Programe de comanda si control

utilizate in statiile de epurare a apelor uzate

Monitorizare, control și DATA SYSTEMS ACHIZITII (SCADA)

utilizate în instalații de epurare a apelor

1. Generalităţi

Acronimul SCADA provine din limba engleză şi corespunde termenilor

“Supervisory Control and Data Acquisition” respectiv control de supervizare şi achiziţii

de date. În general, se face referire la un sistem de control industrial, de regulă un sistem

de calcul bazat pe un computer care monitorizează şi controlează un proces. Procesul

poate să fie din domeniu industrial, sau din domeniul infrastructurii.

Componentele generale ale sistemului

De regulă, un sistem SCADA conţine următoarele subsisteme:

Interfaţa om-maşină, sau modulul operator. Acest element se prezintă sub forma

unui dispozitiv care permite afişarea datelor de proces către un operator, totodată

oferindu-i acestuia şi posibilitatea de control asupra procesului.

Unitatea centrală de calcul – este reprezentată de un calculator care rulează

aplicaţia SCADA şi care realizează achiziţia datelor de proces, precum şi

controlul procesului prin trimiterea comenzilor specificecătre elementele de

acţionare.

Unităţile Terminale Comandate la Distanţă (RTU – Remote Terminal Unit) care

realizează conectarea senzorilor la proces şi care transpun semnalele electrice

de la ieşirile senzorilor în semnale electrice digitale. De asemena, unităţile

terminale îndeplinesc şi funcţia de transmisie a acestor semnale către sistemul

SCADA.

Controler logic programabil (PLC - Pogrammable Logic Controller), folosit ca şi

element de proces, poate îndeplini funcţia de unitate terminală periferică (RTU), şi

prezintă faţă de acestea avantajul unei mai bune versatilităţi şi flexibilitate în

configuraţie, la un cost mai scăzut.

Infrastructura de comunicaţii, care asigură interconectarea elementelor sistemului

SCADA.

2. Studiu de caz. Aplicaţii SCADA la o staţie de epurare.

În cele ce urmează, se va face referire la principalele elemente componente ale

sistemului şi la funcţionalitatea lor ca parte integrantă a procesului de epurare, urmând

ca mai apoi să se scoată în evidenţă modul în care sistemul SCADA implementat

contribuie la creşterea performanţelor generale ale procesului de epurare.

2.1 Schema de principiu şi structura sistemului SCADA

Din punct de vedere structural, sistemul SCADA reprezintă un sistem de generaţia a

treia, de tipul structurat în reţea. La realizarea părţii de comunicare, s-a apelat la

tehnologii moderne şi performante prin folosirea unei infrastructuri de fibră optică la

transportul semnalelor de date conforme protocolului TCP/IP. De asemenea, s-a folosit

şi protocolul PROFIBUS pe suport RS485, pentru realizarea comunicării între elementul

principal de control al procesului (Camera de comanda) şi Unităţile Terminale

Comandate la Distanţă(RTU). Sistemul prezintă o configuraţie ierarhizată şi distribuită,

conform schemei de interconectare prezentată înfigura 1.

Figura 1. Schema bloc a sistemului de

comunicaţii

SSDC – SCADA server şi display client;

PLCC1 – Automat programabil central în cutia de automatizare;

PLCL1 – Automat programabil local în cutia de comandă locală 1;

SM1-3 – Sisteme de măsură parametri proces;

MC1-3 – Media convertoare;

T1-n – Traductoare

2.2 Monitorizarea locală a parametrilor de funcţionare, funcţiile sistemului SCADA

Dintre funcţiile principale ale sistemului SCADA implementat, putem aminti

următoarele:

Conducerea automată a procesului tehnologic în scopul optimizării parametrilor de

ieşire şi al eficientizării;

Afişarea în timp real a stării procesului tehnologic;

Afişarea grafică a datelor de proces, în scopul elaborării unor strategii de

exploatare performante;

Gestionarea eficientă a istoricului mărimilor de proces, a stării echipamentului,

precum şi a situaţiei alarmelor;

Generarea periodică de rapoarte de funcţionare;

Posibilitatea intervenţiei directe în proces a utilizatorului în funcţie de drepturile de

acces pe care acesta le are;

Posibilitatea supravegherii de la distanţă a procesului prin utilizarea de staţii client

SCADA

Figura 2. Interfaţa principală a aplicaţiei SCADA

Structura internă a programului de aplicaţie se bazează pe rularea simultană a

patru servere care vor gestiona fiecare sarcini specifice. Este posibil ca aceste servere

să fie configurate astfel încât să ruleze pe unităţi de calcul diferite, dar în cazul de faţă

acest lucru nu este necesar întrucât încărcarea sistemului de calcul permite ca toate

celepatru servere să ruleze simultan pe acelaşi calculator.

