Telemetrija i upravljanje vodoopskrbnim sustavom

Transcription

1 Telemetrija i upravljanje vodoopskrbnim sustavom Danijel Maršić, Tomica Lisak, Goran Malčić Elektrotehnički odjel Tehničko veleučilište u Zagrebu Konavoska 2, Zagreb, Hrvatska Telefon: Fax: danijel.marsic@tvz.hr Duplico d.o.o. Gornjostupnička 27b, Gornji Stupnik, Hrvatska Telefon: Fax: tlisak@duplico.hr Sažetak - Sustavi za opskrbu naselja pitkom vodom danas su nezamislivi bez upotrebe sklopova koji upravljaju procesima ispumpavanja vode, punjenja vodospremi i distribucije pitke vode prema naseljima. Kako su u pravilu dijelovi sustava udaljeni i do nekoliko kilometara, a rad pojedinih dijelova ovisi jedan o drugome, razmijenu informacija izmeñu njih je najjednostavnije, a za velike udaljenosti i najjeftinije izvesti putem GPRS mreže. U ovom radu opisan je sustav vodoopskrbe unutar kojega se komunikacija temelji na telemetrijskim modulima sa statičkim IP adresama telemetrijskih stanica. Sustav ima mogućnost slanja SMS alarmnih poruka i upravljanja mjernim i izvršnim elementima sustava. Dijelovima sustava se direktno upravlja programirljivim logičkim kontrolerima kojima je nadreñen računalni sustav za nadzor i upravljanje procesom ispumpavanja i distribucije vode. I. UVOD Sadašnje stanje kao i budući razvoj vodoopskrbnih sustava koji opskrbljuju vodom široko područje, nameću potrebu uvoñenja sustava daljinskog nadzora i upravljanja vodoopskrbnim objektima, odnosno cijelim vodoopskrbnim sustavom, s ciljem kvalitetnije, pouzdanije i ekonomičnije opskrbe potrošača pitkom i industrijskom vodom. Takoñer većina korisnika zahtjeva mogućnost nadzora, mjerenja i obrade podataka s vodoopskrbnih objekata te upravljanje iz jednog nadzorno-upravljačkog centra. Osim navedenog, sustav opskrbe treba imati i trenutno alarmiranje u slučaju kvarova i nepravilnosti u radu te nisku cijenu održavanja sustava daljinskog nadzora i upravljanja. Zahtjevi korisnika kod ovakvih sustava su prvenstveno pouzdanost u radu i niska cijena implementacije sustava telemetrije i upravljanja. Problem koji se javlja kod ovakvih sustava je komunikacija izmeñu pojedinih dijelova. Zbog udaljenosti objekata, relativno visokih cijena nabave, polaganja i zaštite signalnih kabela komunikacija se može izvesti putem GPRS (eng. General Packet Radio Service) i GSM (eng. Global System for Mobile Communications) mobilne mreže. Time se koristi već postojeća infrastruktura mobilnih operatera bez posebnih dozvola i zakupa radio-frekvencijskih područja i korištenja posebne opreme za prijenos podataka putem radijske veze. U ovom radu opisan je sustav koji objedinjuje sve zahtjeve korisnika, a to su niska cijena korištene opreme i ugradnje, bežična komunikacija izmeñu objekata, SCADA (eng. Supervisory Control And Data Acquisition) sustav za nadzor i upravljanje vodoopskrbnim sustavom i obavještavanje korisnika sustava o kvarovima i nepravilnostima u radu putem SMS (eng. Short Message Service) poruka. II. TEHNOLOŠKI PROCES I IDEJNO RJEŠENJE A. Vodoopskrbni sustav Na Sl. 1. prikazana je tehnološka shema vodoopskrbnog sustava na kojem je izveden sustav daljinskog nadzora i upravljanja. Sustav se sastoji od crpne stanice, vodospreme, tlačnog cjevovoda kojim su povezane crpna stanica i vodosprema te gravitacijskog cjevovoda kojim se voda transportira u naselje. U crpnoj stanici ugrañene su dvije crpke, koje se koriste kao radna i rezervna, kojima se crpi voda iz bunara i putem tlačnog cjevovoda puni vodosprema. Napunjenost vodospreme mora uvijek biti izmeñu srednjeg i maksimalnog nivoa kako bi se osigurala dostatna količina vode kod povećane potrošnje ili kriznih situacija zbog gašenja požara. Tako se sam rad vodoopskrbnog sustava temelji na mjerenju razine vode u vodospremi. Za upravljanje radom crpki koriste se plovne nivo sklopke koje su ugrañene u vodospremu. Sl. 1. Tehnološka shema vodoopskrbnog sustava B. Telemetrija i sustav upravljanja Za realizaciju telemetrijskog sustava i upravljanja vodoopskrbom izabrani su telemetrijski moduli poljskog

