Мониторинг и контроль функционирования систем водоснабжения и канализации
Модернизация системы водоснабжения и канализации в рамках проекта включала налаживание новой беспроводной связи для улучшения управления материальными активами и персоналом в реальном времени. Системные интеграторы помогли установить современное ПО для диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), чтобы избавить сотрудников коммунальных служб от необходимости проверять и заменять все в полевых условиях. Преимуществами рассматриваемого решения стали устранение трудоемкого ручного анализа и достижение значительной эффективности работы системы и экономии времени, связанного с ее обслуживанием и расчетами с потребителями услуг (рис. 1–3).
Проект был реализован в канадском городе Сильван Лейк, в котором живут 15 тыс. человек и ежегодно бывают 1,5 млн туристов. В городе площадью 9 кв. миль есть семь станций водоснабжения и двенадцать станций перекачки сточных вод — все это объекты инфраструктуры городского водоснабжения и водоотведения. Сложность заключается в том, что половина города находится на уровне озера, а вторая — на высоте 945 м над уровнем моря. Сточные воды необходимо перекачивать с более низкого уровня на более высокий. Еще одна проблема касается резервуаров воды: чтобы водоснабжение было безопасным, требуется их постоянный мониторинг. Используемые для очистки воды химические реагенты необходимо держать под контролем. По мере роста города и притока туристов потребность в автоматизации этой критически важной инфраструктуры и модернизации сети связи возрастала.
В течение последних четырех лет обслуживанием сети для городской инфраструктуры водоснабжения и водоотведения и управлением ею занимается системный интегратор Contact Automation Inc. Компания устраняет неполадки аппаратной связи и восстанавливает отказавшие датчики, а также управляет расширением охвата сети ради новых объектов водоснабжения и водоотведения в режиме онлайн. Интегратор в полной мере осознавал ограничения и повседневные операционные проблемы, вызванные физическим и моральным старением городской системы. Дело в том, что сеть SCADA, используемая в городе Сильван Лейк, была спроектирована как последовательная радиосеть с уже устаревшим оборудованием (ему исполнилось почти 20 лет), причем в многочисленных конфигурациях. Такая система была негибкой, неудобной для обслуживания и поддержки и не позволяла наладить надежную связь с удаленными станциями.
Из—за физических ограничений системы сотрудникам коммунальных служб приходилось в течение дня постоянно ездить на различные участки, поскольку только так можно было контролировать систему и составлять отчеты о ее функционировании. Настал момент, когда городские власти признали, что их требования к существующей системе превышают ее возможности и необходимо найти новое экономичное решение, в котором могла бы быть интегрирована технология управления водными ресурсами на базе «умных» решений (Smart Utility Technology). Это позволило бы обеспечить не только безопасность и соответствие системы текущим требованиям, но и ее масштабируемость и возможность в будущем обновлять технологии автоматизации городского водного хозяйства.
Потребности и узкие места
Городские коммуникации в Сильван Лейк постоянно создавали проблемы. А за последние пять лет их сеть связи стала совсем ненадежной и страдала от общесистемных ошибок из—за участившихся сбоев в работе оборудования.
Поскольку все отчеты о проверках станций приходилось составлять вручную, получить доступ к историческим оперативным данным было сложно. Хотя на каждой станции были сигнализации, возможности их расширения были ограниченны. Чиновники осознали, что не могут более рисковать, управляя системой через ненадежное удаленное управление. В таких условиях, например, выключение насоса перекачки канализационных стоков даже на несколько минут может привести к экологической катастрофе.
Несмотря на все попытки не отставать от прогресса в области технического обслуживания, нынешняя система в силу возраста показывала свою ограниченность. Растущая потребность города в автоматизированных отчетах, мониторинге в реальном времени и централизованном управлении этой важной водной инфраструктурой положила начало двухлетним усилиям по модернизации инфраструктуры связи.
Кроме того, муниципалитет Сильван Лейк в рамках обновления сети хотел внедрить систему управления активами, планирования ресурсов предприятия типа ERP и другие внешние ресурсы управления и диспетчеризации. После нескольких лет планирования и получения одобрения финансирования, в марте 2018 г. работы по преобразованию городской системы водохозяйственных коммуникаций наконец начались.
