Автоматизированная территориально-распределенная система контроля и управления канализационными насосными станциями

Статья опубликована в журнале «Строительная инженерия» №2 2007 г.

Зайнудин ХАСАНХАНОВ, директор "МУП Горводоканал" г. Нижневартовск
Александр МАЛОЗЕМОВ, директор ООО "СП Гражданская защита"

Общие данные об объекте работ

Вопросы внедрения автоматизированной территориально-распределенной системы контроля и управления канализационными насосными станциями будут рассмотрены на примере предприятия МУП «Горводоканал» г. Нижневартовска.

Малые канализационные насосные станции (КНС) в количестве пятнадцати штук расположены в городской черте г. Нижневартовска и предназначены для сбора сточных вод районов города и перекачки их через напорный коллектор на головные канализационные насосные станции. Каждая КНС состоит из подземной и наземной частей. Наземная часть выполнена в виде блок-бокса, в помещении которого установлены шкаф управления и автоматики и оборудование жизнеобеспечения для обслуживающего персонала. В подземной части расположены приемный резервуар, два или три сетевых и один дренажный насос, задвижки, датчики. Электроснабжение каждой КНС осуществляется от двух фидеров 0,4 кВ.

Цель автоматизации – повышение экономической и технической эффективности работы канализационных насосных станций за счет: автоматизации контроля и управления оборудованием, предупреждения аварий, защиты насосного оборудования в машинном отделении, высвобождения обслуживающего персонала.

Структура автоматизированной территориально-распределенной системой контроля и управления канализационными насосными станциями

Система АТРС КНС состоит из локальных систем управления на станциях КНС (ЛСУ КНС) и системы диспетчеризации в управлении водоканала.

Основу каждой системы ЛСУ КНС составляет контроллер, позволяющий вести через один из его последовательных портов информационный обмен данными в системе транкинговой связи МРТ1327 с помощью радиостанции. Программное обеспечение контроллера – типовое, создается с использованием системы технологического программирования ISaGRAF. На каждой станции КНС осуществляется полностью автоматическое управление оборудованием станции и передача текущей информации на верхний уровень. C верхнего уровня на КНС передаются настройки, шкалы датчиков и другие параметры.

Система диспетчеризации в управлении водоканала состоит из сервера сбора данных и автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчера и других служб. Сервер сбора данных обеспечивает получение данных от систем ЛСУ КНС, контроль достоверности получаемых данных, сохранение данных в архивах, передачу текущих данных на рабочие места и предоставляет доступ к архивам данных за любой прошедший период времени. На рабочих местах в наглядной форме диспетчеру и обслуживающему персоналу предоставляется полная картина функционирования станций КНС, осуществляется сигнализация выхода параметров за допустимые границы и аварийных режимов работы оборудования. Реализована возможность анализа работы оборудования станций КНС за выбранный интервал времени в режиме повторного отображения состояний объектов и значений параметров на экранных формах. Информация из архивов доступна для просмотра в виде графиков, сводок и отчетов. Общее число контролируемых параметров составляет до 107 для каждой станции КНС, в зависимости от числа сетевых насосов и другого оборудования. Для каждой станции КНС перечень оборудования в общем случае может быть различным. С АРМ диспетчера можно произвести настройку режимов работы каждой станции КНС, шкалы датчиков, граничные и другие параметры работы насосов. Общее количество настраиваемых параметров до 25.

Обмен данными между каждой из систем ЛСУ КНС и системой диспетчеризации ведется с использованием управляющего канала транкинговой системы связи стандарта MPT1327 по протоколу МАР27, без занятия основных (голосовых) каналов. Возможен также и речевой обмен информацией между обслуживающим персоналом станции КНС, диспетчером предприятия, другими абонентами транкинговой сети и абонентами телефонной сети общего пользования. Структурная схема системы АТРС КНС приведена на рис. 1.

