Struktura informacyjna systemu automatyki (na przykładzie OŚ Kartuzy)

1. Struktura informacyjna systemu automatyki (na przykładzie OŚ Kartuzy) Wykład w ramach przedmiotu: Wprowadzenie do Systemów Sterowania i Wspomagania Decyzji 04.06.2009 Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski

2. Potrzeba przemyślanej struktury informacyjnej • W złożonym obiekcie sterowania, takim jak oczyszczalnia ścieków, znajduje się wiele rozmaitych informacji: dane dotyczące wielkości procesowych pochodzące z pomiarów, dane technologiczne określające wymogi stawiane systemowi automatyki, dane sterujące urządzeniami realizującymi algorytmy sterowania, stany poszczególnych urządzeń w systemie, informacje o pogodzie, o zakłóceniach pracy, ekonomiczne itp. • Informacje te różnią się od siebie przeznaczeniem, ilością, zależnościami czasowymi, sposobem wprowadzania do systemu, koniecznością archiwizacji, stopniem zagrożenia w przypadku ich utraty itp. Opracowanie właściwej struktury informacyjnej jest sprawą kluczową z punktu widzenia nie tylko sterowania procesami oczyszczania ścieków, ale również użytkowania i zarządzania całą oczyszczalnią.

3. Nowoczesne sterowanie oczyszczalnią ścieków (OŚ), poszerzające informację pomiarową za pomocą techniki soft-sensorów oraz wykorzystujące modele matematyczne i sterowanie predykcyjne, powoduje znaczne zwiększenie ilości danych w systemie oraz wymusza konieczność stosowania nowych narzędzi (w postaci stacji obliczeniowych – zbędnych przy sterowaniu klasycznym, stosowanym obecnie w większości oczyszczalni w kraju) oraz włączenie tych narzędzi w strukturę informacyjną systemu

4. Struktura klasyczna Typowa struktura systemu automatyki, złożona z urządzeń pomiarowych (UP), urządzeń wykonawczych (UW), sterowników programowalnych (PLC), systemu sterowania nadzorczego i akwizycji danych (SCADA) oraz bazy danych, umożliwia realizację sterowania na poziomie podstawowym (np. sterowanie regułowe, sterowanie włącz/wyłącz oraz proste algorytmy typu PID).

5. W obecnych rozwiązaniach sterowania OŚ głównie stosowane są właśnie takie proste algorytmy, np. sterowanie recyrkulacjami – proporcjonalne do napływu, pożądane stężenia tlenu w komorach biologicznych zadawane są bezpośrednio przez technologa, a realizowane za pomocą regulatorów regułowych lub PID. Zbiorniki retencyjne wykorzystywane są zazwyczaj dopiero wtedy, gdy napływ przewyższa możliwości oczyszczalni. Dozowanie chemikaliów (PIX) oparte jest najczęściej na doświadczeniu technologów i operatorów.

6. Możliwość i konieczność poprawy sterowania • Scharakteryzowany sposób sterowania, wsparty wiedzą i troską technologów i operatorów, pozwala na prawidłowe funkcjonowanie oczyszczalni, jednak z pewnością może być udoskonalony. • Zastosowanie nowoczesnego sposobu sterowania OŚ ma na celu prowadzenie procesu oczyszczania w sposób bezpieczny, zgodny z wytycznymi środowiskowymi oraz kładącego nacisk na zagadnienia ekonomiczne.

7. Środki do osiągnięcia tego celu to rozpatrywanie obiektu jako OŚ wraz z systemem kanalizacyjnym, wykorzystanie retencji, poszerzenie informacji pomiarowej za pomocą soft-sensorów oraz wykorzystanie modeli matematycznych i sterowania predykcyjnego. • Wymienione zadania nie mogą być zrealizowane przez produkowane i dostępne obecnie PLC z powodu znacznej złożoności obliczeniowej algorytmów estymacji, optymalizacji i sterowania predykcyjnego. Aby sprostać tym zadaniom, konieczne jest uzupełnienie klasycznego systemu automatyki o stację obliczeniową (SO), modyfikację zadań istniejących elementów struktury oraz ustalenie nowych i modyfikację istniejących kanałów informacyjnych SO z pozostałymi składowymi systemu. • Z tego wynika więc, że nowoczesny sposób sterowania OŚ nie tylko wymusza wprowadzenie do systemu nowego elementu funkcjonalnego – SO, ale również stawia nowe wymagania dla systemu SCADA oraz bazy danych.