2 proizvoñača Inventia. Telemetrijski moduli su u suštini ureñaji koji imaju integrirani programirljivi logički kontroler (eng. Programmable Logic Controller) i GSM/GPRS modem. To znači da je upotrebom ovih modula riješeno pitanje upravljanja sustavom, komunikacije izmeñu objekata i nadzorno-upravljačkog centra i obavještavanja operatera direktno na mobitel putem SMS poruka. Telemetrijski modul koji upravlja sustavom crpljenja vode i punjenja vodospreme instaliran je unutar crpne stanice. U vodospremi je instaliran telemetrijski modul koji služi za prikupljanje informacija o napunjenosti vodospreme i potrošnji vode koja je transportirana prema naselju. Takoñer, oba modula komuniciraju meñusobno i s nadzorno-upravljačkim centrom te šalju SMS poruke na mobitel operatera koji se brine o cjelokupnom sustavu vodoopskrbe (Sl. 2). Za izvedbu nadzorno-upravljačkog centra koristi se OPC (eng. OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control) server za komunikaciju izmeñu telemetrijskih modula te WinCC Flexible 2005 program sa SCADA aplikacijom za nadzor i upravljanje radom telemetrijskih stanica. Nadzorno-upravljački centar se nalazi u upravi tvrtke korisnika sustava i njime je moguće u potpunosti upravljati i nadgledati vodoopskrbni sustav. Na Sl. 2. prikazana je topologija mreže i način komunikacije telemetrijskih modula. Komunikacija telemetrijskih modula meñusobno kao i njihova komunikacija s nadzorno-upravljačkim centrom odvija se unutar VPN (eng. Virtual Private Network) mreže koja koristi GPRS infrastrukturu, a slanje poruka na mobitel operatera se odvija putem GSM mreže. GPRS INFRASTRUKTURA Sl. 2. Topologija komunikacijske mreže sustava vodoopskrbe Ukoliko razina vode u vodospremi padne ispod srednje razine uključuje se crpka koja se isključi tek kada voda dostigne maksimalnu razinu. Ako je zbog problema u komunikaciji (ispad mreže) ili uključenja hidranata duž opskrbne mreže zbog požara, razina vode u vodospremi pala na minimalnu razinu uključuju se obje crpke i ostaju uključene do dostizanja maksimalne razine vode. O svim alarmnim situacijama i problemima u toku rada sustava obavještava se operatera putem SMS poruka na mobitel. Alarmne SMS poruke koje telemetrijske stanice šalju na mobilini telefon operatera su sljedeće: - Crpna stanica: Nestanak glavnog napajanja - Crpna stanica: Crpka 1 u greški - Crpna stanica: Crpka 2 u greški - Crpna stanica: Crpka 1 i Crpka 2 u greški - Crpna stanica: Prisutnost vode u crpnoj stanici - Vodosprema: Minimalni nivo vode u vodospremi III. OPIS TEHNIČKOG RJEŠENJA A. Sklopovska podrška U objektu crpne stanice instaliran je razvodno - upravljački ormar koji se sastoji od elektroenergetskog dijela i upravljačko - komunikacijskog dijela. Elektroenergetski dio razvodno - upravljačkog ormara se sastoji od ureñaja za nadzor mrežnog napajanja, stabiliziranog napajanja 24VDC, ureñaja za meki zalet/zaustavljanje motora crpki i motornih zaštitnih sklopki za zaštitu motora crpki od preopterećenja. Za galvansko odvajanje energetskog i upravljačko - komunikacijskog dijela koriste se releji. Kao središnji upravljačko-komunikacijski modul na crpnoj stanici je instaliran telemetrijski modul MT-101 (Sl. 3.). Ova serija telemetrijskih modula dizajnirana je tako da objedinjuje

