EDGE-контроллеры в современной системе управления водоснабжением

В области автоматизации и управления распределением воды возможность работы над новыми проектами с нуля («гринфилд») в сравнении с модернизацией действующих объектов («браунфилд») дает возможность предложить решение с применением цифровых технологий, которое заложено в проект, а не предполагает доработку существующего решения.

Для инжиниринговой компании, которой поручена системная интеграция такого проекта, «гринфилд» представляет собой, в рамках бюджетных и временных ограничений, возможность применения новых технологий, позволяющих оптимизировать производительность, уменьшить занимаемую площадь, учесть текущие и будущие требования к системам и обеспечить усовершенствованный механизм обслуживания и эксплуатации на местах. Этих преимуществ достаточно, чтобы заставить любого системного интегратора еще раз взглянуть на передовые системы автоматизации и управления.

Вызовом и возможностью построить «гринфилд» является проект Neom — крупнейший в мире проект нового городского развития, строящийся в Саудовской Аравии. Проект представляет собой мегаполис, включающий крупный центр города, а также острова, пляжи и горы. Компания Drakken, базирующаяся в Дубае (ОАЭ), была выбрана в качестве основного подрядчика по автоматизации (MAC) для обеспечения автоматизации системы водораспределения Neom.

Предпосылки

Система Neom протянулась примерно на 65 км (40,4 мили) по прибрежной местности и на 75 км (46,6 мили) по горной местности, обеспечивая широкий диапазон экологических нагрузок. Источником пресной воды является опреснительная установка, а система включает в себя трубопроводы, насосные станции и резервуары для хранения воды. В условиях строящегося города система водоснабжения подает более 50 600 м³/сутки опресненной воды в основную зону застройки для строительства и потребления людьми.

Для обеспечения водоснабжения, необходимого во время строительства, а также для подготовки к расширению будущих потребностей, компании Drakken требовалась система управления и контроля водопровод­ной сети, обеспечивающая минимальные потери воды из-за утечек и испарения. Такая система должна поддерживать масштабируемое решение в условиях сложного пересеченного рельефа, которое можно было бы расширять по мере интенсивного строительства новых объектов. Критичность проекта требовала, чтобы система управления и контроля была кибербезопасной и обеспечивала высокую доступность без сбоев. Она должна была соединять разрозненные системы сторонних производителей, развернутые в общей архитектуре, и предусматривать единый мониторинг и управление.

Edge-контроллеры с возможностями ПЛК

Поскольку проект был новым и не требовал интеграции устаревшего оборудования, компания Drakken использовала для системы распределения воды edge-контроллеры. Такая конфигурация объединяет детерминированное и недетерминированное управление в реальном времени в одной гипервизорной платформе, обеспечивая возможности программируемого логического контроллера (ПЛК) и пограничной компьютерной системы в одном устройстве, что позволяет сэкономить затраты, место, время и снизить сложность интеграции.

Технология edge-контроллеров включает «внешний контур» и «управляющий слой», расположенный поверх контура управления «вижу-думаю-делаю» (рис. 1). Если внешний контур нарушается, то детерминированное управление в реальном времени остается незатронутым. Эта возможность позволяет пользователям подключаться к любому удобному облачному сервису, разрабатывать и запускать приложения для обработки данных на базе Linux совместно с системой управления для оптимизации процессов и улучшения результатов. Сочетание аналитики данных в рамках edge-технологии и управления в реальном времени позволяет получать информацию в реальном времени, обеспечивать гибкость, операционную эффективность и достигать более высоких показателей эффективности активов. Технология контроллера имеет базовую скорость сканирования до 200 мкс, переключение происходит быстро, как одно сканирование, с детерминированным управлением.

Рис. 1. «Внешний контур» и «слой рекомендаций» поверх типичного контура управления «вижу-думаю-делаю» — часть технологии Edge-контроллера CPL410 компании Emerson PACSystems. Изображения предоставлены Emerson

Предустановленное программное обеспечение технологии управления позволяет компании Drakken использовать контроллер в различных вариантах, например в качестве сопроцессора Linux, локального сетевого человеко-машинного интерфейса (HMI), регистратора — черного ящика и регистратора данных, а также для удаленного оповещения.

Компания Drakken внедрила эффективное программное обеспечение для интегрированного управления активами в рамках всего проекта с целью сокращения количества отказов, а также для обеспечения общего контроля цифрового состояния и профилактического и предиктивного обслуживания.

Компания также использовала системы управления более чем на 20 насосных станциях и в центре распределения воды для контроля работы насосов и клапанов. Для удовлетворения требований к эксплуатационной готовности решения по управлению включали встроенную избыточность. Резервные вводы питания обеспечивают более высокую готовность, надежность и производительность. Технология быстрого восстановления сети позволяет защитить критически важные приложения от перебоев в работе сети или временных сбоев.

