Системи за дистанционен контрол и управление на водоснабдителни обекти

доц. д-р инж. Емил Алтимирски, ТУ-София

Cистемите за дистанционен контрол и управление на отдалечени водоснабдителни обекти представляват съвкупност от апаратни и програмни средства, осигуряващи получаването и предаването от обекта към диспечерския пункт на информация за състоянието на определени технологични параметри и изпращане от диспечерския пункт към обекта на команди за промяна на режима на работа на съоръженията.

Обменът на данни се извършва чрез радиовръзката, GSM, GPRS и други видове комуникация. В България функционира Единна национална система за управление на водоснабдяването (ЕАСУВ), разработена преди 25 години в Технически университет-София и усъвършенствана и внедрявана до днес, с която в момента работят над 3000 водоснабдителни обекта с над 300 диспечерски пункта.

Йерархични нива на системите
Съвременните системи за дистанционен контрол и управление са изградени на няколко йерархични нива. На най-ниското ниво са преобразувателите и изпълнителните устройства. Преобразувателите, наричани още датчици, преобразуват в електрически сигнали измерваните параметри – ниво, налягане, дебит и т. н. Изпълнителните устройства осигуряват изпълнение на подадените команди за промяна на режима на работа на съоръженията – например включване и изключване на помпени агрегати, затваряне и отваряне на спирателни кранове и т. н.

На по-високото ниво са устройствата за събиране, първична обработка и предаване на данните от група съоръжения, обособена технологично и пространствено. Те носят названието “радиотерминали”, “терминални станции”, “периферни станции”, “изпълнителни пунктове”, “обектови станции”, “локални контролери”, “периферни контролери”, “автоматични станции” и т. н.

Съвкупността от всички апаратни средства, осигуряващи дистанционния контрол и управление на обекта, се нарича “терминална станция”, но понякога с това име може да се означи и отделният радиотерминал (контролер).

В съвременните системи радиотерминалите са изградени на базата на еднокристални микрокомпютри - микроконтролери, при които в една интегрална схема е поместена цяла компютърна конфигурация - процесор, програмна и оперативна памет, таймери, схема за начално установяване, интерфейсни схеми, електрически изтриваема постоянна памет (ЕЕПРОМ), серийни и периферни интерфейсни адаптери, часовник за реално време, многоканални аналогово-цифрови преобразуватели и др.

На най-високото ниво на системите за дистанционен контрол и управление е диспечерската станция. Тя включва компютър, радиостанция и модем за връзка със съответната комуникационна система, например модем за връзка между компютъра и радиостанцията. За GSM-GPRS комуникацията не е необходим модем, а само връзка с Интернет.

В някои случаи се ползва и широкомащабна мнемосхема (мнемосхемата на “Енергоснабдяване” - Смолян е над 15 квадратни метра), която се управлява от диспечерския компютър и дава подробна информация за всички измервани параметри. Желателен елемент от диспечерската станция е резервно захранване (UPS).

В някои от големите диспечерски пунктове има по няколко компютъра за следене на отделни технологични групи. В големите диспечерски системи има по няколко диспечерски пункта, разположени в различни селища и сгради и свързани по определен начин, като един от тях е централен. Всички получени данни и изпратени команди в диспечерския пункт се запомнят на твърдия диск на компютъра за по-нататъшен анализ и проверки. Достъпът до системата е с пароли.

Автономен режим на управление
Автономният режим на управление се състои в предаването на радиокоманди от един обект до друг без участието на диспечерската станция. При този режим терминалните станции вземат сами решение за изпращане на команди до други станции. Например при достигане на горно водно ниво на водоем и опасност от преливане се задейства най-горният авариен нивосигнализатор и автоматично се изпраща радиокоманда за спиране на помпения агрегат в помпената станция, която подава вода към този водоем. От една терминална станция команда може да се изпраща към един или повече отдалечени обекти.

Първата област на приложението на този режим е като спомагателен или резервен режим при наличие на диспечерска станция и служи да се поддържа технологичният режим на водоснабдителната система при отпадане на диспечерската станция, при грешни действия на диспечера, при нарушаване на радиовръзката и други подобни ситуации, когато диспечерската станция не осигурява правилно протичане на технологичния процес и се достигат нежелани стойности на параметрите.

