Реализация проектов автоматизации производственных процессов в компании «Росводоканал Тюмень»

Николай Родин, Дмитрий Бычков, Дмитрий Герасимов, Сергей Пащенко

За последние несколько лет компания «Росводоканал Тюмень» (ООО «Тюмень Водоканал») запустила целый ряд проектов автоматизации, касающихся работы канализационных насосных станций, очистных сооружений канализации, водоочистных сооружений и сетей. В результате удалось оптимизировать численность обслуживающего персонала, сократить затраты на обслуживание, повысить надежность работы сооружений. Автоматизация производственных процессов - это не только повышение эффективности работы предприятия, но и существенный инструмент снижения затрат.

АВТОМАТИЗАЦИЯ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

В настоящее время на обслуживании тюменского водоканала находятся 68 канализационных насосных станции. До 2013 года контроль за работой оборудования осуществлялся постоянно присутствующим персоналом (операторами КНС). С целью оптимизации затрат, сокращения аварийности и повышения эффективности технологических процессов было принято решение об автоматизации данных насосных станций.

Планируемая к внедрению система автоматизации должна была обеспечить выполнение следующих функций:

1. Поддержание заданных режимов технологического процесса путем контроля технологических параметров оборудования КНС, а также организации управления исполнительными механизмами, как в автоматическом режиме, так и в локальном режиме дежурным персоналом.

2. Мониторинг параметров состояния работы технологического оборудования с целью оперативного принятия решений по необходимости очистки решеток и изменений режимов работы в технологическом процессе.

На первом этапе внедрения автоматизация должна была обеспечивать управление насосами в зависимости от уровня в приемном резервуаре. Всего предусмотрено 7 уровней реагирования. Датчики уровней 1-4 управляют работой основного насосного оборудования; датчики уровней 5-6 в приямке машинного отделения управляют включением дренажного насоса; 7 уровень (критический) обеспечивает передачу показаний о затоплении машинного отделения КНС.

Объектами автоматизации стали канализационные насосные станции (КНС) разной производительности, расположенные на территории города в узловых точках канализационной сети и обеспечивающие сбор и перекачку хозяйственно-бытовых стоков на очистные сооружения города. На объектах были установлены шкафы управления и датчики различного назначения. Для упрощения внедрения и обслуживания систем АСУ ТП всех КНС шкафы управления были сделаны по одному типу с использованием оборудования отечественного производителя. Преимущественно использовалось оборудование фирмы «Овен», выбор которого был обусловлен соотношением качество-цена. При этом установленные ранее системы релейного управления насосами, основанные на сигналах с поплавковых и кондуктометрических датчиков, не демонтировались, а были оставлены в качестве резервной системы управления, что повысило надежность работы КНС. Для отображения параметров автоматизированных КНС в центральной диспетчерской службе была разработана система диспетчеризации «КНС-оператор».

После проведенных технических испытаний был выбран наиболее оптимальный вариант схемы автоматизации КНС, которая заключалась в том, что нижний уровень управления был реализован на базе программируемых логических контроллеров ПЛК 160 производства «Овен» с передачей данных в диспетчерскую посредством беспроводной связи GSM и 3G GPRS по протоколу MODBUS TCP. Верхний уровень «КНС-оператор» состоит из персонального компьютера и установленных двух программ: WinCC (Siemens) и Master OPC (Insat). Master OPC осуществляет передачу данных. На WinCC выполнен проект, отображающий информацию с КНС и позволяющий оператору взаимодействовать со станциями и видеть оперативную информацию о состоянии оборудования. Архивирование истории данных производится в Microsoft SQL Server 2005.

После отладки программного обеспечения, устранения замечаний по работе приборов и оборудования 17 КНС были приняты в промышленную эксплуатацию. Внедренная си-

стема позволила отслеживать основные параметры работы оборудования:

- уровень в приемном резервуаре;

- температуру в помещениях;

- наличие питающего напряжения;

- состояние входной двери;

- состояние приемных решеток;

- состояние приемной камеры;

- затопление насосного отделения;

- состояние насосов;

- время наработки насосных агрегатов.

После двух лет промышленной эксплуатации и анализа работы автоматизированных канализационных станций в 2015-2016 гг. был начат второй этап автоматизации.

