Диспетчеризация и цифровизация распределенных объектов: проблемы и решения

Тенденция к автоматизации территориально распределенных объектов энергоснабжения объясняется достаточно просто. Основной целью эксплуатации таких объектов является повышение качества и надежности снабжения потребителей энерго­ресурсами при одновременном снижении затрат и издержек. Достижение этой на первый взгляд противоречивой цели сопряжено с определенными трудностями.

Во-первых, всем этим хозяйством нужно эффективно управлять и, как правило, в режиме реального времени: осуществлять оперативные переключения, контролировать состояние технологических параметров и т. д.

Во-вторых, все эти объекты зачастую являются социально значимыми. Соответственно, требуется минимизировать вероятность любых сбоев и аварий, которые могут возникнуть в ходе работы, либо обеспечить почти мгновенную реакцию на них, если они все же произошли. В связи с этим эксплуатирующие организации вынуждены держать на объектах оперативный персонал, а, как известно, человек — это самое слабое звено в системе, потому что ему свойственно ошибаться. Как результат непрогнозируемого влияния «человеческого фактора»: остановы оборудования и аварии, несвоевременная реакция и недостаточность мер по ликвидации их последствий.

В-третьих, многие из объектов энергоснабжения являются убыточными и получают дотации на покрытие убытков из региональных бюджетов. А региональные исполнительные власти, в свою очередь, все чаще обращают на это пристальное внимание, поэтому руководству таких предприятий в скором времени не получится спрятаться за статусом «социальной значимости» — придется что-то делать.

В такой ситуации есть только один выход — переходить к «безлюдной» технологии. Рассмотрим успешные примеры предприятий, уже идущих по этому пути.

Пример первый: автоматизация котельных

Первым примером такого предприятия является МУП «Покровск-Тепло» — региональный поставщик тепловой энергии и горячей воды, в ведении которого находится около 50 котельных, разбросанных по всей территории Энгельсского района Саратовской области.

Изначально на каждой котельной был свой оперативный персонал, а также имелся и оперативно-ремонтный персонал предприятия. Предприятие регулярно нуждалось в дотациях на покрытие убытков из регионального бюджета. Для исправления данной ситуации в 2012 г. руководство предприятия приняло программу модернизации, нацеленную на повышение эффективности работы. Основным элементом данной программы стал поэтапный переход к «безлюдной» технологии эксплуатации котельных. Для этого на каждой котельной была проведена глубокая модернизация технологического оборудования и установлена система автоматизации на базе контроллера DevLink-C1000.

Отличительной особенностью принятого технического решения стал переход от локальной автоматики к комплексной автоматизации с использованием современных подходов промышленного «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT). В результате удалось построить полноценную систему диспетчерского управления территориально распределенными объектами, выполняющую следующие функции (рис. 1):

• автоматическое управление технологическим процессом котельной, в том числе с элементами диагностики технологического оборудования;
• сбор количественных и качественных показателей с приборов учета как потребляемых, так и вырабатываемых энергоресурсов (газ, вода, тепло, электроэнергия);
• контроль доступа на объект путем подключения охранных шлейфов непосредственно к контроллеру DevLink-C1000;
• интеграция с системой пожарной сигнализации;
• информационный обмен данными между сервером и центральным диспетчерским пунктом (ЦДП) посредством сети Интернет с помощью как проводного, так и беспроводного доступа (GSM).
  
  

  Рис. 1. Типовая структурная схема системы диспетчерского управления теплоснабжающей компании

При внедрении системы был организован ЦДП (рис. 2), сотрудники которого получают в режиме реального времени полную и достоверную информацию о ходе технологического процесса на каждой котельной. Местный оперативный и оперативно-ремонтный персонал в большинстве своем был заменен оперативно-выездными бригадами (ОВБ), в ведении которых уже не одна, а целая группа котельных. Сотрудники ОВБ не «дежурят» на котельных, а выезжают на них для проведения обслуживания в соответствии с графиками планово-предупредительных ремонтов, составленными с учетом поступающей от системы автоматизации диагностической информации. Это позволяет максимально приблизиться к ремонтам «по состоянию» и продлить срок жизни эксплуатируемого технологического оборудования.