Втората област на приложение е самостоятелното ползване на този режим при технологични групи от малък брой обекти без наличието на диспечерска станция. Той се ползва на стотици места у нас при водоснабдителните системи на малки селища, състоящи се от една или две помпени станции и един или два водоема. Той се прилага успешно за тези цели и при водоеми без мрежово електрозахранване, благодарение на специални радиотерминали с вградена батерия или ползващи акумулатор и слънчева батерия.

Има случаи, когато на този режим разчитат и големи предприятия със сложна водоснабдителна мрежа, където диспечерската станция управлява системата само в работно време, а през останалата част на денонощието и в празнични дни се разчита само на автономния режим и не се ангажира денонощно диспечер. В последния случай може да се ползва и напълно автоматично управление от диспечерския компютър без участието на оператор.

Дистанционно измерване на водно ниво
Измерването на водното ниво във водоемите се реализира по два основни начина - чрез аналогови нивомери, и чрез дискретни нивосигнализатори. Аналоговият нивомер осигурява на изхода си първичен сигнал в аналогов вид и ако е добре изпълнен и монтиран реално може да осигури точност от порядъка на 0,5-1%. За да се включи в диспечерската система, изходният аналогов сигнал трябва да се превърне в цифров чрез аналогово-цифров преобразувател, като повечето модерни нивомери имат вграден такъв. Аналоговите нивомери работят на различни принципи.

Най-често използван е капацитивният нивомер, при който се измерва капацитетът на диелектрика на проводник, поставен във водата. Използва се честота от порядъка на десетки и стотици килохерци, а за диелектрик се избира устойчив материал като силикон, тефлон, стабилизиран полиетилен и т. н. Водата се явява вторият проводник в измервания кондензатор. Капацитивният нивомер е подходящ за чисти води.

За отпадни води се предпочита ултразвуков нивомер, при който уредът се поставя над водата. Той излъчва ултразвуков импулс, който се отразява от водата и се приема от уреда. По времето за отиване и връщане се определя разстоянието до водната повърхност, а оттам и нивото. За отстраняване на влиянието на вълните и отраженията от околните страни и други предмети се прави многократно измерване и данните се обработват от вградения микрокомпютър. За компенсиране на промяната на скоростта на звука във въздуха при промяна на температурата в нивомера се вгражда термометър.

В автоматизираните системи за дистанционно управление на водоснабдяването най-често се използва манометричният метод за аналогово измерване на нивото, при който манометър се свързва към някоя от тръбите в долната част на водоема и измерва хидростатичното налягане.

За малки водоеми се предпочита измерването да се извършва в няколко точки с датчици, наречени нивосигнализатори. Те биват електромеханични и електроконтактни. Електромеханичните нивосигнализатори (например тип МУНД) се състоят от поплавък с магнит и рид-ампула, която включва контакта си при достигане на поплавъка до нея при повдигането му от водата. Тези нивосигнализатори са най-често използваните поради удобното им свързване към радиотерминалите, но имат по-ниска надеждност.

Електроконтактните нивосигнализатори, наричани още електроди, представляват метална пластина, която осигурява галваничен контакт с водата. Те са с висока надеждност, но изискват специална електронна схема на входа на контролера, за да могат да бъдат включени към него. При тях опасността от мълнии е по-висока и трябва да се вземат подходящи мерки за предпазване.

Измерване на водни количества и моментен разход
Измерването на водни количества и моментен разход в автоматизираните системи за дистанционно управление на водоснабдяването се извършва главно чрез механични водомери с електрически изход и ултразвукови разходомери. Останалите видове разходомери, почиващи на електромагнитен, оптичен, топлинен, йонизационен, манометричен, ядреномагнитен и др. принципи, засега намират по-малко приложение във водоснабдяването у нас.

За измерване на по-малки водни количества и моментен разход се използват механични водомери с фабрично вграден датчик – електромеханичен контакт, който се задейства при преминаване на определено количество вода. За по-старите модели радиотерминали в ЕАСУВ се осигуряват устройства тип КБВ (компютърен брояч за водомери), които непрекъснато следят импулсите от водомерите и обработката на данните от тях за получаване на данни и за моментния разход.

Тези устройства са с микрокомпютър и имат вградена батерия, като продължават да функционират и при отпадане на мрежовото електрозахранване. Така не се губят данните за преминалите количества. Новите модели радиотерминали осигуряват изпълнението и на тази функция без външни устройства, но трябва да имат резервно акумулаторно захранване.
За измерването на големи водни количества и моментен разход се ползват ултразвукови разходомери. Тези разходомери измерват скоростта на водния поток и определят моментния разход на вода. От него се изчислява с натрупване и общото преминало водно количество. Те имат електронен архив с голям обем, електрически изход за моментния разход във вид на импулси и/или аналогов изход.

Измерване на тока на помпените агрегати
Дистанционното измерване на тока на помпените агрегати в автоматизираните системи за дистанционно управление на водоснабдяването е разпространена и важна дейност, тъй като този ток е свързан със състоянието на помпения агрегат и защитните му възли, електрозахранването, коефициентът на полезно действие, наляганията на входа и изхода и ред други важни параметри.

По тока на помпения агрегат може да се предскаже и повреда в него и да се вземат своевременно мерки. Измерването се извършва, като се използва един или три токови трансформатора на захранващите шини на отделния помпен агрегат или на общите шини при малка помпена станция с два агрегата - основен и резервен. Най-често се ползва съществуващият токов трансформатор за амперметъра на силнотоковото ел. табло, за да има еднаквост на местните показания и дистанционно отчетените, както и от гледна точка на икономии.

Управление на помпени агрегати
Управлението на помпените агрегати се извършва от радиотерминалите чрез помощни електромеханични или електронни релета по радиокоманда или от програмата за местно управление. Релетата се включват в оперативната верига на контакторите на помпените агрегати и осигуряват включването и изключването му.

При управлението на помпения агрегат е задължително да се контролира от диспечерската система и сигнален контакт от пускателя, за да се знае дали агрегатът работи, както и изходът на релето за авария. Към оперативната верига на помпения агрегат трябва да се монтира и превключвател за режимите на работа - “изключен”, “включен ръчно” и “дистанционно управление”, положението на който посредством една от секциите също да се следи от радиотерминала, респективно в диспечерския пункт.

Ако към агрегата има система за местна автоматика, например по нивото от черпателния и/или напорния водоем, превключвателят трябва да има и положение “местна автоматика”, като двата режима - дистанционно управление и местна автоматика, могат да работят съвместно на положение дистанционно управление.

Управление на спирателни кранове и вентили
Дистанционното управление на спирателни кранове и вентили се ползва широко в изградените системи за управление на водоснабдяването и осигурява позиционното им (отворено/затворено) или плавно отваряне и затваряне. Чрез тях се спира и пуска водата в определени клонове от водоснабдителната мрежа, плавно и точно се регулира дебитът и налягането дори в отдалечени точки от мрежата и въобще се осигурява изпълнението на оптимален технологичен режим.

С дистанционно управлявани спирателни кранове се реализира режимът на водоподаване при недостиг и в най-големите градове.
Командите, които се изпращат за управление на крановете, са три вида: отворен/затворен (по крайните изключватели), процентно отваряне по потенциометър, манометър или дебитомер и отваряне/затваряне за зададено време (например за крановете без потенциометър).

При управлението на спирателните кранове трябва да се имат предвид и възникващите хидравлични удари при бързо затваряне на крана, особено при големи диаметри.
Специално внимание се обръща на ползването на управлението на водните потоци чрез мембранни вентили вместо чрез спирателни кранове.

Практиката показа, че те са по-надеждни, а чрез поставянето на магнет-вентил във веригата за обратна връзка на клапана той може да се управлява дистанционно, дори само с енергията от малката акумулаторна батерия на радиотерминала. С поставянето на няколко магнет-вентила паралелно и регулиране с индивидуални кранчета на дебита през всеки от тях може да се реализира стъпково отваряне на спирателен кран.

Намаляване на загубите на вода и електроенергия
Икономията на вода и на електроенергия се реализира изключително ефикасно чрез автоматизираната система за дистанционно управление. Основните пътища за икономии са следните:
Икономия на върхова електроенергия. Най-радикалното решение, което се ползва в някои предприятия, е поставянето на часовници в помпените станции и пълно спиране на захранването в часовете на върхова електроенергия. Такова грубо решение рядко е оправдано, защото неминуемо води до спиране на водоподаването в часове с максимална консумация, а оттам до негативен социален ефект и непродаване на водни количества.

Ето защо ние препоръчваме и масовата практика е чрез диспечерската система водоемите да се подържат на различно ниво според часовата зона. Например те да се напълват до 100% по време на нощната тарифа, да се поддържат на определено по-ниско ниво според конкретния случай по време на дневната зона и да се поддържат на още по-ниско ниво според очаквания разход по време на върховата зона.

Пълно спиране на преливането на водоемите. В повечето мрежи се правят опити за решаване на въпроса с преливането на водоемите чрез ползването на часовници в помпените станции и поплавък-вентили и контактни манометри. При използване на часовник не се отчита изпразването или преливането на водоема, а още по-малко оптималното му напълване според часовата зона и икономията не може да бъде задоволителна.

Поплавък вентилите, които затварят вливната тръба на водоема и повишават налягането в напорния водопровод, за да се задейства контактният манометър в помпената станция, са ненадеждни и много рядко се ползват. При по-малка денивелация, респективно налягане, се ползва само контактен манометър, но точността и надеждността и в този случай е ниска. Единствен сигурен и точен начин е дистанционното управление по нивото в напорния водоем АСУВ. Особено прост, ефикасен и широко прилаган за тези случаи е автономният режим на работа на радиотерминалите.

Поддържане на оптимално налягане във водопроводните мрежи. Диспечеризацията е единствената възможност за поддържане на оптимално налягане във водопроводните мрежи през цялото денонощие, защото само тя осигурява поддържане на налягането в определена отдалечена точка от мрежата чрез управление на съоръженията в друга отдалечена точка. Алтернативата е самостоятелен мембранен вентил, но той може да поддържа налягането само в изхода си, но не и според това в отдалечена точка.

За реализиране на режим на оптимално налягане в мрежата се изграждат определен брой точки за дистанционно измерване на налягането. Така се получава представителна картина за състоянието на цялата мрежа и няма опасност в една точка налягането да падне под необходимия минимум или да се покачи ненужно много. Поддържането на оптималното налягане се извършва посредством система от спирателни кранове, помпи и вентили и води до значителни икономии от вода поради намаляване на течовете и загубите при аварии, особено нощно време.

Наблюденията показват, че в повечето водоснабдителни системи у нас нощният разход на вода не се отличава много от дневния. Причината е, че намаляването на потреблението на вода от абонатите води до повишаване на налягането, а оттам и до увеличаване на течовете в мрежата.

Икономия на електроенергия чрез ползване на по-евтини водоизточници. В повечето водоснабдителни системи се ползват два и повече водоизточника с различна енергоемкост на добива на вода. Диспечерските системи позволяват да се контролира необходимостта от вода в дадения момент и в близка перспектива и да се ползват източниците, осигуряващи най-ниска себестойност на водата.

Намаляване на загубите от аварии, течове, кражби и др. Система от дистанционно контролирани в реално време разходомери като част от диспечерската система може да дава баланса на водните количества и незабавно, дори автоматично, да открива и локализира течове в мрежата и преразходи на вода, свързани с аварии и кражби. Системата позволява бързо откриване на задръствания във водовземните съоръжения, спирания на помпените агрегати и други повреди при водоизточниците.

Диспечерската система може да доведе до реални икономии в много реални случаи, когато местната автоматика не се справя със защитата на двигателите, отварянето и затварянето на технологичните кранове пред помпените агрегати след пускането и спирането им. Повишаването на технологичната дисциплина вследствие на непрекъснатия дистанционен контрол на съоръженията, а оттам и на работата на персонала, също дава многостранен ефект както чрез подобряване на непосредствената експлоатация на съоръженията, така и чрез подобряване на профилактиката, присъствието на обектите (чрез проследяване на записите от системата за охрана) и т. н.