Opłacalna modernizacja

Podsumowanie wprowadzanych na przestrzeni 26 lat zmian w systemach sterowania w zakładach uzdatniania wody w Kalifornii, USA z perspektywy użytkownika tych systemów.
W ostatnich kilkunastu latach niemal wszystkie zakłady zajmujące się przetwarzaniem lub uzdatnianiem wody w Stanach Zjednoczonych realizowały programy modernizacji stosowanych w nich systemów sterowania – niektóre z nich nawet kilkakrotnie. Zakłady zlokalizowane w Kalifornii jako pierwsze podjęły działania w tym kierunku już w roku 1986, instalując system SCADA bazujący na minikomputerze. W roku 1995 zdecydowano się na całkowitą zmianę istniejącej dotychczas koncepcji, wprowadzając sterowniki PLC. Od tego czasu, w ciągu ostatnich 17 latinżynierowie aplikowali już w systemie wiele generacji sterowników tego typu, kolejnych wersji oprogramowania, protokołów sieciowych czy modułów we/wy. To okres ciężkich, ale i pożytecznych doświadczeń – zmagania z wieloma trudnościami, problemami aplikacyjnymi itp. W niniejszym tekście autor spogląda wstecz na ten okres zmian, dzieląc się z czytelnikiem swoimi refleksjami i doświadczeniami z punktu widzenia użytkownika systemów sterowania, dedykowanych do aplikacji właśnie w zakładach uzdatniania wody.
Pożegnanie z systemami SCADA
W roku 1986 zakłady w Kalifornii zakupiły kompletny system SCADA, który tworzyły następujące komponenty:

  • centralny minikomputer VAX z oprogramowaniem firmy Digital Equipment Corporation,
  • system komunikacji bazujący na sieci LAN z e-standardem RS422, pracujący z szybkością 9600 bodów,
  • system komunikacji modemowej WAM, oparty na sieci telefonicznej – 1200 bodów,
  • dwa typy jednostek zdalnych RTU.

System ten monitorował i sterował procesy w samym zakładzie, ale również w skojarzonej z nim sieci dystrybucji wody. Oprogramowanie SCADA pracowało na platformie systemowej VMS (dedykowanej dla komputerów VAX), współpracując z dwoma redundantnymi jednostkami Micro VAX II i parą również redundantnych modułów akwizycji danych RTU. Koszt tego systemu wyniósł w roku 1986 1,2 mln dolarów. Pracował zupełnie poprawnie, jednak z czasem dostawca nie zapewniał już aktualizacji i możliwości współpracy z nowszym oprogramowaniem, narzędziami programowymi i nowymi modułami systemowymi dostępnymi na rynku. Ostatni, najnowszy wówczas moduł RTU do tego systemu został zakupiony w roku 1993 za ponad 200 000 dolarów.
W roku 1995 zdecydowano o modernizacji systemu i jego rekonfiguracji w kierunku wykorzystania popularnych już na rynku sterowników PLC. W pierwszym etapie dotyczyło to systemu obsługi filtrów. W typowych aplikacjach uzdatniania wody stosuje się specjalne filtry (dual media), z warstwą węgla drzewnego i piasku, które zatrzymują najdrobniejsze cząstki, które pozostały jeszcze w wodzie po wcześniejszych procesach jej przetwarzania i uzdatniania. Strumień wody przepływający przez taki filtr podlega czasowej modulacji, zależnie od tzw. poziomu filtra. Poziom filtra może się z kolei zmieniać, zależnie od tego, jak długo pozostaje on włączony, jak dużo wody przez niego przepływa i jest oczyszczane. Po około 40 do 120 godzinach pracy, zależnie od jakości przetwarzanej wody, filtr musi być przepłukany. To proces, w którym przy tradycyjnym podejściu zużywa się nawet setki tysięcy litrów wody, a procedury są dość skomplikowane. W kalifornijskich zakładach przy wypłukiwaniu filtra zużywa się ok. 1 270 000 litrów wody, z czego ok. 132 500 litrów na spłukiwanie jego powierzchni, a pozostałe 1 138 000 litrów – przepuszczane jest przez filtr w stronę przeciwną do normalnego przepływu wody, w celu wyczyszczenia mediów filtrujących.
Podobnie jak większość aplikacji systemów sterowania dla przemysłu, zainstalowany system może pracować w dwu trybach:

  • filtr jest włączony i produkuje wodę pitną,
  • tryb czyszczenia i wypłukiwania.

