Vzdálený sběr dat v úpravně vody

-- 17.02.11 16:21

V úpravně vody se pomocí řešení distribuovaných vstupů/výstupů (I/O) podařilo snížit náklady na kabeláž provozní přístrojové techniky a zároveň zvýšit provozní připravenost a spolehlivost.

Provozní spolehlivost má kritický význam pro účinnost každé úpravny vody. Pokud se na automatizační systémy a procesy, které řídí, nedá spolehnout, úpravně hrozí neplnění místních, státních nebo federálních předpisů pro kvalitu vody. Společnost Onondaga County Water Authority (OCWA) realizovala v úpravně vody ve městě Marcellus na severu amerického státu New York ambiciózní projekt modernizace svých procesů a technologií, aby splňovala nové a připravované předpisy ministerstva zdravotnictví a agentury EPA. Tento proces zahrnoval rozšíření závodu ze čtyř na šest filtračních loží a modernizaci různých mechanických systémů a chemických procesů. V úpravně byl modernizován také celý řídicí a přístrojový systém za účelem rozšířit funkčnost automatizace, zvýšit spolehlivost, zajistit snadné a cenově výhodné rozšiřování a snížit náklady na provoz a údržbu.

Společnost Onondaga County Water Authority (OCWA) dodává vodu z jezer Otisco a Ontario více než 345 000 malo- a velkoobchodním zákazníkům prostřednictvím 91 000 přípojek opatřených měřidly, a to v celém příměstí okresu Onondaga County a do částí okresů Madison, Oneida a Oswego. Úpravna vody vlastněná a provozovaná společností OCWA, která čistí vodu z jezera Otisco, dodává zhruba polovinu vody této rozvodné společnosti. Tato úpravna, nacházející se ve městě Marcellus, prošla modernizací infrastruktury za účelem zvýšení jejího celkového výkonu. Společnost OCWA nedávno renovovala čtyři stávající filtrační jednotky a přidala dva nové filtry pro zvýšení kvality vody dodávané úpravnou, zvýšení její spolehlivosti a plnění státních a federálních předpisů platných pro komunální úpravny pitné vody.

Popis procesu

Společnost OCWA má v jezeře Otisco nainstalovány dva přivaděče. Voda vstupující do přivaděče je okamžitě chlorována za účelem dezinfekce a zabránění množení mlže slávičky (Dreissena polymorpha). Voda pak samospádem proudí zhruba 8 km do úpravny vody společnosti OCWA ve městě Marcellus (viz obr. 1). Voda nejprve vstupuje do rychlomísicí nádrže, kam jsou přidávána činidla pro úpravu chuti a zápachu (práškové aktivní uhlí) a koagulační činidlo (polyaluminiumchlorid). Po 30 sekundách mísení voda vstupuje do kontaktních nádrží, kde klidné podmínky umožňují, aby koagulační činidlo zajistilo shlukování menších částeček do větších. Některé z těchto částic se usadí a jsou odstraněny později.

Kontaktní doba v nádržích rovněž umožňuje, aby práškové aktivní uhlí (používané v sezóně intenzivního růstu řas v jezeře) absorbovalo organické chuťové a pachové látky. Po zhruba hodině kontaktní doby voda vstupuje do jednoho ze šesti filtrů. Částice jsou odstraněny tím, jak voda prochází loži granulovaného aktivního uhlí a písku. Filtry jsou pravidelně promývány a voda používaná pro tento účel je shromažďována v lagunách a ponechána sedimentaci. Následně je recyklována zpět na začátek úpravny pro opětovné čištění. Po filtraci je voda ještě jednou dezinfikována chlorem a je přidán fluorid. Voda je skladována ve velkých nádržích umístěných v úpravně vody, aby byla zajištěna dostatečná kontaktní doba pro působení chloru. Poté, co voda nádrže opustí, je do ní přidán orthofosforečnan zajišťující povlak trubek rozvodného systému a zabraňující uvolňování olova a mědi z trubek.

