Monitoring i zdalne sterowanie rozproszonymi obiektami zgodne z Industry 4.0

Kontakt w sprawie artykułu: Joanna Kowalkowska - 2016-06-01

Z tego artykułu dowiesz się:

Jakie korzyści przynosi zdalny monitoring
Jak zbudowany jest system monitoringu
Jak wygląda proces wdrożenia

Jednym z możliwych usprawnień jest zdalny monitoring przy pomocy systemów informatycznych i automatyki ze zdalną transmisją danych pomiarowych i sterujących.

Takie rozwiązanie pozwala połączyć rozproszone obiekty w jeden spójny system centralnego monitoringu i zdalnego sterowania. Jest to podejście zgodne z ideą Industry 4.0 w zakresie Smart Maintenance, rozumianym jako zwiększenie autonomiczności obiektów, mocniejszą integrację urządzeń oraz co najważniejsze znaczącemu usprawnieniu zarządzania utrzymaniem ruchu i wsparcia.

Tradycyjne metody nadzoru w rozproszonych w obiektach infrastruktury krytycznej np. w branży wodno-kanalizacyjnej czy energetyce obejmują codzienny objazd obiektów przez służby techniczne w celach kontrolnych lub pomiarowych oraz lokalną obsługę. Takie działanie może powodować wiele trudności w lokalizowaniu miejsc wystąpienia awarii oraz długie przestoje.

Alternatywnie można zastosować zcentralizowany system, który bez potrzeby wyjazdu w teren pozwoli: precyzyjnie diagnozować miejsca wystąpienia usterek, skrócić czas obsługi awarii, zwiększyć bezpieczeństwo obiektów przed nieuprawnionym dostępem oraz podnieść ich samoobsługowość. Ponadto, dzięki dostępowi do bieżących i historycznych danych z wszystkich obiektów i urządzeń pomoże zminimalizować czasy przestojów i pozwoli precyzyjne planować modernizację obiektów.

Dlaczego to się opłaca?

Podstawowym celem systemów zdalnego sterowania i monitoringu jest obniżenie kosztów produkcji i eksploatacji, poprzez automatyzację procesu technologicznego i usprawnienie dostępu do informacji o stanie procesu. W rezultacie skraca się również czas reakcji nadzoru na stany awaryjne.

Włączenie systemu w infrastrukturę informatyczną przedsiębiorstwa wyposaża kadrę kierowniczą w narzędzia wspomagające procesy decyzyjne dotyczące ekonomiki zakładu. Są to analizy techniczne i ekonomiczne w postaci tabel i wykresów generowanych na podstawie danych z systemu.

Wraz z modernizacją instalacji oraz geograficznym rozproszeniem obiektów technologicznych, system monitoringu i sterowania można w dowolnym momencie elastycznie dopasować do aktualnie stawianych wymagań. Łatwość integracji z powszechnie dostępnymi systemami sterowania oraz otwartość na wymianę danych z innymi rozwiązaniami stosowanymi w przemyśle, pozwala na zbudowanie jednego, spójnego systemu nadzorującego, dostarczającego w dowolnej chwili wiarygodnych informacji.

Firma	Cele	Rozwiązanie-referencja
Zakład Usług Komunalnych w Miękini	Oszczędność energetyczna na poziomie 22%	System sterowania podnoszący sprawność energetyczną Stacji Uzdatniania Wody (SUW) w Brzecinie
Zakłady Azotowe w Tarnowie-Mościcach	Niezawodność i niższy koszt eksploatacji Ciągłość pracy poprzez zastosowanie redundantnego sterowania Włączenie do ogólnozakładowej sieci zbierania danych	Nadzór i sterowanie Stacją Uzdatniania Wody w strategicznej dla Elektrociepłowni instalacji
Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji S.A. w Krakowie	Skuteczna diagnoza i eliminacja awarii Pełna diagnostyka i analiza systemu sterowania wraz z wizualną prezentacją stanów połączeń komunikacyjnych, czasu skanów poszczególnych sterowników PLC Możliwość dokonywania bardzo skomplikowanych analiz parametrów Bieżący podgląd wartości napięć, prądów oraz stanów aparatury elektrycznej wszystkich rozdzielni elektrycznych zarówno ŚN jak i NN	Sterowanie i wizualizacja łącznie z raportowaniem i archiwizacją danych całego procesu technologicznego oczyszczani ścieków
PWiK „Nysa” Sp.z o.o. w Zgorzelcu	Zwiększenie ilości i szczegółowości danych Wyższa użyteczność systemu, dzięki możliwości generowania raportów i trendów Kontrola pracy operatorów oraz identyfikacja sytuacji alarmowych Skrócenie czasu prac serwisowych	Wizualizacja i zdalne raportowanie pracy Zakładu Stabilizacji Osadów Ściekowych w Jędrzychowicach
Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Skarżysku – Kamiennej	Obniżenie kosztów funkcjonowania firmy o około 5% Usprawnienie zarządzania przedsiębiorstwem Szybkie wykrywanie awarii sieciowych	System sterowania i ciągłego monitorowania oraz gromadzenia danych o pracy rozproszonych obiektów wodociągowych
Regionalne Wodociągi i Kanalizacje w Białogardzie Sp. z o.o.	Poprawa wydajności i mocy przerobowych oczyszczalni z 40 aż do 70% Skrócenie czasu diagnozowania i usuwania awarii Eliminacja niekontrolowanych zrzutów ścieków do odbiorników Pomnożenie dochodów o zyski pochodzące z odbioru ścieków od mieszkańców	Rozproszony system sterowania i monitoringu sieci wod-kan poprzez sieć sieć radiomodemowi

Tabela 1. Przykładowe korzyści, jakie uzyskały polskie firmy z branży wodno-kanalizacyjnej po wdrożeniu systemu zdalnego monitoringu i sterowania;
Źródło: ASTOR Sp. z o.o., www.astor.com.pl/wod-kan

Jak zbudowany jest taki system?