Aceste patru servere sunt:

Serverul de alarme – gestionează alarmele după priorităţi bine stabilite şi le

afişează prin intermediuldisplay-client-ului;

Serverul de rapoarte – controlează şi administrează generarea automată de

rapoarte de activitate aprocesului;

Serverul de grafice – controlează şi administrează acumularea şi arhivarea datelor

necesare reprezentăriigrafice a mărimilor de proces sau a altor grafice definite;

Serverul de intrări-ieşiri (I/O server) – este un server dedicat schimbului de date

între dispozitivele dincâmp, de tip PLC sau RTU şi clientul SCADA

Arhitectura descrisă anterior este prezentată în figura 3.

Figura 3. Arhitectura software a sistemului SCADA

La pornirea aplicaţiei principale, pe ecranul modulului operator (în acest caz,

monitorul unităţii centrale de calcul), va fi afişată o schemă sinoptică animată a părţii

principale a procesului de epurare, prin intermediul căreia se afişează starea şi

parametrii locali. În partea de sus a interfeţei principale, se află o bară de navigare care

permite accesul la sectoarele secundare ale procesului şi anume instalaţiile de preparare

şi dozare a soluţiilor de reactivi, sectorul subprocesului de tratare a apei recirculate,

precum şi accesul către interfaţa de conectare a utilizatorilor la proces.

Fiecare dintre secţiunile enumerate mai sus prezintă posibilitatea accesării de

informaţii şi funcţii specifice.

2.3 Monitorizarea la distanţă a parametrilor de funcţionare ai staţiei de epurare

Un avantaj major pe care un sistem SCADA de generaţia a treia îl aduce

utilizatorilor constă în mobilitatea şi versatilitatea dată de conceptul de staţie client. Staţia

client este în esenţă un alt sistem de calcul pe care rulează oversiune de software

derivată din programul principal de aplicaţie SCADA. Conceptul de client elimină

existenţa locală a celor patru componente principale pe care un server SCADA le

conţine. Datele necesare pentru gestionarea informaţiilor specifice sunt accesate de pe

serverul principal, prin intermediul protocoalelor de transport a datelor specifice (în cazul

de faţă TCP/IP). Folosind acest concept, un utilizator se va putea conecta la serverul

SCADA înorice punct al reţelei interne a sistemului. Utilizând conceptul de extindere a

reţelelor locale prin intermediul reţelelorprivate virtuale (VPN), este posibilă conectarea

unui client la sistem din orice punct de acces la internet de pe mapamond.

2.4 Reprezentarea şi analiza parametrilor de funcţionare

În funcţionarea sistemului SCADA, pe lângă funcţiile principale de control şi

comandă a elementelor, un aspect esenţial în partea de analiză de proces constă în

interpretarea datelor înregistrate. În cadrul sistemului de faţă, instrumentul principal de

realizare a acestor obiective a fost funcţia specifică de analiză a datelor de proces (PAV -

Process Analyst View). Prin intermediul acesteia, se poate reprezenta grafic, în mod

selectiv, evoluţia funcţie de timp avalorilor mărimilor de proces precum şi analiza

parametrilor de funcţionare.

Modurile de reprezentare pot fi salvate şi accesate conform necesităţilor. Un

exemplu tipic de interfaţa îl putemobserva în figura 4.

Se observă cum, datorită influenţei caracterului acid a soluţiei de dozare precum si

a calităţii apelor de intrare, valoarea pH-ului înregistrată va avea anumite fluctuaţii funcţie

de acest factor influent. În cazul în care pH-ul va scădea sub pragul minim admis,

sistemul va declanşa o alarmă de proces care va fi semnalizată corespunzător.