Сбор и фильтрация данных

Edge-контроллеры, установленные на каждом объекте, собирают, анализируют и фильтруют оперативные данные на движке Linux и готовы к подключению и отправке информации в облако по протоколу MQTT (message queuing telemetry transport). Необходимость взаимодействия с широким спектром устройств сторонних производителей, таких как расходомеры, системы радиочастотной идентификации (RFID) на каждой станции системы тонкой очистки (TFS — trickling filter system) и многие другие, потребовала от систем управления и программного обеспечения гибкости и взаимодействия с устройствами и системами диспетчерского контроля, использующими стандартные протоколы связи для обеспечения максимальной совместимости и простоты эксплуатации. Варианты протоколов включают: DNP3, IEC 61850, IEC 104, HART pass-through, EGD, SRTP, Modbus-TCP/RTU, Profinet и OPC UA. Контроллеры осуществляют высокоскоростной сбор данных и управление в сложной архитектуре с несколькими оптоволоконными кольцами, используя различные промышленные протоколы для подключения более чем к 500 внешним устройствам (рис. 2).

Рис. 2. Коммуникационные возможности Emerson PACSystems

Компания Drakken выбрала для взаимодействия с контроллерами современную программную платформу на базе системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), в том числе благодаря ее масштабируемости, позволяющей поддерживать неограниченное количество меток на резервных серверах. Программное обеспечение собирает и анализирует данные для обнаружения и локализации утечек по всему трубопроводу через каждые 10 м. Данные, полученные с помощью меток, хранятся в течение пяти лет, прогнозируются на случай сбоев и используются для упреждающего устранения неисправностей, что позволяет повысить эффективность использования капитала, снизить эксплуатационные расходы и ускорить окупаемость инвестиций.

Платформа автоматически импортирует метки программируемых логических контроллеров (ПЛК), предотвращая ошибки и экономя время ввода в эксплуатацию. Конфигурация веб-клиента программы позволяет осуществлять удаленный доступ через любое мобильное устройство. Значимость возможности удаленного доступа будет возрастать по мере увеличения размеров и сложности системы водоснабжения.

Условия работы

Для удовлетворения самых разных требований к окружающей среде компания Drakken использовала системы управления, работающие при температуре –40…+70 °C с момента запуска и в диапазоне влажности 5–95% без конденсации. Современная технология управления позволяет работать в экстремальных условиях без использования вентиляторов, которые могут выйти из строя. В отличие от стандартных контроллеров, требующих дросселирования для работы в условиях сильного нагрева, новая технология позволяет системам управления стабильно функционировать при очень высоких температурах, не снижая эффективности управления.

В аппаратуре управления предусмотрены виброустойчивые компоненты и соединения, что сводит к минимуму количество отказов и обеспечивает надежную работу в условиях быстрого движения, перемешивания или высокой ударной нагрузки. Непроводящее конформное покрытие создает защитный барьер для электрических компонентов от загрязнения, влаги и коррозии, возникающих в тяжелых или экстремальных условиях эксплуатации.

Обеспечение кибербезопасности

В дополнение к физической безопасности Neom требовалась надежная киберзащита. Система, реализованная компанией Drakken, использует философию secure-by-design (безопасного проектирования), включая модуль доверенной платформы (TPM), безопасную загрузку и безопасное обновление прошивки. Комплексная стратегия безопасности предусмотрена на всех уровнях — от аппаратного и программного обеспечения до коммуникаций и процесса разработки (рис. 3).

Рис. 3. Безопасный обмен сообщениями в Emerson PAC Security Center

Система использует технологию безопасного проектирования, что позволяет проверять и подтверждать целостность жизненно важных компонентов системы. Защищенные коммуникации способны предотвратить несанкционированный доступ злоумышленников к контроллеру. Сертификация Achilles 2 гарантирует защиту от кибератак типа «отказ в обслуживании» (DoS) или «человек посередине», а также от несанкционированного изменения микропрограммного обеспечения.

Ритеш Контрактор (Ritesh Contractor), менеджер по развитию бизнеса компании Drakken, сказал: «Передовые решения в области управления полностью объединяют водораспределительную сеть для Neom с помощью развитого Интернета, обеспечивая минимальные потери воды, выводя Neom на передовые позиции в области водных технологий и гарантируя высокую экологичность».

Хотя немногие системные интеграторы сталкиваются с необходимостью автоматизации и управления новым городом, приложение Neom демонстрирует шаги, которые может использовать любой системный интегратор. Применение новых технологий для модернизации ранее спроектированных систем может обеспечить потенциальную экономию пространства и сложности, что способствует экономии средств, снижению рисков и повышению уровня безопасности.