Хотя изначально город рассматривал возможность обновления только ПО SCADA, этот план быстро превратился в полную перестройку всей системы. После оценки множества технологий Contact Automation Inc. использовала рекомендованные для применения промышленные радиостанции, интегрированные с системой передачи сообщений телеметрии MQTT (упрощенный сетевой протокол, работающий поверх TCP/IP и ориентированный на обмен сообщениями между устройствами по принципу издатель — подписчик).
Протокол MQTT характеризуется простотой применения, невысокой нагрузкой на каналы связи, возможностью работы в условиях постоянной потери связи и легкой встраиваемостью в любую систему. Основное предназначение — работа с телеметрией от различных устройств. Использование шаблона подписчика позволяет устройствам выходить на связь и публиковать сообщения, которые не были заранее известны или предопределены: в частности, протокол не вводит ограничений на формат передаваемых данных.
В городе использовалась последовательная SCADA-система опросов / ответов, и за последние 20 лет все полевые станции устанавливались и программировались разными людьми, поэтому конфигурации тоже были совершенно разными. Одной из целей было стандартизировать систему.
Промышленное радио с MQTT решило проблемы, связанные с сигнализацией и отчетами, а также обеспечило стандартизацию, необходимую каждой полевой станции. Архитектура публикации / подписки, или Pub/Sub, позволила предоставлять детализированные данные любому пользователю в сети. Надежность платформы обеспечила сохранность программного приложения узлов мониторинга и учета, которое теперь объединяет в себе аналитику и интеллект вместе с удаленными активами и предусматривает безопасную беспроводную передачу данных на большие расстояния и развертывание приложений.
Добавление MQTT на периферии сделало полевые станции «умнее» и позволило снизить требования к занимаемой площади и пропускной способности системы. Как правило, затраты на приобретение и обслуживание системы возрастают с увеличением количества оборудования, но благодаря использованному подходу их удалось минимизировать и оптимизировать.
Реализация проекта обеспечила возможность миграции и обновления каждой станции для внедрения «Интернета вещей» (IoT) на периферии путем замены радиооборудования. Никакого другого оборудования не потребовалось развертывать в полевых условиях. Все, что теперь нужно для контроля давления в водопроводе, — это датчик с радио. Полевая система была упрощена, связь и точность данных повысились, а затраты на инфраструктуру были снижены за счет повышения интеллектуальности на периферии.
Результаты и оценка рентабельности инвестиций
Сейчас в Сильван Лейк модернизированы все семь насосных станций пресной воды, а также введена в эксплуатацию новая станция удаленного мониторинга. Новый единый центр управления был создан на главном водохранилище.
Благодаря обновленной сети город перешел от использования одной станции мониторинга к удаленному управлению сетью в реальном времени из нескольких мест и через мобильное устройство одновременно. Офис первичного технического обслуживания остается центром основных операций. Отсюда сотрудники могут легко просматривать систему на нескольких экранах.
При использовании старой системы для сообщения системных данных требовался циклический опрос / ответ всех станций, что могло занять пять минут или больше, если возникала проблема со связью. Эта задержка ограничивала возможность просмотра данных в реальном времени и эффективного удаленного мониторинга системы в целом. Сотрудники коммунальных служб иногда пропускали всплески данных, которые указывали на проблему до срабатывания активного сигнала тревоги. Старая система ограничивала работников реагированием на сигналы тревоги вместо более эффективного прогнозного подхода к техническому обслуживанию на основе исторических данных.
Теперь все полевые станции работают независимо друг от друга с MQTT. Если на какой—то из них возникнет проблема, остальная часть системы не будет отключена вместе с ней. Общесистемные обновления и данные о сигналах тревоги становятся доступны за считанные секунды. История разработки баз данных на языке структурированных запросов (Structured query language, SQL) теперь позволяет создавать простые отчеты и проводить анализ данных. Отчетность о соответствии требованиям по итогам года также была преобразована, что дало возможность избавиться от трудоемкого ручного анализа и добиться значительной эффективности и экономии времени при ее подготовке.
Система управления водными ресурсами озера Сильван Лейк и полученные данные надежны. Те, кто работает с системой, могут общаться с командой централизованно. Ее внедрение уменьшило число точек отказов и избавило от необходимости ездить от станции к станции для проверки и мониторинга инфраструктуры по нескольку раз в день. Надежность связи полевых радиостанций составляет почти 100%.
Сейчас продолжаются работы по запуску двенадцати городских очистных сооружений с той же возможностью масштабируемости и расширения по мере необходимости.