При реализации второго этапа был учтен опыт первого этапа и внесены изменения - добавлен универсальный модуль защиты двигателей насосных агрегатов с передачей данных в центральную диспетчерскую службу. Это позволило в реальном времени измерять напряжение питания и потребляе- мые токи и снизить риски выхода из строя насосного оборудования. На основе полученных данных служба эксплуатации может без выезда на объект получить информацию об основных параметрах работы насосного агрегата, например, о засорении, замыкании, обрыве фазы и др.

На втором этапе автоматизации КНС основной упор был сделан на телемеханику - вновь автоматизированные станции помимо мониторинга параметров оснащались устройствами для удаленного управления, в частно-сти, за счет обновленного программного обеспечения; появилась возможность управлять работой насосных агрегатов, например, уровнем включения насосных агрегатов, что сокращает затраты времени на обслуживание данных станций. Компанией ООО «НПО «СПбЭК» (г. Санкт-Петербург) был доработан алгоритм системы, произведены монтажные и пуско-наладочные работы дополнительно для 9 КНС.

В настоящий момент ведется доработка модуля программного обеспечения для формирования отчетов: о времени наработки и количестве пусков насосных агрегатов, уровнях в приемном отделении, питающих на-пряжений, а также решается проблемный вопрос с засорением датчиков загрязнения решеток. Специалистами тюменского водоканала была доработана конструкция данных датчиков, что сократило число ложных срабатываний системы.

К настоящему времени второй этап автоматизации КНС в водоканале г. Тю- мени успешно завершен. Выполнение данных мероприятий позволило:

1. Оптимизировать количество обслуживающего персонала КНС на 72 штатные единицы за счет вывода операторов.

2. Сократить потребление электроэнергии КНС за счет снижения температуры в помещениях с 24 до 10°С в зимний период.

3. За счет внедрения дублирующих систем автоматизации удалось повысить надежность работы канализационных насосных станций.

4. Предоставить центральной диспетчерской службе инструмент для управления работой водоотводящей сети города, а также всю информацию для анализа работы станций.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНЫМИ СТАНЦИЯМИ

Внедрение автоматизированной системы управления насосными станциями второго подъема двух водоочистных сооружений по праву считается одним из самых масштабных проектов в развитии системы город-ского водоснабжения города Тюмени за последние несколько лет.

На сегодняшний день потребности города в воде обеспечиваются одно-временно двумя водоочистными соо-ружениями - Метелёвскими (источ-ником воды является река Тура) и Велижанскими (источник воды - подземные скважины). Особенность тюменской системы водоснабжения заключается в том, что оба источника значительно удалены от основных потребителей (Метелёвская водоочистная станция - в 10 км от города, Велижанская - в 30 км). Среднесуточная потребность города в воде составляет 216 тыс. м3 воды в сутки, из этого объема 2/3 обеспечиваются мощностями Метелёвской водоочистной станции и 1/3 - Велижанской.

До начала внедрения системы АСУ ТП контроль давления в городской водопроводной сети осуществлялся по одному манометру, установленному на одной из водонасосных станций. Первым шагом к принципиальной новой схеме управления системой водоснабжения стала установка датчиков давления на наиболее характерных участках трубопроводов. В итоге было выделено 10 диктующих точек, датчики установили на всасывающих линиях водонасосных станций, этого оказалось достаточно, чтобы получить полную картину о давлении в городской водопроводной сети (протяженность сетей водоснабжения на тот момент составляла 1011 км). Работы по проектированию и монтажу системы телеметрии и телемеханики для данных диктующих точек в 2008 году выполнили компании «Синетик» и «ТелеПозиционный Проект». После завершения этих работ центральная диспетчерская служба начала управлять системой водоснабжения на основе информации о давлении в 10 диктующих точках, передающих информацию в режиме on-line.

Но даже этот шаг не мог решить проблему назревавшего дефицита мощностей насосных станций водоочистных сооружений - в периоды пикового водопотребления 4-й и 5-й этажи пятиэтажной застройки испытывали перебои с водой. В связи с интенсивным строительством в городе Тюмени (с 2005 по 2014 гг. в городе построено 6 230 532 м2 жилья) и с учетом сложившейся к 2005 году динамики водопотребления уже к 2009 году, при имеющихся на тот момент мощностях водоочистных сооружений, город ожидал острый дефицит воды. С учетом этого администрация города Тюмени и правительство Тюменской области совместно приняли принципиальное решение о модернизации насосных станций второго подъема Велижанской и Метелёвской водоочистных станций, предполагающей замену насосного оборудования, установку частотно-регулируемых приводов и внедрение системы АСУ ТП.