Provozní požadavky

V rámci modernizace řídicího systému se společnost OCWA rozhodla nahradit své původní vzdálené terminály Bristol-Babcock 3335 programovatelnými automaty (PAC) ControlWave společnosti Emerson. Vedení úpravny usilovalo o zvýšení výkonu operátorů dispečinku přechodem z manuálního analogového řízení na plně automatizovaný systém SCADA využívající síťovou komunikaci protokolem Ethernet a Modbus (viz obr. 3). Společnost OCWA dále chtěla ve své úpravně vody snížit náklady na kabeláž a údržbu přístrojové techniky. To vyžadovalo odstranit mnoho dlouhých kabelových vedení mezi senzory, akčními prvky a řídicími prvky a řešení pro sběr dat z místa instalace četných párů snímačů a řídicích prvků. Tento přístup odstranil stovky dříve nainstalovaných kroucených dvoulinek, kabelovodů, složitá schémata kabeláže a související údržbu.

Nová technologie

V říjnu 2008 zahájili v úpravně ve městě Marcellus proces výměny zastaralé analogové řídicí techniky za nejmodernější technologii a přesun všech funkcí procesní automatizace na připojený systém SCADA. V projektu bylo nutno vyměnit stávající vzdálené terminály, aby se získala škálovatelná platforma vhodná pro různé malé aplikace stejně jako pro řídicí strategie vztahující se na celou úpravnu a aby bylo zároveň dosaženo schopnosti využít moderní digitální přenos signálu (viz obr. 4). Klíčem k modernizaci řídicího systému byla implementace distribuovaných a vzdálených I/O – konkrétně řešení využívajícího izolované moduly I/O pro odstranění rušení signálové smyčky v ethernetové řídicí síti. Zabránilo se tím, aby zemní smyčky a signálové odchylky na jakémkoli místě ovlivňovaly jiná měření v úpravně.

Také digitální komunikace, použitá namísto analogových signálů, eliminuje degradaci senzorových a řídicích signálů (a související nutnost kalibrace) a křížovou komunikaci (rušení), obvykle spojenou s výhradně analogovou komunikací. Různí dodavatelé automatizační techniky nyní nabízejí systémy modulárních I/O, které lze použít jako relativně levný způsob přenosu provozních zařízení ze základní výrobní úrovně do systému SCADA nebo řídicího systému využívajícího síť Ethernet. Tyto systémy mohou navzájem a s dalšími počítači komunikovat po standardní síti Ethernet prostřednictvím komerčně dostupných hubů, přepínačů a routek a lze je prohlížet z bezdrátového přenosného počítače, webového prohlížeče, tabulkového procesoru nebo rozhraní HMI třetího výrobce (viz obr. 5).

Po zvážení alternativních nabídek výrobců se projektový tým společnosti OCWA rozhodl pro systém NET Concentrator System (NCS) společnosti Moore Industries. Tento inteligentní systém I/O využívá technologii koncentrace kabelů, které eliminuje kabelová spojení mezi dvěma body (point-to- -point), kabelovody a kabelové trasy tím, že zasílá monitorovací a řídicí signály mezi provozní úrovní a dispečinkem po jediném digitálním komunikačním spojení. Tento systém poskytuje skutečnou izolaci signálu s izolovanými moduly pro analogové a digitální I/O. Všechny diskrétní a analogové signály jsou digitalizovány, převedeny na pakety a zasílány po síti Ethernet s využitím standardních kabelů, přepínačů LAN a běžného hardwaru pro Ethernet (viz obr. 6).

Systém distribuovaných a vzdálených I/O funguje jako univerzální signálová brána, která je rozhraním s prvky DCS nebo PLC kompatibilními s OPC, a běží na sítích 10/100Base- -T Ethernet (Modbus/TCP) a Modbus RTU. Systém zahrnuje komunikační modul a několik I/O modulů. Každý I/O modul podporuje několik analogových nebo diskrétních kanálů, které komunikují se vzdálenými senzory, přepínači, akčními prvky a displeji. Každý analogový vstupní kanál obsahuje vlastní 20bitový A/D převodník. Tím je zaručeno, že při přenosu signálu po Ethernetu do hostitelského systému nebude ztraceno nic z rozlišení stávajících analogových snímačů.

V úpravně vody ve městě Marcellus distribuované a vzdálené I/O komunikační moduly digitálně přenášejí signály do síťového koncentrátoru v síti typu peer-to-host. Použití digitální komunikace s korekcí chyb a vysokorychlostním kabelem Ethernet LAN zaručuje integritu signálu a minimalizuje degradaci signálu, k níž by jinak docházelo u tradičních analogových signálů vedených individuálními kabely („home- -run“).

Architektura řídicího systému

Technickému a provoznímu personálu společnosti OCWA poskytuje systém distribuovaných I/O typu peer-to-host spolehlivou metodu pro přenos monitorovacích a řídicích signálů do a z řídicího systému na bázi PLC. V této konfiguraci je pět vzdálených I/O stanic umístěno po síti Ethernet na různých místech úpravny. Každá stanice obsahuje 10 až 15 I/O modulů. U monitorovacích aplikací systém shromažďuje signály z analogových snímačů nebo diskrétních zařízení. Koncentruje signály a na vyžádání řídicím (master) síťovým počítačem je zasílá po síti Ethernet přímo na hlavní řídicí panel PLC. V případě řízení jsou procesní příkazy z hostitelského počítače přenášeny po síti a konvertovány na analogovou nebo diskrétní formu pro řízení ventilů, čerpadel, motorů a dalších druhů proporcionálních a dvoustavových (on/off) řídicích prvků.

Jakmile jsou data z provozních zařízení doručena do hostitelského počítače, software SCADA poskytuje uživatelské rozhraní podporující sběr dat, správu alarmů, protokolování a vykazování dat, sběr a zjišťování trendů historických dat a dohledové řídicí funkce (viz obr. 7). Provozní koncentrátor usnadňuje připojení stávajících i nových procesních řídicích signálů a senzorů k řídicí strategii. Tento přístup rozšiřuje řídicí schémata vzdálenou koncentrací I/O a výrazně snižuje náklady na kabeláž. Použití modulů s analogovým vstupem se zabudovaným 24voltovým napájecím zdrojem na vstup odstraňuje nutnost vést kabeláž z modulů do dalšího terminálu nebo pomocného napájení 24 V, a proto mohou být vzdálené řídicí panely menší.

Díky systému vzdálených a distribuovaných I/O mohou nyní operátoři prohlížet I/O v úpravně přímo z lokálního rozhraní HMU nebo z bezdrátového přenosného počítače. Operátor tak může monitorovat a seřizovat operace zařízení odkudkoli v úpravně. Signály I/O zůstávají plně dostupné, a to i v případě selhání hlavního řídicího systému. Navíc jsou méně časté obchůzky techniků v provozu za účelem odstranění problémů s průtokoměry, snímači tlaku, ventily a dalšími zařízeními.

Výsledky projektu

Nové řídicí prvky PLC, systém SCADA a distribuované a vzdálené I/O v úpravně vody ve městě Marcellus rozšířily možnosti procesní automatizace a umožnily operátorům zvládat potenciální problémy bezpečně a rychle. Pomohly také snížit náklady na kabeláž a omezit požadavky na údržbu. A co je nejdůležitější, nové zařízení se ukázalo jako velmi spolehlivé, což bylo jedním z kritérií společnosti OCWA pro investici do technologie. Díky lepším možnostem sběru dat a řízení je personál společnosti OCWA lépe vybaven pro řešení problémů, které se v úpravně mohou vyskytnout. Manažeři, technici a operátoři mohou sledovat úpravárenské procesy z kteréhokoli rozhraní HMI nebo počítače na tomto pracovišti. A co víc, mohou monitorovat a řídit firemní operace distribuce vody, aniž by opustili pracoviště ve městě Marcellus.

Schopnost podrobně monitorovat filtrovací lože a další procesy s provozními daty v reálném čase zkrátila reakční dobu operátorů a vedla k vyšší efektivitě úpravny. Zvýšilo se také zabezpečení a nyní je možné přesnější vykazování kvality vody. Z hlediska technického zajištění a údržby přinesla nedávná technologická modernizace další nástroje k odstraňování problémů v praktickém balíčku, který je nezávislý na řídicím systému. Všechny I/O jsou viditelné v síti Ethernet úpravny, a to i v případě úplného výpadku PLC. Společnost OCWA nyní může udržovat konzistentní, vysoce kvalitní provoz úpravy vody bez nečekaných výpadků a nákladných oprav. A operace úpravny nyní získaly potřebné prostředky pro monitorování procesů úpravny v reálném čase, aby bylo zajištěno, že kvalita vody splňuje všechny platné požadavky.

Jim McConahay, P.E., je vedoucí technik pro provozní aplikace společnosti Moore Industries. Geoffrey G. Miller, P.E., je technický ředitel společnosti Onondaga County Water Authority.

Pro více informací navštivte:

www.emersonprocess.cz

www.miinet.com

ocwa.org

Autor: Jim McConahay, P.E., Moore Industries a Geoffrey G. Miller, P.E., OCWA