Рис.1 Структурная схема системы АТРС КНС

Оборудование АТРС КНС

Каждая система ЛСУ КНС выполнена в виде 2 шкафов управления (БСА-69.025 и БКУ-69-024), которые устанавливаются в помещениях станции КНС в соответствии с проектной документацией. Шкафы имеют двери для доступа к установленным в них техническим средствам. Двери снабжены резиновой уплотнительной прокладкой для предотвращения попадания внутрь шкафа пыли и влаги. В шкафу БСА-69.025 расположено все силовое оборудование, пусковая автоматика, контроллер управления, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, преобразователи, источник бесперебойного питания. На двери шкафа расположена основная панель управления системы ЛСУ КНС с переключателями, кнопками и индикаторами. Шкаф БКУ-69-024 предназначен для дистанционного управления оборудованием станции КНС. В этом шкафу расположены средства радиосвязи, звуковой и световой сигнализаторы для оповещения персонала станции КНС об аварийных режимах работы оборудования. На двери шкафа расположена дополнительная панель управления и индикации системы ЛСУ КНС. Связь между шкафами осуществляется по каналу RS-485.

Каждая система ЛСУ КНС и ее составные части функционируют в соответствии с программой, заложенной в памяти контроллера. При этом выполняются следующие функции:

  • контроль и отображение уровня жидкости в приемном резервуаре и дренажном приямке станции при помощи погружного и электродных датчиков уровня;
  • определение положения переключателей управления и выбор режимов работы системы в зависимости от их положения;
  • назначение основного и резервного насосов;
  • определение положения концевых выключателей и блок-контактов автоматических выключателей, пускателей, термореле и задвижек системы;
  • контроль токов сетевых насосов и температуры подшипников;
  • контроль обратного вращения вала двигателя;
  • контроль давления на выходе каждого насоса и давления в напорном коллекторе;
  • контроль электропитания станции КНС;
  • обработка поступающей информации;
  • информационный обмен по каналу RS-485 со счетчиком электрической энергии;
  • информационный обмен с диспетчерским пунктом по каналу транкинговой радиосвязи с целью передачи в диспетчерскую состояния оборудования станции и прием команд корректировки параметров системы;
  • запуск и останов насосов при изменении уровня жидкости в резервуаре и дренажном приямке при помощи низковольтного силового оборудования;
  • предупреждение персонала о запуске насосов и сигнализация об аварийных режимах работы оборудования;
  • отображение режимов работы системы (приоритет работы насосов, включение насосов, положение задвижек, аварийное состояние насосов и задвижек) на светодиодных индикаторах панели управления системы;
  • отображение прикладных параметров системы (уровень жидкости в резервуаре, давления в выкидных патрубках и токи двигателей насосов) на цифровом индикаторе панели управления системы и на индикаторе передней панели контроллера I-8417;
  • ручное управление оборудованием;
  • охранная сигнализация станции.
  • Начальные значения параметров вводятся индивидуально для каждой станции КНС при проведении пусконаладочных работ. Их корректировка (при необходимости) возможна с АРМ диспетчера. Это смена статусов насосов и ввод номинальных значений рабочего давления и тока двигателей насосов, шкалы датчиков и другие параметры. После настройки параметров контроллер сам рассчитывает верхние и нижние границы их допустимых значений и сохраняет все значения в своей энергонезависимой памяти.

    В системе находятся 2 или 3 сетевых насоса. Один насос считается основным, остальные резервными. При выходе из строя (или при срабатывании защитной автоматики) основного насоса, автоматически происходит смена статуса насосов, то есть резервный насос переходит в статус основного. Одновременно в диспетчерскую передается и предшествующий этому событию массив токов отказавшего насоса за последние 64 с до отказа с интервалом между значениями в одну секунду. Это позволяет впоследствии проанализировать состояние КНС перед аварийной ситуацией и выяснить причину отказа. В том случае, если основной насос не справляется с откачкой сточных вод из приемного резервуара, резервный насос включается “на подхват”, т.е. откачка происходит двумя насосами – основным и резервным. Резервный насос в этом случае включается на закрытую задвижку при отсутствии обратного вращения вала двигателя.

    Система ЛСУ КНС контролирует наличие и качество первичного электропитания. При пропадании или выходе внешнего электропитания за допустимые пределы, система безаварийно отключает все работающее в этот момент силовое оборудование и не допускает его включения до восстановления питания. Средства связи, контроллер и датчики запитаны от источника бесперебойного питания и в случае отключения электричества, система продолжает работать в течение одного - полутора часов и передавать текущее состояние в диспетчерский пункт. Конечно откачка сточных вод при этом не осуществляется, но информация об отключении электропитания доступна для соответствующих служб водоканала.

    Сервер сбора данных выполнен в виде шкафа, в котором установлен промышленный компьютер, радиостанция с источником питания и антенной, сетевые средства и источник бесперебойного питания. Шкаф имеет дверь для доступа к установленным в него техническим средствам. Компьютер представляет собой одноплатную микро-ЭВМ, выполняющую функции сервера сбора и хранения данных с установленной операционной системой WindowsXP и не имеет монитора и клавиатуры. Сервисное обслуживание, обновление прикладного программного обеспечения сервера осуществляется средствами удаленного управления с любого из автоматизированных рабочих мест. Обмен информацией с АРМами осуществляется по локальной вычислительной сети.

    Текущие принятые данные от каждой станции КНС сервер немедленно передает на АРМы. Архивная информация передается по запросам.

    На начальном этапе эксплуатации, для оказания помощи обслуживающему персоналу в решении вопросов по функционированию системы и анализа причин нештатных ситуаций, сервер сбора данных отправлял накопленные суточные архивы на электронную почту предприятия – разработчика системы АТРС КНС. Это позволяло после анализа полученных данных оперативно решать возникающие вопросы и давать необходимые рекомендации обслуживающему персоналу по телефону.

    Сервер сбора данных реализует алгоритм опроса станций КНС и принимает поступающие данные. С учетом общего числа станций КНС и особенностей передачи данных по управляющему каналу транкинговой сети, данные от каждой КНС поступают с интервалом в 2,5 мин. В случае несанкционированного доступа в помещение станции КНС, данные об этом событии поступают в диспетчерскую незамедлительно. Сервер сбора данных имеет источник бесперебойного питания, позволяющий при отключении электропитания вести обмен данными с ЛСУ КНС в течение примерно 40-50 мин.

    АРМ представляет собой офисный компьютер с установленной операционной системой WindowsXP и прикладным программным обеспечением системы АТРС КНС.

    На главной форме приложения (рис. 2) отображается технологическая схема станции КНС, на которой в наглядной форме показано текущее состояние соответствующей станции КНС. На форме отображаются все основные технологические параметры: уровень стоков в приемном резервуаре; выставленные уровни включения и выключения насосов; состояние и режим работы каждого сетевого насоса; текущий и допустимый рабочий ток насосов; текущее и допустимое давление для каждого насоса; общая наработка и наработка каждого насоса за текущий месяц; время последнего включения и выключения насосов; положение и состояние автоматических задвижек; состояние приямка и дренажного насоса; давление в напорном коллекторе; показания счетчиков электроэнергии. Контроль основных параметров насосов, таких как рабочий ток, общая наработка позволяет вовремя проводить регламентные работы с целью предотвращения отказов оборудования.

    Рис.2 Вид главной формы приложения

    Выбор станции КНС для просмотра осуществляется при помощи кнопок в верхней части формы. На этих же кнопках дополнительно отображается общее состояние каждой станции КНС: норма, авария, постановка и снятие с охраны, несанкционированный доступ. Любая нештатная ситуация на станции КНС, аварийное состояние для привлечения внимания диспетчера отображается соответствующей мигающей надписью и сопровождается звуковым сообщением. При этом происходит автоматическое переключение экрана на отображение той станции КНС, на которой произошла нештатная ситуация. Это освобождает диспетчера от необходимости постоянно смотреть в монитор. Звуковое сопровождение повторяется с интервалом в одну минуту до тех пор, пока диспетчер не нажмет кнопку подтверждения. Время возникновения аварии и время подтверждения получения сообщения диспетчером фиксируется в архиве. При получении аварийного сообщения диспетчер, проанализировав характер отказа, вызывает соответствующую службу для устранения неисправности.

    На этой же форме можно посмотреть архив состояния станции КНС за любой прошедший период времени. Для этого имеются соответствующие элементы выбора даты и времени просмотра. Можно также просмотреть архив в ускоренном режиме времени, нажав соответствующую кнопку управления.
    При аварийном отключении насоса автоматически передаются массивы токов двигателя. Полученные массивы значений токов можно наблюдать в окне просмотра архивов токов двигателей, изображенном на рис. 3. На приведенном примере видно, что отключение насоса №3 произошло вследствие резкого повышения тока в обмотках двигателя. Это могло быть вызвано попаданием постороннего предмета в лопасти насоса.

    Рис.3 Аварийное отключение насоса

    Для службы энергетиков предоставляется сводка потребления электроэнергии за выбранный период времени, изображенная на рис. 4. В этом окне показана сводка по всем станциям КНС. В сводке отображаются показания счетчика на начало периода, на конец периода, средняя мощность, и пиковая нагрузка за выбранный период. Дополнительно в виде графика или таблицы отображаются получасовые срезы потребления электроэнергии для выбранной станции КНС. При необходимости сводку можно распечатать.

    Рис.4 Данные счетчиков электроэнергии

    Прикладное программное обеспечение имеет еще ряд дополнительных окон: окно отображения списка текущих неисправностей и архива аварийных ситуаций; окно отображения помесячных наработок насосов; окно настройки режима работы станции КНС; окно отображения качества связи со станциями КНС; окно отображения скорости наполнения и опорожнения резервуара каждой станции КНС; окно отображения частоты включения дренажного насоса. Все эти окна вызываются с помощью соответствующих элементов управления.

    Ввод в эксплуатацию автоматизированной территориально-распределенной системы контроля и управления канализационными насосными станциями

    Ввод в эксплуатацию системы АТРС КНС осуществлялся поочередно.

    2003 год - I очередь:

  • ЛСУ КНС станции «пос. Ромашка»;
  • ЛСУ КНС станции «база ОРСа»;
  • ЛСУ КНС станции «Тубдиспансер»;
  • АРМ диспетчера, 3 АРМа службы УПСВ.
  • 2004 год - II очередь:

  • ЛСУ КНС станции «гостиница Самотлор»;
  • ЛСУ КНС станции «МЖК»;
  • ЛСУ КНС станции «поликлиника Строителей»;
  • 2 АРМа службы КИПиА.
  • 2005 год - III очередь:

  • ЛСУ КНС станции «Пож. депо»;
  • ЛСУ КНС станции «пос. Магистральный»;
  • ЛСУ КНС станции «пос. Энтузиастов»;
  • 2 АРМа службы энергетиков.
  • 2006 год - IV очередь:

  • ЛСУ КНС станции «Школа №1»;
  • ЛСУ КНС станции «СИЗО»;
  • ЛСУ КНС станции «Корт».
  • В настоящее время ведутся работы по автоматизации станций КНС V очереди:

  • ЛСУ КНС станции «КНС №1»;
  • ЛСУ КНС станции «КНС №2»;
  • ЛСУ КНС станции «пос. Ударный».
  • Заключение

    Пятилетний опыт эксплуатации станций КНС с использованием управляющей автоматики показал, что внедрение системы обеспечивает круглосуточную работу станций КНС без участия дежурных операторов. За прошедший период можно констатировать, что технические и программные средства обеспечивают высокую надежность для круглосуточной эксплуатации оборудования станции КНС. При этом ход технологического процесса контролируется, а информация, поступающая и хранящаяся на диспетчерском пункте, содержит все необходимые сведения для обслуживающего и ремонтного персонала участка перекачки сточных вод.

    Каждая система ЛСУ КНС может функционировать как автономно, так и в составе различных АСУ ТП на предприятиях водоснабжения и водоотведения. Технические и программные средства системы адаптируются к имеющемуся на объекте заказчика технологическому оборудованию.