Для проведения корректного расчета будущей гидравлической модели и перспективных режимов работы насосных станций в 2007 году были смонтированы 12 ультразвуковых расходомеров «Ирвикон» на обеих водоочистных станциях. Последующие расчеты проводились на основании методики, предложенной в своих трудах Борисом Лезновым. Полученные результаты потребовали срочной корректировки существующих проектов реконструкции насосных станций.

В итоге на насосной станции второго подъема Метелёвской водоочистной станции были установлены четыре насосных агрегата Д4000-95 производительность 4000 м3/час и напором 95 м.вод.ст. На Велижанской водоочистной станции устаревшие насосные агрегаты были заменены на четыре современных насоса Д2000-100 мощностью 2000 м3/час и напором 100 м.вод.ст. производства ОАО «УЭТМ-УГМ» (г. Сысерть Свердловской области), оснащенных частотно-регулируемыми приводами.

Последующая разработка режимов совместной работы насосных станций потребовала анализа накопленного архива данных по объемам подачи воды в различные периоды (в зависимости от времени года, дня недели, времени суток и т.д.). Как показала практика, самыми потребляемыми днями в году являются 31 декабря (подача воды в сеть увеличивается в среднем на 10-15%) и 31 августа - накануне нового учебного года. Именно в эти дни система водоснабжения и водоотведения испытывает максимальные нагрузки. Было также выявлено, что в течение недели наиболее похожими по режиму работы водоочистных станций являются вторник и четверг, тогда как остальные дни имеют свои принципиальные особенности.

При кажущейся простоте задачи - реализации управления частотно-регулируемыми приводами насосных агрегатов на основании данных диктующих точек разводящей сети города - существует ряд сложностей. Первой является необходимость обеспечения сверхнадежных стабильных каналов связи между местом расположения датчика и центром управления насосными станциями. При имеющемся удалении насосных станций от города стоимость прокладки оптоволоконной линии является весьма значительной. Второй сложностью является исторически сложившаяся схема водоснабжения г. Тюмени. Вода в город подается с двух противоположных сторон, потоки воды в трубопроводах движутся навстречу друг другу. При этом в городе отсутствуют какие-либо регулирующие емкости (РЧВ или водонапорные башни), которые могли бы позволить смягчить колебания давления в сети. РЧВ на насосных станциях 2-го подъема также имеют недостаточный объем. Как результат, система водоснабжения Тюмени является гидравлически очень жесткой. Любое резкое изменение давления приводит к гидроударам и увеличению числа повреждений трубопроводов. Поэтому алгоритм работы создаваемой системы должен был в обязательном порядке учитывать вышеуказанные особенности и обеспечивать плавный режим работы системы. Также была предусмотрена, запрограммирована и опробована защита системы от различных вариантов нештатного развития событий, например, таких как отсутствие сигнала связи.

Завершающий этап реализации проекта АСУ водоснабжения Тюмени доверен компании СПбЭК. На сегодняшний день сотрудниками СПбЭК создан уникальный алгоритм управления насосными станциями 2-го подъема г. Тюмени. Система в автоматическом режиме поддерживает давление в водопроводной сети по показаниям одной из трех диктующих точек, расположенных в ключевых районах г. Тюмени. Основные показатели работы выведены на один экран и дают полное представление о работе системы водоснабжения города. Работа данной системы обеспечивает стабильное давление в водопроводной сети и снижение потребления электроэнергии, расходуемой на транспортировку воды, на 32%.

УЧЕТ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ И ВЫЯВЛЕНИЕ СКРЫТЫХ УТЕЧЕК

Перспективным направлением автоматизации в системе водоснабжения Тюмени является установка расходомеров на всех ключевых участках водопроводной сети города и разработка программного продукта, который позволит в режиме реального времени производить обработку данных, поступающих с расходомеров, и выявлять места возможных потерь воды. Такая программа зонирования направлена на выявление и снижение потерь воды. Она предполагает:

- формирование структурной балансовой схемы распределения воды по зонам системы водоснабжения, укрупненного баланса подачи и реализации воды по зонам водоснабжения;

- анализ структурной балансовой схемы, укрупненного баланса, учитывая объем потерь, структуры водопользования и степень достоверности приборов по каждой зоне;

- формирование и анализ детального баланса и структурной схемы распределения воды;

- разработку и реализацию комплексных совместных мероприятий производственного и сбытового блоков по выявлению потерь воды.