Рис. 2. ЦДП МУП «Покровск-Тепло»

Результатом такой планомерной политики стало значительное сокращение издержек, и предприятие, которое много лет было убыточным, смогло существенно улучшить свои экономические показатели. В частности, только за счет сокращения обслуживающего и оперативного персонала (с 210 до 70 человек) удалось увеличить производительность труда в три раза.

Кроме того, путем оптимальной настройки локальной автоматики и ее объединения в одну диспетчерскую систему, а также путем замены неэффективного технологического оборудования удалось достичь следующих показателей:

• 21% экономии удельного потребления электроэнергии, в том числе уходящей на питание приводов насосов собственных водозаборов, путем установки частотно-регулируемых приводов и подключения их к системе диспетчеризации;
• в 10 раз сокращен расход воды на подпитку;
• 17% экономии газа за счет оптимизации режима горения, работы строго по температурному графику, а также разработки и внедрения режимов подачи тепла («ночных», «дневных» и «выходного дня»);
• 11% экономии эксплуатационных затрат;
• улучшение качества и надежности теплоснабжения (количество жалоб потребителей уменьшилось в 10 раз).

Как уже было сказано выше, в данном проекте использовались возможности промышленного контроллера DevLink-C1000, причем наибольший эффект достигается при его применении совместно со SCADA КРУГ-2000 (типовая схема системы диспетчеризации теплоснабжающей компании представлена на рис. 1). В этом случае для обмена информацией между SCADA-системой и контроллерами используется специализированный протокол обмена, позволяющий работать на медленных и ненадежных каналах связи. Данный протокол не только поддерживает работу в условиях неустойчивой связи, но и способен восстанавливать архивную информацию на серверах базы данных системы при обрывах связи с контроллерами DevLink-C1000 — путем считывания архивов, хранящихся на контроллерах. Таким образом, после восстановления связи диспетчер обладает полной информацией о событиях, произошедших на объекте за время ее отсутствия. Специальные программные модули обеспечивают работу контроллеров как со статическими, так и с динамическими IP-адресами с поддержкой шифрования трафика. Програм­мный Firewall защищает DevLink-C1000 от проникновения в них вредоносных программ (особенно в открытых сетях Интернет), что является немаловажным фактором, обеспечивающим кибербезопасность системы.

Наличие в составе контроллеров модуля GSM с двумя SIM-картами позволяет организовать автоматическое резервирование каналов связи с контроллерами в различных сочетаниях (GSM/GSM, GSM/Ethernet, Ethernet/HDSL и т. д.) без дополнительного оборудования в шкафу автоматизации, что особенно актуально на удаленных объектах, где чаще возможны сбои в каналах связи.

Специальные модификации DevLink-C1000 включают до четырех интерфейсных каналов RS-485, что в совокупности с обширной библио­текой драйверов для различных устройств (электросчетчиков, теплосчетчиков, газовых счетчиков и т. д.) делает их центрами интеграции оборудования, имеющегося на объекте, и обеспечивает одну «точку входа» на объект. Модули ввода-вывода DevLink-А10 позволяют осуществлять мониторинг и управление устройствами с использованием практически всего набора существующих унифицированных сигналов.

Несмотря на то, что контроллеры DevLink-C1000 — бюджетное решение, разработанное специально для задач диспетчеризации, их програм­мное обеспечение обладает полным набором инструментов для создания сложных алгоритмов управления. Данные устройства способны работать в жестких условиях эксплуатации и позволяют организовывать различные схемы резервирования, повышающие их надежность.

Также стоит отметить, что у SCADA КРУГ-2000 и контроллеров DevLink-C1000 доступны единая среда программирования, а также единая, однократно набираемая и непротиворечивая база данных системы, что значительно облегчает процессы инжиниринга, наладки и эксплуатации системы.

Пример второй: электросетевая компания

Второй пример автоматизации распределенных объектов был реализован для «Кузбасской энергосетевой компании» (КЭнК) в г. Кемерово, которая занимается внедрением автоматизированной системы диспетчерского контроля и учета энергопотребления электросетевой компании (АСДКУЭ).

АСДКУЭ обеспечивает сбор данных с оборудования, установленного на линиях электропередачи, распределительных и трансформаторных подстанциях, обработку и передачу собранных данных в диспетчерские пункты головных офисов и филиалов электросетевых компаний, а также реализует функции диспетчерского управления оборудованием и мониторинга его состояния (рис. 3) — в частности, дистанционное управление фидерами, в том числе в условиях экстремально низких температур.