Strukturę systemu monitoringu i zdalnego monitoringu najłatwiej przedstawić w oparciu o 3 warstwy: aplikacyjną, sterowania i komunikacji.

Warstwa aplikacyjna – budowana jest w oparciu o sprzęt komputerowy z oprogramowaniem odpowiedzialnym za gromadzenie, wizualizację i przetwarzanie danych obiektowych w czasie rzeczywistym oraz za ich archiwizowanie. Najczęściej stosuje się tu oprogramowanie zgodne z wytycznymi dla systemów klasy SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) oraz HMI (Human-Machine-Interface) w połączeniu z modułami raportowania i analizy danych. Wśród aspektów, które warto wziąć pod uwagę wybierając takie oprogramowanie warto wskazać:

możliwość wykorzystania wspólnej bazy aplikacji dla wszystkich serwerów i rozproszonych stacji monitoringu oraz jednej bazy użytkowników;
możliwość tworzenia, modyfikowania i zarządzania aplikacją z jednego centralnego punktu;
możliwość jednoczesnego projektowania aplikacji przez kilku inżynierów;
możliwość grupowania zmiennych, skryptów, konfiguracji alarmów, zdarzeń i logowania historycznego związanych z konkretnymi fizycznymi urządzeniami w obiekty;
możliwość wielokrotnego wykorzystania szablonów obiektów poprzez ich powielanie w prosty sposób;
możliwość wykorzystania gotowych szablonów graficznych, dedykowanych dla branży;
możliwość automatycznego logowania zmian dokonywanych w aplikacji przez inżynierów;
możliwość zabezpieczenia kluczowych elementów systemu przed niedostępnością i awariami poprzez zastosowanie wbudowanych mechanizmów redundancji serwerów oraz stacji wizualizacyjnych.

monitoring zdalne sterowanie SCADA ASTOR 1 — Rys. 1. Przykładowy ekran wizualizacyjny z systemu SCADA

Warstwa komunikacji – jej trzon stanowi transmisja bezprzewodowa, najczęściej stosowane są tu radiomodemy, modemy gsm lub routery wi-fi oraz inne urządzenia uzupełniające jak: switche, rutery przemysłowe czy konwertery komunikacyjne. Dobierając system transmisji warto zwrócić uwagę na:

możliwość przesyłania danych online bez ograniczeń przy zachowaniu stałych opłat transmisyjnych (niezależnie od ilości przesyłanych danych i liczby obiektów);
możliwość łatwego dodawania kolejnych obiektów, najlepiej za pomocą graficznego edytora do projektowania tras komunikacyjnych;
możliwość serwisowania infrastruktury sieciowej w dowolnie zaplanowanym momencie;
możliwość zabezpieczenia przed zakłóceniami z innych sieci;
możliwość zabezpieczenia przed przerwami w dostępności sieci;
możliwość zarządzania siecią i prowadzenia diagnostyki wszystkich urządzeń transmisyjnych w sposób zdalny;
możliwość prowadzenia redundantnej transmisji danych (ważne dla infrastruktury krytycznej).

monitoring zdalne sterowanie warstwa komunikacji ASTOR — Rys. 2 Elementy warstwy komunikacyjnej

Warstwa sterowania – budowana w oparciu o kompaktowe i modułowe sterowniki PLC, układy wejść/wyjść, panele operatorskie, przemienniki częstotliwości. Zapewnia wydajną pracę obiektów technologicznych i maszyn oraz gromadzi kluczowe dane dotyczące procesu. Dobierając system sterowania należy zwrócić uwagę na funkcje i parametry, np. dla sterowników PLC mogą być to:

możliwość wymiany danych w najbardziej popularnych sieciach, np. Modbus RTU/Modbus TCP, Profibus/Profinet;
możliwość łatwego rozbudowania o dodatkowe moduły sygnałowe dyskretne i analgowe oraz o moduły specjalistyczne i komunikacyjne ;
możliwość szybkiego sterowania sygnałami dyskretnymi i analogowymi;
możliwość programowania sterownika i wymiany modułów na ruchu;
możliwość budowania programów sterujących w wielu językach, np.: LD, ST, FBD, C;
możliwość obsługi zaawansowanych funkcji w programie sterującym (funkcje matematyczne, regulacja PID, przerwania sprzętowe, itd.);
możliwość prowadzenia lokalnej diagnostyki w oparciu o zestaw diod LED;
możliwość pracy w układzie redundancji (ważne dla infrastruktury krytycznej).

monitoring zdalne sterowanie warstwa sterowania ASTOR — Rys 3. Elementy warstwy sterowania

Jak wygląda proces wdrożenia?

Pierwszym etapem wdrożenia systemu zdalnego monitoringu i sterowania jest opracowanie podstawowych założeń systemu, uzgodnienie celu i przegląd potencjalnych dostawców. Następnie budowana jest koncepcja techniczna rozwiązania spełniająca założone cele, analizowane są koszty i powstaje szkic harmonogramu wdrożenia.

W tej fazie należy również dokładnie zbadać możliwości współpracy nowego systemu z istniejącą infrastrukturą oraz może zostać podjęta decyzja o uruchomieniu aplikacji pilotażowej. Kolejny etap to uruchomienie projektu i realizacja, dobór partnerów wdrożeniowych oraz konsultacje techniczne i koncepcyjne. Ostatnim etapem powinno być sprawdzenie efektów i wprowadzanie usprawnień. Jest to również dobry czas na dodatkowe szkolenia i konsultacje z zakresu utrzymania i rozwoju systemu.