Первый этап внедрения системы зонирования предполагает установку приборов учета воды на ответвления водопроводной сети на поселки и поселения. На втором этапе проводится зонирование насосной станции 3-го подъема и проекта «Энергоэффективный квартал». На третьем этапе проводится разделение системы водоснабжения на условные части и установка приборов учета воды на перетоках.

На сегодняшний день при протяженности сетей водоснабжения в 1100 км на городской водопроводной сети установлено 830 расходомеров в многоквартирных домах, которые оснащены телеметрией. Кроме того, для контроля водопотребления прилегающих к городу коттеджных поселков установлены 10 расходомеров.

Данные, поступающие с расходомеров, архивируются в SCADA-системе «Взлёт», пока они позволяют только проводить анализ по конкретным проблемным адресам в части расхода воды и давления на вводе в дом. Такие данные дают возможность решать локальные проблемы на сетях водоснабжения в конкретно взятом доме. Обрабатывать данные, поступающие со всех 830 расходомеров, в ручном режиме практически невозможно.

Что касается расходомеров, установленных для контроля расхода воды в коттеджных поселках, то они уже сейчас доказали свою эффективность в части выявления и поиска скрытых потерь воды, которые крайне сложно выявить какими-либо другими способами. В ноябре 2014 года один из экспериментальных расходомеров был установлен на ответвлении, подающем воду в пос. Воронино. В результате ежемесячного анализа ночного водопотребления была выявлена потеря воды в объеме 1,2 м3/час, которая не выходила на поверхность. Такой же расходомер был смонтирован на ответвлении водопроводной сети на пос. Комарово, и на основании методики ночного расхода была выявлена потеря воды в размере 18 м3/час. Последующее обследование водопроводных сетей в данном поселке позволило выявить две скрытых потери воды.

Системная работа по анализу данных, поступающих с расходомеров, позволяет помимо поиска скрытых утечек проводить обнаружение незаконных самовольных врезок и связанного с этим незаконного потребления воды в больших объемах.

В планах тюменского водоканала - автоматизация процесса обработки поступающих с установленных расходомеров данных, что даст возможность полностью контролировать по-требление воды на том или ином участке водопроводной сети и выявлять повреждения на сетях до выхода воды на поверхность.

Фото:

УзловаяКНС-7

Вид экрана программы КНС оператор

Диктующие точки на карте города

Первый этап реализации программы по зонированию системы водоснабжения

Авторы:

Родин Николай Викторович, заместитель директора производственно-технического Департамента - начальник производственно-технического отдела ООО УК «РОСВОДОКАНАЛ». Россия, г. Москва, Гамсоновский переулок, 2, строение 4, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Бычков Дмитрий Александрович, начальник центральной диспетчерской службы ООО «Тюмень Водоканал» 625007, Россия, г. Тюмень, 30 лет Победы, 31, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Герасимов Дмитрий Сергеевич, руководитель группы АСУ ООО «Тюмень Водоканал». 625007, Россия, г. Тюмень, 30 лет Победы, 31, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Пащенко Сергей Анатольевич, начальник службы АСУ ООО «Тюмень Водоканал» в 2009-2014 гг.

Dual-purpose tool

Implementing automation projects of production processes in the company «Rosvodokanal Tyumen» («Tyumen Vodokanal»)

«Rosvodokanal Tyumen « over the past few years launched a number of automation projects related to the work of sewage pumping stations, sewage treatment facilities, wastewater treatment plants and networks. As a result, we managed to optimize the number of staff, reduce maintenance costs, improve the reliability of the facilities. Automation of production processes is an essential tool to reduce costs by increasing the efficiency of the enterprise.

Rodin Nicolai, Deputy Director of Production and Technical Departamenta- Head of Production and Technical Department of Management Company «ROSVODOKANAL». Russia, Moscow, Gamsonovsky lane 2, Building 4, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Bychkov Dmitry, head of the central dispatching service OOO «Tyumen Vodokanal». 625007, Russia, Tyumen 30 let Pobedy, 31,

e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Gerasimov Dmitry, head of automation of «Tyumen Vodokanal». 625007, Russia, Tyumen 30 let Pobedy, 31,

e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Pascenco Sergey, Head of Service ACS Ltd. «Tyumen Vodokanal» in 2009-2014.