Proces czyszczenia i wypłukiwania sterowany był przez liczące sobie ponad 30 lat moduły logiki przekaźnikowej i niestety w ostatnim czasie pojawiły się problemy z jego niezawodnym funkcjonowaniem. Przede wszystkim system znacznie częściej zawieszał się w trybie czyszczenia i wypłukiwania, co prowadziło do znacznych strat wody, a rozwiązanie powstających problemów, przy zachowaniu konwencji logiki przekaźnikowej, stawało się coraz bardziej uciążliwe, a niekiedy wręcz niemożliwe. Ze względu na konieczność zachowania kompatybilności z systemem SCADA i modułami RTU, zakład poszukiwał innych rozwiązań, w szczególności bazujących właśnie na modułach RTU i sterownikach PLC. Ostatecznie wybór padł na sterownik PLC AutomationDirect DL340, wraz z dedykowanym pakietem programowym DirectSOFT PLC. To był pierwszy krok ku zmianom i w zasadzie początek końca systemu SCADA stosowanego w kalifornijskich zakładach.
Zalety i funkcjonalność PLC
W opinii głównego zakładowego automatyka podstawową zaletą wdrożenia technologii bazujących na sterownikach PLC i nowej platformie programowej jestintuicyjność i przejrzystość środowiska służącego programowaniu sterowników i ich funkcjonalności. W roku 1995 większość pakietów dedykowanych do programowania sterowników PLC i modułów RTU miała charakter firmowy, bazujący na dedykowanych jednostkach programujących, w najlepszym razie na platformach komputerów PC z systemem DOS. Natomiast pakiet DirectSOFT, opracowany przez firmę AutomationDirect i jej partnera – Host Engineering (USA), przeznaczony jest do pracy na komputerach klasy PC z systemem Windows, co gwarantuje przede wszystkim jego kompatybilność z najnowszymi narzędziami branżowymi dedykowanymi dla komputerów PC oraz prostotę i intuicyjność obsługi.
W zakładach w Kalifornii wymieniono ostatecznie cały system logiki przekaźnikowej na aplikację ze sterownikami PLC, które przejęły sterowanie filtrami w obu wspomnianych wcześniej trybach pracy. W pierwszej fazie wdrożenia sterowniki PLC zintegrowano z istniejącym wcześniej systemem SCADA, poprzez interfejs sieciowy Modbus i moduły RTU. Z biegiem czasu wciąż modernizowano i optymalizowano programy sterowania filtrami, w celu osiągnięcia lepszych parametrów ich pracy i jakości wytwarzanej wody. Wprowadzenie wszelkich zmian następowało etapowo, a realizowane było bezpośrednio przez pracowników grupy automatyki, na klasycznych komputerach PC. Oprogramowanie i platforma sprzętowa sprawdziły się w tych działaniach całkowicie.
W ostatnich kliku latach zmodernizowano system sterowania ponownie, wprowadzając sterowniki DL250 programowane w logice stanowej, a nie jak poprzednio, w popularnych schematach drabinkowych. Po tych zmianach stwierdzono, że logika stanowa w jeszcze większym stopniu ułatwia rozwiązywanie powstających problemów eksploatacyjnych czy optymalizacyjnych.
Rezygnacja z komputera VAX
W roku 1996 istniejący system SCADA, bazujący na minikomputerze VAX, został w całości zmieniony na platformę bazującą na komputerach PC i systemie operacyjnym Windows. Rozpoczęto też akcję wymiany wszystkich modułów zdalnych RTU na nowsze sterowniki PLC. W ten sposób sterowniki PLC stały się podstawowymi elementami sterującymi w zakładach, obsługującymi procesy podstawowe, akwizycję danych i inne bardziej zaawansowane i wymagające aplikacje, związane chociażby z obróbką chemiczną wody itp. Komunikacja między sterownikami oparta została na standardzie Modbus z szybkością komunikacji 38,4 k bodów. W porównaniu z dzisiejszymi standardami może wydawać się ona niewielka, jednak było to w owym czasie znacznie szybciej niż wymogi typowych sterowników PLC Modicon. Jednym z problemów, przed którym stanęli wówczas zakładowi automatycy i informatycy, byłoużycie serwera tagów dla sieci Modbus. Kiedy dane wysyłane są do sterownika PLC bezpośrednio przez system SCADA, są zwykle przesyłane w formacie tzw. surowym – RAW lub BCD i rejestry sterowników PLC nie dopasowują się do rejestrów standardu Modbus perfekcyjnie, ponieważ korzystają z zapisu danych w formacie ósemkowym. Aby rozwiązać problem tego niedopasowania, zrezygnowano z oferowanego w pakiecie SCADA dla PC serwera tagów, na korzyść oprogramowania DSData firmy Host Engineering. Ma on zdolność odczytu danych z użyciem wbudowanego schematu adresowania, dzięki czemu system SCADA mógł już korzystać z tak przetworzonych danych i operować nimi lub gromadzić w formacie liczb rzeczywistych. Dzięki temu zniknęła konieczność każdorazowego konwertowania danych w sterownikach PLC poprzez odpowiednio dobrane algorytmy drabinkowe, ale możliwe stało się bezpośrednie operowanie danymi liczbowymi. Kolejną przydatną funkcją pakietu DSData było wyświetlenie wartości zebranych przez nadrzędny system SCADA.