Figura 4. Variaţia pH-ului în treapta deepurare fizico-chimică

pe parcursul unuiinterval de o săptămână

Una dintre situaţiile în care sistemul oferă posibilitatea de intervenţie de la nivel

ierarhic superior, pentru corecţia parametrilor de proces, este cea a debitului suflantelor

funcţie de cantitatea de oxigen dizolvat în apă. În acest caz, la nivel local, funcţionarea în

buclă de reacţie PID pentru menţinerea optimă a turaţiei suflantelor este asigurată de

către controlerul logic programabil din cutia de automatizare, care comandă invertoarele

suflantelor. De la un nivel ierarhic superior, sistemul SCADA poate optimiza procesul prin

faptul că parametrii de funcţionare ai buclei PID vor putea fi modificaţi de către operatorul

cu drepturi de acces corespunzătoare, după ce acesta a preluat controlul sistemului.

O altă situaţie în care sistemul SCADA acţionează de la un nivel ierarhic superior

asupra procesului este cazul treptei biologice. În cadrul etapei de tratare biologică a

apelor uzate, în bazinul biologic au loc două faze ale procesului secvenţial: una de

aerare şi alta de decantare a nămolului rezultat. Pentru îndeplinirea acestor funcţiuni, s-a

implementat o schemă de funcţionare secvenţială bazată pe două etape. În cadrul etapei

de aerare, un traductor de turbiditate măsoară în mod continuu valoarea acestui

parametru, valoare care este prelucrată de către automatul programabil. În funcţie de

această valoare, se va lua decizia pornirii pompelor de recirculare a nămolului, pentru a

realiza transportul nămolului în exces în treapta de epurare fizico-chimică. Prin

intervenţia în sistemul SCADA, se poate modifica, de către operatorul care are privilegiile

de acces corespunzătoare, condiţia de pornire a pompelor de nămol în funcţie denivelul

turbidităţii prescris.

Ca exemplu de vizualizare a acestui tip de secvenţă, putem considera graficul

funcţie de timp al nivelului de turbiditate din bazinul decantor al treptei biologice, cumulat

cu graficul de funcţionare a pompelor de recirculare anămolului, conform figurii 5.

Prin utilizarea acestor instrumente specifice, se poate realiza o analiză de proces

eficientă, chiar şi pe perioade extinse de funcţionare. Avantajul dat de metoda de

implementare în cauză constă şi în faptul că există posibilitatea ca aceste date să fie

exportate în formate standard care să poată fi utilizate şi prelucrate ulterior şi de către

alte medii software.

Figura 5 Evoluţia turbidităţii apeiîn treapta de tratare biologică

2.5 Rapoarte de funcţionare

Rapoartele de funcţionare se prezintă sub forma unor tabele în care sunt

prezentate valori orare ale parametrilor de proces, precum şi valori de timp cumulat de

funcţionare al echipamentelor, pe intervalul ultimelor 24 de ore.

Din punct de vedere grafic, raportul de funcţionare se prezintă conform figurii de

mai jos:

Figura 6 Raport defuncţionare

2.6 Pagina de setări

Pagina de setări oferă posibilitatea modificărilor parametrilor de funcţionare ai

statiei de epurare, în condiţiile în care utilizatorul înregistrat are dreptul de acces

corespunzător. Pagina de setări se prezintă sub forma unei interfeţe grafice de tip listă

care conţine, pe lângă rubrica de setări şi evidenţa timpilor de funcţionare a

echipamentelor.

Figura 7 Pagina de setări

2.7 Pagina de istoric alarme şi avarii

Pagina de istoric alarme oferăposibilitatea de vizualizare, interpretare şi filtrare a

tuturor evenimentelor apărute în trecut. Din punct de vedere al navigării, accesul la

această secţiune se face prin activarea butonului de navigare din pagina de alarme şi

avarii.

Figura 8 Pagina de istoric alarme şi avarii

Concluzii

Implementarea unui sistem SCADA asupra procesului tehnologic de funcţionare a

unei staţii de epurare este un aspect esenţial în ceea ce priveşte asigurarea calităţii

apelor epurate. Configurat corespunzător, sistemul este un instrument puternic în ceea

ce priveşte atât gestionarea datelor de proces, cât şi optimizarea funcţionării.

În ceea ce priveşte managementul datelor de proces, avantajul major constă în

versatilitatea funcţiilor specificede arhivare, prelucrare, analiză şi vizualizare a acestora.

Astfel, există posibilitatea ca un tehnolog să realizeze analize specifice bazate pe datele

reale preluate din câmp şi să propună metode de optimizare pe termen lung. Acest

aspect este mai relevant dacă luăm în considerare faptul că procesul tehnologic de

epurare a apelor uzate este un proces lent, a cărui periodicitate se extinde pe durate de

ordinul orelor sau a zecilor de ore.