3 funkcije GSM/GPRS modema, PLC-a i data loggera [2]. Karakteristike telemetrijskog modula MT-101 su sljedeće: 8 digitalnih ulaza/brojača, 8 digitalnih izlaza/brojača, 2 analogna ulaza (4-20 ma), integrirani GSM/GPRS modem sa mogućnošću statičkog IP adresiranja i RTC (eng. Real Time Clock). Slika 3. Telemetrijski modul MT-101 U objektu vodospreme instaliran je upravljački ormar koji se sastoji od stabiliziranog napajanja 24VDC i telemetrijskog modula MT-301 (Sl. 4.) sa sljedećim karakteristikama: 4 digitalna ulaza, 2 digitalna izlaza, 2 analogna ulaza (4-20 ma), integrirani GSM/GPRS modem sa mogućnošću statičkog IP adresiranja i RTC [3]. Telemetrijski modul za nadzor objekta vodospreme dobiva informaciju o razini vode u vodospremi. Za kontinuiranu provjeru razine vode koristi se tlačna nivo sonda koja po principu mjerenja hidrostatskog tlaka daje strujni signal 4-20 ma za 0-100% napunjenosti vodospreme. Pored kontinuiranog praćenja razine vode u vodospremi koriste se i plovne nivo sklopke koje daju digitalni signal u ovisnosti o dostignutoj razini vode. Na telemetrijski modul spojeno je i magnetno - induktivno mjerilo protoka ugrañeno na izlazu iz vodospreme daje impulsni signal u ovisnosti 1 impuls za protok obujma 10 m 3 vode. Sl. 4. Telemetrijski moduli serije MT-30x B. Komunikacija Telemetrijski moduli povezani su bežično preko GPRS mreže. GPRS protokol omogućava paketni prijenos podataka velikim brzinama te maksimalno korištenje postojeće mreže mobilne telefonije i njenih resursa. Važno je naglasiti da se komunikacija ne odvija putem interneta, čija mreža je otvorena za svakog tko se na nju spoji, nego putem GPRS VPN M2M zatvorene mreža čiji se članovi definiraju na poseban način i nikako ne mogu biti dostupni sa interneta ili iz bilo koje druge mreže. M2M (eng. Machine to Machine) je tarifni model koji su mobilni operateri prilagodili u svrhu prijenosa podataka izmeñu dva ureñaja [1]. U usporedbi sa radio prijenosom, gdje jedan korisnik zauzima cijeli radio kanal tokom prijenosa informacija u GPRS-u više korisnika dijeli jedan fizički kanal. Navedeni koncept omogućuje da se naplata vrši isključivo prema količini razmijenjenih podataka, a ne prema vremenu provedenom na vezi, kao i brzine prijenosa podataka koje nadilaze telefonske fiksne linije i radio veze, osobine su GPRS-a koje ga izdvajaju u odnosu na druge sustave za prijenos podataka. Komunikacija izmeñu telemetrijskih stanica temelji se na Modbus RTU protokolu [4]. U ovom slučaju telemetrijski modul na crpnoj stanici je postavljen kao nadreñena (eng. Master) jedinica i teoretski može prozivati telemetrijski modul instaliran na vodospremi. Meñutim, u ovom rješenju s odabranim telemetrijskim modulima komunikacija je postavljena tako da se telemetrijski modul s vodospreme ciklički javlja telemetrijskom modulu na crpnoj stanici svakih 15 minuta bez obzira na promijenu stanja plovnih nivo sklopki. Uz cikličko javljanje komunikacija se dogaña i na svaku promjenu stanja plovnih nivo sklopki u vodospremi. U telemetrijskom modulu na crpnoj stanici je u listu podreñenih ureñaja unesena statička IP adresu podreñenog (eng. Slave) ureñaja s kojeg će se primati podaci tokom rada i statičku IP adresu modema u nadzorno-upravljačkom centru. IV. PROGRAMSKA PODRŠKA SUSTAVA UPRAVLJANJA A. Upravljački program telemetrijskog modula crpne stanice Upravljački program za telemetrijski modul instaliran u crpnoj stanici izrañen je pomoću programskog alata za programiranje telemetrijskih modula serije MT-101 pod nazivom MT Program Editor. Podešavanje samih parametara telemetrijskih modula radi se u konfiguracijskom programu MTM Manager. Upravljački program sastoji se od više dijelova (Sl. 5.). Prvi dio se odnosi na provjeru ispravnosti crpki i napajanja crpne stanice. Ukoliko jedna od crpki nije uključena ili je u kvaru automatski se šalje SMS poruka na mobitel operatera s informacijom o dogañaju. U ovom dijelu se provjerava i da li je crpka postavljena u automatski ili ručni mod rada tj. da li je raspoloživa. Sljedećim dijelom upravljačkog programa ovisno o stanju podataka pristiglih s telemetrijskog modula na vodospremi provjerava se razina vode u vodospremi. Temeljem obrade tih informacija upravlja se radom crpki.