Omawiane tu platformy sprzętowe – PLC i programowe – SCADA i DSData sprawdziły się na tyle dobrze w działaniu, że w roku 1997, kiedy dokonywano rozbudowy zakładów, bez większych dyskusji zdecydowano o ich zastosowaniu w nowych aplikacjach. Od tego czasu cały obsługiwany przez kalifornijski zakład uzdatniania system dystrybucji wody ma ponad 250 000 odbiorców i obejmuje swoim zasięgiem obszar ok. 170 km2. Zainstalowano 50 sterowników PLC sterujących i monitorujących zbiorniki i stacje pomp oraz pracujące jako koncentratory danych i sterowniki nadrzędne. Na ilustracji 4 pokazano typową dla zakładów szafę sterowniczą. Moduł RTU został zastąpiony sterownikiem PLC modem i moduł interfejsu zastąpiono modemem z technologią widma rozproszonego, z darmową licencją, a baterie akumulatorowe wraz z modułami ładowarek – modułami UPS-ów. Zastosowanie wspomnianych sterowników okazało się bardzo trafną decyzją. Po pierwsze były one bardzo łatwe w instalacji, integracji i zarządzaniu. Moduły sterowników montowane są na klasycznych szynach DIN, mają wymienne elementy w postaci kart z listwami przyłączeniowymi, które przyłącza się do jednostki sterownika w postaci gotowych modułów, co znacząco ułatwia modernizację, zmianę koncepcji sterowania oraz ewentualną rozbudowę, przebudowę systemu sterowania. Ponadto sprzęt ten jest stosunkowo niedrogi, charakteryzuje się wysoką niezawodnością, a dostawca zapewnia szerokie wsparcie techniczne.
To sytuacja diametralnie różna od stosowanych wcześniej modułów RTU, które były drogie i znacznie trudniejsze w eksploatacji, zarządzaniu. Nie miały żadnych wymiennych elementów, które można by wymienić, przeorganizować. Stąd w przypadku uszkodzenia elementów na płycie takiego modułu, konieczne było odłączenie całych wiązek przewodów sygnałowych, odkręcenie wielu śrubek itp., by dostać się do takiej płyty i ją wymienić lub serwisować.
Na ilustracji 2 pokazano z kolei typowy sterownik wykorzystywany w kalifornijskich zakładach w stacjach obsługi pomp. Karty z wejściami dyskretnymi pracują na napięciu 120 V AC (USA). W sterowniku zainstalowano jedną kartę z czterema kanałami analogowymi obsługującymi sygnały z czujników ciśnienia i przepływu, współpracującą z drugą kartą wyjść standardu 420 mA, sterującą lokalnymi wskaźnikami danych mierzonych. Sterownik PLC steruje wyjściami przekaźnikowymi, które z kolei połączone są bezpośrednio z napędami lub układami sterującymi elementami wykonawczymi. Port komunikacyjny znajdujący się w dolnej części sterownika skonfigurowany jest jako master w standardzie Modbus i odczytuje poziom cieczy w zbiorniku. Port w części górnejkomunikuje się z panelem tekstowym.
W latach 19982002 przeprowadzono kolejną rozbudowę zakładu, uzyskując moc przerobową na poziomie 390 000 000 litrów wody dziennie. W trakcie tej rozbudowy zainstalowano 11 nowych sterowników PLC. Od roku 1995 cała automatyka zakładowa bazuje na rozwiązaniach i sterownikach AutomationDirect, wraz ze stosownym oprogramowaniem. Obecnie na terenie samych zakładów pracuje 31 sterowników, a kolejne 129 w sieci rozproszonej, na terenie dystrybucji objętym jego działalnością, głównie w stacjach pomp. Po zakończeniu wszystkich modernizacji i rozbudowy sieci dystrybucji obsługa całej infrastruktury (z punktu widzenia pracowników serwisu, eksploatacji) odbywa się w praktyce zdalnie, za pośrednictwem sieci Ethernet. Standard ten jest dobrze znany, łatwy w rozbudowie i pozwala na korzystanie ze standardowych narzędzi, zarówno sprzętowych, jak i programowych. Poza tym zapewnia bardzo dużą szybkość transmisji danych – nawet rzędu 1 Gb/sek., przy zachowaniu dużego poziomu bezpieczeństwa danych. W ostatnim roku sieć zakładowa przeszła w całości na standard Ethernetu gigabitowego.
PLC to jest to!
Od roku 2011 zamieniono również wspomniane wcześniej serwery DSData na Kepware, współpracujące z platformą oprogramowania DirectSOFT 5. Większość zainstalowanych w sieci zakładowej sterowników PLC ma już ok. 10 lat i doskonale spełnia swoje zadania i co warte podkreślenia, zwykle w trudnych warunkach środowiskowych, współpracując z najnowszymi rozwiązaniami technologicznymi. Dotychczas zakład zakupił od firmy AutoatioDirect sprzęt i oprogramowanie do systemów sterowania wartości ponad 250 000 dolarów. W ten sposób przez 17 lat ciągłych modernizacji i rozbudowy systemu poniesione koszty i tak są mniejsze, niż te poniesione w roku 1986 na zakup wcześniej funkcjonujących rozwiązań.
Henry Palechek, zakłady uzdatniania wody w Kalifornii
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE