, rezultatów pomiarów,
itd.,
●
wyłączanie i załączanie układów,
●
udostępnianie lub odstawianie układów,
●
wybór trybów pracy RĘKA/AUTO,
●
wybór źródeł sterowania LOKALNE/ZDALNE,
●
wybór wszystkich możliwych sekwencji pracy dla ukła−
dów kaskadowych w trybie on−line,
●
modyfikacja nastaw parametrów technologicznych i re−
gulatorów,
●
wykrywanie i sygnalizacja sytuacji nienormalnych i
alarmowych,
●
realizacja zabezpieczeń, blokad i obsługa sytuacji
awaryjnych,
●
funkcje statystyczne takie jak zliczanie czasów pracy i
przepływów.
STRUKTURA SYSTEMU
Warstwa zarządzania
Tę część systemu tworzą dwie stacje operatorskie. Zarów−
no ich przeznaczenie, jak i oprogramowanie, są różne. Obie
stacje to maszyny klasy PC wyposażone w monitory, dru−
karki, itd. Na obu zainstalowany jest system operacyjny
Windows NT, który stanowi stabilną podstawę dla właści−
wych aplikacji SCADA.
Stacja operatorska 1 jest głównym stanowiskiem roboczym.
Jej aplikacja to Runtime wykonany przy użyciu pakietu In−
Touch 7.1 firmy Wonderware − model 1000 (około 700 bra−
mek obiektowych). Zasoby instalacji pogrupowane zostały
w szereg okien. Są to obiekty spójne pod względem tech−
nologicznym i logicznym. Z ich poziomu wykonywane mogą
być wszelkie akcje operatorskie, modyfikacje, analizy, itd.
Są one źródłem informacji o stanie instalacji i jej poszcze−
gólnych fragmentów, przedstawianych w formie grafik, ani−
macji oraz pól tekstowych i numerycznych. Silny nacisk zo−
stał położony na mechanizmy generowania alarmów i
ostrzeżeń oraz formy przekazywania tych informacji obsłu−
dze. Oprócz przekazów wizualnych używana jest też sy−
gnalizacja akustyczna.
Poza opisaną powyżej częścią zasadniczą, użytkownik
dysponuje też mechanizmami pozwalającymi na jakościo−
Stacja operatorska 2 jest stanowiskiem roboczym związa−
nym z punktem zlewczym ścieków, służącym do ich odbio−
ru od dostawców indywidualnych. Jej przeznaczenie ma
charakter statystyczno−rozliczeniowy, jakkolwiek możliwe
jest uruchomienie mechanizmów pozwalających na dostęp
do wybranych zasobów obiektu i systemu. Aplikacja funk−
cjonująca na tej stacji to Runtime stworzony przy pomocy
pakietu WizCon.
Warstwa obiektowa
W jej skład wchodzą układy wejściowe (przetworniki po−
miarowe i czujniki), układy wyjściowe (elementy wykonaw−
cze) oraz sterowniki PLC i inne urządzenia tego typu. Inte−
gralnym elementem tej części sytemu jest też sieć komuni−
kacyjna z magistralami i operującymi na nich protokołami.
Sygnały z przetworników pomiarowych i czujników trafiają
do poszczególnych sterowników obiektowych, gdzie w
oparciu o nie, aktualne nastawy i dyspozycje operatorskie
oraz według określonych algorytmów wypracowywane są
sygnały sterujące i dane przeznaczone dla stacji operator−
skiej czy innych sterowników PLC. W omawianej aplikacji
zastosowano sterowniki firmy GE Fanuc z rodzin 90−30 i
VersaMax. Sterowniki wyposażone są w następujące jed−
nostki centralne: PLC 6 − CPU364, PLC 4 − CPU350, na−
tomiast PLC 1, 2, 3 i 5 w CPU001. Pracę stacji zlewczej fir−
my ENKO z Gliwic, kontroluje specjalizowany sterownik te−
go samego producenta.
Komunikacja systemu oparta jest na czterech magistralach:
●
Ethernet (10 Mb/s, skrętka − połączenie: stacja lub sta−
cje operatorskie − sterownia centralna),
●
Modbus (9,6 kB/s, skrętka − połączenie: stacja opera−
torska − stacja zlewcza),
●
Profibus DP (187,5 kB/s, skrętka − połączenie: obiekt −
obiekt),
●
SNP (9,6 kB/s, sztywne łącze telefoniczne − połącze−
nie: sterownia centralna − przepompownia główna).
Zastosowanie linii telefonicznej dzierżawionej wymuszone
zostało znaczną odległością pomiędzy sterownią centralną
i przepompownią główną − około 2 km.
Od strony linii kanał SNP obsługują modemy Fast 56K fir−
my Microcom, natomiast od strony sterowników moduł
CMM311 oraz jeden z portów komunikacyjnych dostępnych
w jednostce PLC 5. Z kolei łącze ethernetowe to karta ko−
munikacyjna w komputerze stanowiska operatorskiego oraz
port komunikacyjny Ethernet wbudowany w jednostkę cen−
tralną CPU364 sterownika PLC 6. Magistralę Profibus DP w
przypadku sterowników PLC 6 i PLC 4 obsługują odpo−
wiednio moduły PBM101 i PBS105. Z kolei korzystające z
tej magistrali sterowniki PLC 1, 2, 3 i 5 wyposażone są w
moduły komunikacyjne BEM002.
Ważną rolę komunikacyjną pełni sterownik PLC 6. Jest on
bramą I/O dla wymiany danych pomiędzy poszczególnymi
węzłami systemu. Zastosowane rozwiązania sprzętowe,
wsparte oprogramowaniem, zapewniają poprawną i pewną
obsługę funkcji komunikacyjnych w warunkach normalnej
pracy, a w przypadku poważnych zaburzeń zabezpieczają
przed ich konsekwencjami i umożliwiają szybkie przywra−
canie komunikacji i "podnoszenie" systemu.
Prezentowany system pracuje w sposób zgodny z oczeki−
waniami od momentu oddania go do eksploatacji. Jego
wdrożenie diametralnie podniosło wydajność technologicz−
ną oczyszczalni,co w dłuższej perspektywie czasowej ra−
dykalnie wpłynie na poprawę stanu lokalnego ekosystemu;
tym bardziej, że ścieki odprowadzane są do jeziora Draw−
sko − oczyszczalnia zlokalizowana jest bowiem w jego
bezpośrednim sąsiedztwie. Walory eksploatacyjne systemu
potwierdza jego funkcjonowanie w normalnych warunkach
pracy i zachowanie w stanach awaryjnych. Godnym pod−
kreślenia jest też fakt bardzo szybkiego zaakceptowania
przez pracowników zakładu zarówno systemu, jak i zmian
będących konsekwencja jego wdrożenia.
Architektura systemu jest otwarta na ewentualną rozbudo−
wę aplikacji o nowe funkcje, układy czy węzły.
Opisywana aplikacja powstała przy współpracy następują−
cych wykonawców: MERA−MONT Września (projekt i wy−
konawstwo AKPiA), Cyfrowe Systemy Automatyki WIZAR
Toruń (oprogramowanie wizualizacyjne) oraz Cyfrowe Sys−
temy Automatyki BODO Toruń (oprogramowanie sterowni−
ków, komunikacja, wizualizacja). Autor artykułu pragnie
także złożyć podziękowania panu Dariuszowi Głowackiemu
z Zakładu Gospodarki Komunalnej w Czaplinku za wszech−
stronną pomoc, zaangażowanie w przedsięwzięcie i życzli−
wość oraz pracownikom firmy ASTOR Kraków za pomoc w
rozwiązywaniu problemów technicznych.
Bogdan Domek − Cyfrowe Systemy Automatyki BODO
ELEMENTY SYSTEMU
90-30, VersaMax
InTouch
w w w. a s t o r. c o m . p l