4 Upravljačkim programom telemetrijskog modula crpne stanice omogućeno je da se za potrebe crpljenja vode iz bunara uvijek koristi crpka koja ima manji broj radnih sati ili crpka koja je ispravna i raspoloživa. Slanje podataka izmeñu telemetrijskih modula dogaña se svakih 15 minuta ili na promijenu stanja razine vode u vodospremi. Slika 5. Dijagram toka upravljačkog programa crpne stanice B. Programska podrška vodospreme Na telemetrijskom modulu instaliranom u vodospremi nije potrebno pisanje klasičnog upravljačkog programa. Naime, telemetrijski modul MT-301 nema mogućnost upravljanja svojim digitalnim izlazima u odnosu na stanje analognih ili digitalnih ulaza. Stanje digitalnih izlaza moguće je mijenjati samo pomoću SMS poruka koje su stigle s mobitela operatera čiji je broj upisan kao autorizirani koji ima pravo primanja SMS alarmnih poruka i konfiguracije stanja izlaza. Dijagram toka na Sl. 6. prikazuje način rada telemetrijskog modula instaliranog na vodospremi. Slika 6. Dijagram toka rada telemetrijskog modula vodospreme Konfiguracija rada telemetrijskog modula izrañena je u konfiguracijskom programu MTM Manager u kojem je potrebno podesiti sljedeće: - Statičku IP adresu modula na koji će se slati podaci o stanju ulaza (analognih i digitalnih). U ovom dijelu bilo je potrebno unijeti statičke IP adrese telemetrijskog modula na crpnoj stanici i statičku IP adresu modema u nadzorno - upravljačkom centru. Ovdje je važno napomenuti da telemetrijski moduli imaju mogućnost konfiguriranja, parametriranja i programiranja daljinski preko GPRS-a pa se može unijeti i statička IP adresa računala s kojeg će u slučaju potrebe izmjena biti moguće promijeniti postavke modula. - Osnovne postavke o GPRS komunikaciji kao što su APN (eng. Access Point Name), korisničko ime i lozinka preko kojih RADIUS server daje statičku IP adresu, broj pokušaja logiranja na GPRS mrežu i broj pokušaja slanja podataka. - Unijeti brojeve mobilnih telefona ureñaja operatera na koje će se slati alarmne SMS poruke. - Konfigurirati nazive digitalnih i analognih ulaza, unijeti pravila po kojima će se slati podaci u crpnu stanicu i nadzorno-upravljački centar (u slučaju promjene stanja). - Unijeti postavnu vrijednost brojača vremena koji će biti okidač za cikličko slanje podataka u crpnu stanicu i nadzorno - upravljački centar. C. Nadzorno - upravljački centar i SCADA Opremu nadzorno - upravljačkog centra čini osobno računalo bazirano na Windows XP Profesional operativnom sustavu s GPRS/UMTS/EDGE/HSDPA modemom. Pored navedene opreme, nadzorno - upravljački centar opremljen je i SCADA aplikacijom kao i aplikacijama za ispravan rad komunikacijskog sustava. Osnovu komunikacijskog podsustava za potrebe daljinskog nadzora i upravljanja čini VPN sustav na GPRS mreži operatera s osiguranim statičkim IP adresiranjem stanica. Za osiguranje statičkih IP adresa unuta zatvorene VPN mreže korišteno je rješenje koje je razvila tvrtka Duplico d.o.o.. Maksimalna brzina komunikacije od svake periferne stanice do nadzorno - upravljačkog centra i obrnuto je 115 kbit/sek. Modem za potrebe telemetrije, osim visoke kvalitete industrijske izvedbe mora zadovoljavati i sljedeće uvjete: podržavanje GPRS paketnog prijenosa, omogućavanje TCP/IP stoga i podržavanje statičkog IP adresiranja. U nadzorno-upravljačkom centru instalirana je run-time verzija WinCC Flex 2005 programa za SCADA aplikacije koji s daljinskim stanicama komunicira preko OPC servera. Upotrijebljen je OPC server MT Data Provider koji je takoñer razvila tvrtka Inventia. On se osim kao OPC može još koristiti kao ODBC (eng. Open Source Database Connectivity) i CSV (eng. Comma-Separated Values) server. Konfiguracija OPC servera se brzo i jednostavo izvodi putem XML (eng. extensible Markup Language) datoteke. Struktura datoteke se sastoji od tri dijela. U prvom dijelu se unose postavke mreže, i klijentskog programa, što je u našem slučaju WinCC Flex U drugom dijelu se unose nazivi daljinskih stanica, statičke IP adrese daljinskih stanica, tip telemetrijskog modula, interni registri iz kojih će se tokom rada čitati vrijednosti ili upisivati vrijednosti za upravljanje sustavom. U XML konfiguracijskoj datoteci potrebno je posebno konfigurirati telemetrijski modul na vodospremi i posebno telemetrijski modul na crpnoj stanici. Na osnovnom ekranu SCADA aplikacije (Sl. 7.) nalaze se objekti bunara, crpne stanice i vodospreme. Objekt bunara nema nikakvih dinamičkih mogućnosti prikaza, dok je na objektu vodospreme vidljiva razina vode u vodospremi s postotnim prikazom napunjenosti vodom. Takoñer na objektu vodospreme je prikazano i magnetno - induktivno mjerilo protoka sa teksualnim poljima koji daju informaciju o ukupnom protoku vode i trenutnom protoku vode (koji se računa aproksimativno). Pokraj crpki prikazuje se status crpki tj. da li je crpka u automatskom

5 (A) ili ručnom (R) modu rada i broj sati rada pojedine crpke. Kako se telemetrijski moduli prijavljuju u nadzorno - upravljački centar svakih 15 minuta, informacija o razini vode u vodospremi, kao i svi alarmi i upozorenja se spremaju u lokalnu bazu SCADA programa. Pritiskom na gumb ALARMI dolazi se do popisa svih alarma i upozorenja s njihovim statusom tj. da li je alarm otklonjen ili je aktualan. Pritiskom na gumb TREND dolazi se do grafičkog prikaza razine vode u vodospremi s podacima u rezoluciji od 15 minuta. integriranu funkciju PLC-a i GPRS/EDGE modema dobivena je velika ušteda u vremenu kod konfiguracije modula koje bi se inače potrošilo na programiranje i povezivanje modema i PLC-a kao zasebnih ureñaja. Sigurnost u komunikaciji temelji se na upotrebi statičkih IP adresa unutar zatvorene VPN mreže i direktnoj komunikaciji izmeñu telemetrijskih modula u slučaju ispada računala u nadzorno-upravljačkom centru (izvedena je potpuna autonomnost prema SCADA sustavu). Povezivanjem telemetrijskih modula preko OPC servera na SCADA program u nadzorno - upravljačkom centru dobivena je mogućnost gotovo neograničenog proširenja kako samog vodoopskrbnog sustava, tako i daljinskog upravljanja i telemetrije novih objekata. Opisani sustav telemetrije i daljinskog nadzora pokazao se idealnim za male sustave vodoopskrbe jer su ulaganja u opremu, instalacije i programsku podršku gotovo zanemariva u odnosu na cjelokupni sustav, a uvelike pomažu kod daljnje eksploatacije sustava, njegovog održavanja i smanjenja troškova održavanja. LITERATURA Sl. 7. Osnovni ekran SCADA aplikacije V. ZAKLJUČAK Sustav telemetrije i daljinskog upravljanja izveden telemetrijskim modulima, koji su po cijeni i do 60% jeftiniji od popularnijih PLC ureñaja renomiranih proizvoñača, tijekom dosadašnjeg rada pokazao se vrlo sigurnim i pouzdanim. Kako telemetrijski moduli imaju [1] [2] Inventia: Telemetry module MT-101 User's manual, Version 1.34, Warsaw, April [3] Inventia: Telemetry module MT-30x User's manual, Version 1.21, Warsaw, March [4] G. Malčić, A. Roksandić, M. Fruk, Informacijski sustavi energetskih postrojenja temeljeni na MODBUS/TCP protokolu, Computers in technical systems (CTS), MIPRO [5] G. Malčić: Programirljivi logički kontroleri, skripta za kolegij Procesna računala, Tehničko veleučilište u Zagrebu, Elektrotehnički odjel, Zagreb, [6] H. Jack: Automating manufacturing systems with PLCs, Version 4.6, December 15, 2004.