8. Nowa struktura • Centralną, nadzorczą rolę w systemie odgrywa element SCADA. Do standardowych zadań SCADA, tak jak w klasycznym systemie, należy akwizycja danych pomiarowych, prezentacja stanu procesu i danych archiwalnych, umożliwienie wpływu operatorowi na proces i współpraca z bazą danych. SCADA w nowej strukturze ma do wykonania nie tylko standardowe zadania, ale także musi współpracować ze stacją obliczeniową. SCADA jest elementem nadrzędnym w stosunku do stacji obliczeniowej, do której wysyła żądania pobrania danych z bazy danych, rozpoczęcia obliczeń i powiadomienia o zakończeniu obliczeń. Wyniki obliczeń trafiają do bazy danych, a niektóre z nich (obliczone sterowanie przy nadzorze SCADA) zostaną przyłożone do obiektu za pomocą PLC. Zadaniem SO jest obliczanie trajektorii sterowania, które realizowane są przez warstwę sterowania bezpośredniego w postaci PLC. Stacja obliczeniowa działa w innym rygorze czasowym niż warstwa sterowania bezpośredniego.

9. Elementy struktury

10. Struktura logiczna • Przedstawiona struktura jest strukturą logiczną – opisującą konieczne i rekomendowane składniki systemu, jednak nie wskazuje na konkretne urządzenia (np. typy PLC) i ich producentów. Wyraźnie wskazane są kanały informacyjne – dzięki czemu widać, które z nich wymagają dużej przepustowości do transferu danych, a przez które będą przechodziły tylko rozkazy. Jednak tu również nie są podane są konkretne rozwiązania. Struktura logiczna może być zaimplementowana na wiele sposobów z wykorzystaniem urządzeń i oprogramowania różnych producentów. Takie przedstawienie struktury informacyjnej umożliwia zarówno modyfikację istniejących już systemów sterowania w OŚ, jak i ich budowę od początku.

11. Struktura informacyjna

12. Opis kanałów informacyjnych

13. Prototypowe wdrożenie

14. Do właściwej pracy przedstawionej struktury informacyjnej potrzebne jest efektywne współdziałanie wymienionych wcześniej elementów logicznych. O jakości działania tego układu decydować będzie wydajność SO oraz szybkość i niezawodność przesyłania informacji pomiędzy składowymi systemu. Istnieją już na rynku światowym usługi wynajmowania mocy obliczeniowych. W przypadku sterowania oczyszczalnią musiałby być zapewniony niezawodny, chroniczny dostęp do takiej usługi. To raczej rozwiązanie przyszłościowe. Na chwilę obecną należy rozpatrywać rozwiązanie z lokalną SO.

15. W celu poprawienia wydajności SO należy optymalizować kod algorytmów SMAC i sposób wykonywania obliczeń. Sytuacją pożądaną i rekomendowaną byłoby generowanie kodu C wprost z pakietu Matlab, a później kompilacja i wykonywanie tego kodu w środowisku MatlabRuntime. Do komunikacji pomiędzy elementami składowymi systemu zalecany jest standard OPC. Powodzenie wdrożenia zależy również od właściwego wyboru systemu SCADA i InDB oraz platformy, na której te systemy mają pracować.

16. Bibliografia • Brdyś M.A.: Zintegrowane inteligentne sterowanie systemami ściekowymi – koncepcja systemu, „Wodociągi i Kanalizacja” 2(5)/2004. • Duzinkiewicz K., Piotrowski R., Krause Ł.: Nowoczesne sterowanie w oczyszczalniach ścieków – sprzęt i oprogramowanie, „Wodociągi i Kanalizacja” 1(10)/2005 • Tarnawski, Struktura informacyjna systemu automatyki, Wodociągi i Kanalizacja” 3(12)/2005