Un alt avantaj major al implementării unui sistem SCADA constă în posibilitatea

optimizării funcţionării procesului. În primul rând, monitorizarea parametrilor de ieşire a

apei epurate, dar mai ales a evoluţiei acestora peperioade extinse de timp va permite

aplicarea unor corecţii la nivel de proces tehnologic. Scopul acestor corecţii va face la de

a obţine o calitate a apei epurate conform normativelor, cu un consum energetic cât mai

redus. Acest aspecteste capital, având în vedere cantităţile mari de energie electrică

consumată de către elementele din proces, cum ar fi de exemplu suflantele care

realizează aportul de oxigen în treapta biologică.

Aceste optimizări se pot realiza prin intervenţia de la nivel ierarhic superior a

sistemului, în zona subproceselor.

Nu în ultimul rând ca importanţă, este necesar să amintim şi impactul pe care

implementarea sistemului o are asupra securităţii procesului. Prin modul de gestionare a

alarmelor de proces, este posibilă transmiterea informaţiilor necesare, într-un mod foarte

eficient, acolo unde este nevoie de ele. De asemenea, anumite decizii pot fi luat de către

sistem, în concordanţă cu informarea şi acceptul operatorului.

Putem spune că implementarea de sisteme SCADA aduce, în cadrul tehnologiilor

de epurare a apelor uzate, un instrument deosebit de puternic şi flexibil, a cărui avantaje

se răsfrâng direct asupra performanţelor şi a eficienţei procesului tehnologic de epurare.

Bibliografie:

1. Virginia Ivanov Sisteme integrate de monitorizare si control pentru echipamente

electrice, Editura Universitaria, Craiova, 2008

2. Stuart A. Boyer Scada : Supervisory Control and Data Acquisition, ISA 1999

3. JeffWeigantCreating HMI/SCADA Industrial ApplicationsUsing Microsoft Access

4. L.T. AmyAutomationSystems for Control and Data Acquisition

5. L.M. Thompson Industrial Data Communications: Fundamentals andApplications –

Editia a 2-a, 1997

6. J.C. Huber Industrial Fiber Optic Networks

7. Babbitt, H. E. Sewerageandsewagetreatment. Ed. John Wiley, New York, 1954.

8. Caraman, S., Sbarciog, M., Barbu, M. Predictive Control of a

WastewaterTreatmentProcess, International Journal of Computers, Communications &

Control Vol. II, No. 2, pp. 132-142, 2007

9. Cosmin, I., Vernescu, M. Instalaţii şi construcţii pentru epurarea apelor uzate

industriale. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1959.

10. Fair, G. M., Geyer, J. C., Okun, D. A.

Waterpurificationandwasterwatertreatmentanddisporsal. Ed. John Wiley, New York,

1966.

11. Ionescu, M., Vlad, G. contr. de cercetare nr. 174/2006 Program MENER , Cercetări

teoretice şi experimentale asupra sistemelor expert de exploatare optimă a proceselor

tehnologice de epurare a apelor uzate din staţiile de epurare orăşeneşti şi industrii.

12. Robescu, D., Epurarea apelor uzate, Editura BREN, ISBN 973-9493-13-0, Bucureşti,

2000

13. Rickles, R. Pollution control. Noyes Corporation, New York, 1950.

14. Vlad, G., Crăciun, M., Ionescu, M. Monitorizarea si reglarea automata a concentratiei

de oxigen dizolvat din

bazinele de aerare ale statiilor de epurare a apelor, Revista Ecoterra, nr. 6/2005.

15. Vlad, G., Contr. de cercetare nr.414/2004, Program MENER, Sistem inteligent de

optimizare a parametrilorde proces din treapta biologică a staţiilor de epurare.

16. Vlad, G., Contr. de cercetare nr. 30/2007, Program INOVARE, Sistem informatic de

monitorizare şi control astaţiilor de epurare a apelor uzate prin utilizarea sistemelor de

distribuţie multi-agent şi a unor algoritmi avansaţi de reglare automată.

17. Negulescu, M. Epurarea apelor uzate industriale. Ed. Tehnică, 1968.

18. Negulescu, M. Epurarea apelor uzate orăşeneşti. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1978.

19. Negulescu, M., Secară, E. Exploatarea instalaţiilor de epurare a apelor uzate. Ed.

Tehnică, Bucureşti, 1977.