Рис. 3. Архитектура АСДКУЭ

Работы по созданию и вводу в эксплуатацию первой очереди АСДКУЭ были выполнены НПФ «КРУГ» совместно с персоналом КЭнК, а последующие очереди АСДКУЭ сотрудники предприятия уже реализовали самостоятельно (пример видеокадра системы представлен на рис. 4). Сейчас специалисты НПФ «КРУГ» осуществляют только поставку требуемого оборудования и программного обеспечения, а также при необходимости оказывают техническую поддержку.

Рис. 4. Однолинейная схема электроснабжения одного из районов

Поэтапное внедрение АСДКУЭ началось в 2012 г. К 2018 г. системой охвачены 147 подстанций и 125 реклоузеров. Автоматизированные рабочие места диспетчеров под управлением SCADA КРУГ-2000 расположены в головном офисе и двадцати филиалах компании, в системе функционирует более 320 контроллеров DevLink-C1000. Внедрение системы уже дало результаты, а именно:

• уменьшение общего времени обесточивания потребителей энергии, поставляемой компанией, в 4–5 раз;
• снижение количества обесточенных потребителей в 3–4 раза;
• снижение недоотпуска электроэнергии, связанного с аварийными отключениями, ориентировочно в три раза;
• значительное повышение «наблюдаемости» системы, до 95%;
• оптимизирована работа оперативно-выездных бригад с сокращением количества и продолжительности выездов.

Пример третий: городской водоканал

Третьим примером компании, которая осуществляет переход к «безлюдной» технологии путем применения решений из области IIoT, является МУП «Костромагорводоканал» (пример видеокадра системы представлен на рис. 5).

Рис. 5. Мнемосхема АСДУ МУП «Костромагорводоканал»

Ежегодно МУП «Костромагорводоканал» подает потребителям порядка 54 млн м³ воды. В состав системы водоснабжения г. Костромы входят насосно-фильтровальная станция, Димитровские очистные сооружения водопровода, станция обезжелезивания воды «Башутино», водопроводная станция 3-го подъема «Южная», водопроводная станция 4-го подъема «Октябрьская» и 50 повысительных насосных станций.

Так же, как и в случае с КЭнК, первый этап внедрения системы диспетчеризации был проведен сотрудниками компании «КРУГ» (в 2011 г.) вместе со специалистами из МУП «Костромагорводоканал». Сотрудники предприятия смогли получить требуемые знания и навыки, позволившие им в дальнейшем продолжить самостоятельное поэтапное развертывание системы.

На первом этапе внедрения диспетчеризации были охвачены насосно-фильтровальная станция, Димитровские очистные сооружения водопровода и 11 насосных станций. Затраты на первый этап окупились за один год, и в настоящее время система уже включает 60 объектов автоматизации, в том числе 43 водяные насосные станции, работающие без присутствия людей.

Заключение

Построение систем диспетчерского контроля территориально распределенных объектов на базе промышленного контроллера DevLink-C1000, как показывает практика, дает пользователям ряд преимуществ:

• сокращение издержек на эксплуатацию и обслуживание технологического оборудования за счет внедрения «безлюдной» технологии на основе современных IIoT-решений;
• максимальное приближение к концепции ремонтов «по состоянию» за счет внедрения подсистемы диагностики состояния оборудования;
• сравнительно низкая стоимость внедрения системы, не требующей единовременного инвестирования больших сумм, за счет:
• поэтапного внедрения системы (причем этапы могут быть очень небольшие);
• поэтапного тиражирования системы силами собственных штатных служб АСУ ТП или КИПиА заказчика, поскольку промышленный контроллер DevLink-C1000 довольно прост в освоении;
• бюджетной стоимости контроллера DevLink-C1000 в комплекте с модулями ввода-вывода DevLink-A10, которая обеспечивается модульностью как аппаратного, так и программного обеспечения, что позволяет не переплачивать за не используемый в конкретном проекте функционал;
• возможность реализации комплексной системы автоматизации «4 в 1» за счет объединения в одном контроллере DevLink-C1000 до четырех функций: локальной автоматики, учета энергоресурсов, интеграции с пожарной и охранной сигнализациями, а также передачи данных на верхний (серверный) уровень.

Системы диспетчерского контроля и управления — это шаг на пути построения цифрового предприятия и в результате — повышения его эффективности и рентабельности.