کاربرد تله متری و اسکادا در شبکه آبرسانی – بخش اول: اصول و مبانی

تله متری و اسکادا در شبکه آبرسانی

نظر به گسترش روز افزون شهرها و نیاز به فراهم آوردن شبانه روزی آب شرب برای مجموعه های شهری، نیاز به مدیریت صحیح در توزیع آب بیش از پیش احساس می گردد. بر این اساس جهت مدیریت در توزیع آب شهری، لزوم جمع آوری اطلاعات، پردازش آن و در نهایت، ارسال دستورات باید مد نظر قرار بگیرد.

امروزه فناوری تله متری (Wireless Telemetry) و کنترل از راه دور اسکادا (SCADA) به عنوان ابزاری پر قدرت جهت جمع آوری و ذخیره اطلاعات در سراسر دنیا شناخته شده است. این شاخه از مهندسی به عنوان ابزاری بسیار مهم در جهت مدیریت منابع و سنجش از راه دور مطرح می گردد. بیش از چندین دهه است که این فناوری در سراسر دنیا و در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد. با رشد روز افزون فناوری هایی نظیر مخابرات سلولار و مخابرات ماهواره ای، به کارگیری این دانش با آسانی بیش تری امکان پذیر شده است.

انتخاب سیستم مطلوب برای انتقال اطلاعات در یک طرح، یکی از نقاط مهم و کلیدی است. در مواردی که فاصله ها بسیار زیاد باشد، موانع زمین مانع عبور یا دفن کابل در مسیر ایستگاه ها شوند و یا هزینه های ایجاد کابل خصوصی یا عمومی تلفن و کابل شبکه های توسعه یافته مقرون به صرفه نباشد؛ از این فناوری جهت ارسال اطلاعات استفاده می­ گردد.

 

هدف استفاده از این سیستم…

• جمع آوری، ذخیره و پردازش اطلاعات برای پیش برد اهداف مدیریت
• مانیتورینگ، کنترل از راه دور و بهره برداری با یک سیستم مرکزی
• آماده سازی اطلاعات بهره برداری (در شرایط طبیعی و یا وجود خطا) جهت کاهش تعداد دفعات بازدید از نقاط بهره برداری و به حداقل رسانی زمان و تجهیزات لازم برای رفع خطا

 

 

مزیت های این سیستم…

• افزایش دقت و کیفیت در بهره برداری
• دریافت سریع گزارشات به صورت لحظه ای
• جلوگیری از بروز هر گونه خطای عملکردی اپراتور
• مدیریت بحران
• برنامه ریزی با هدف دست یابی توسعه پایدار

1. اصول و مفاهیم

1.1 SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

به بخشی از مجموعه سخت افزاری و نرم افزاری مورد استفاده در اتاق کنترل مرکزی اطلاق می گـــردد، کـــه عملیات جمع آوری اطلاعات، پردازش آن ها، ارائه گزارش های استاندارد (شامل: Data های لحظه ای، ثبت اطلاعات، ساعت کارکرد تجهیزات، تعداد دفعات خرابی و…) را انجام می دهد.

 

1.2 RTU (Remote Terminal Unit)

به سیستم هایی اشاره دارد که اطلاعات خروجی از تجهیزات گوناگون را که به صورت آنالوگ یا دیجیتال هستند جمع آوری نموده و به اتاق کنترل مرکزی ارسال می نماید و یا دستورات ارسال شده از سوی اتاق کنترل مرکزی را برای روشن و خاموش شدن تجهیزات و یا باز و بسته کردن شیرآلات صنعتی ارسال می کند.

RTU ها اطلاعات را در حافظه داخلی خود نگهداری نموده و با دریافت فرمان، آن ها را به اتاق کنترل مرکزی ارسال می نمایند. این اطلاعات شامل سیگنال های آنالوگ مانند سطح مخازن، فشار آب دبی و سرعت بوده و سیگنال های دیجیتال شامل وضعیت روشن و یا توقف الکتروپمپ ها و وضعیت باز و بسته بودن شیرها می باشد.

 

1.3 RTU PLC-Base

در نقاطی که احتمال بروز مشکل ارتباطی وجود دارد، از سیستم RTU با امکان برنامه ریزی استفاده می ­شود تا بتوان ایستگاه های کنترل محلی را تا زمان برقراری مجدد ارتباط، کنترل نمود.

 

1.4 MTU (Master Terminal Unit)

MTU ها به صورت معمول در اتاق کنترل مرکزی نصب می گردند و وظیفه آن به شرح ذیل می ­باشد:

• جمع آوری اطلاعات
• ذخیره کردن اطلاعات
• ارسال اطلاعات به سایر سیستم ها
• برقراری ارتباط با اپراتور
• برقراری ارتباط با تجهیزات جانبی و مانیتور و پرینتر ها و …

 

1.5 PLC (Programmable Logic Controller)

PLC سیستمی است که اطلاعات را به صورت نرم افزاری و یا سخت افزاری به وسیله سیگنال های آنالوگ و یا دیجیتال دریــــافت می­ نماید و بر اساس برنامه ریزی انجام شده در آن و پس از پردازش اطلاعات نسبت به ارسال دستورات به صورت سیگنال های آنالوگ و یا دیجیتال اقدام می نماید.

 

1.6 Modem & Communication System

شامل پروتکل های مخابراتی و شبکه های فیزیکی انتقال اطلاعات می باشد. پروتکل مخابراتی، زبان مورد استفاده برای دریافت و انتقال اطلاعات بر روی شبکه بوده و پروتکل ها بر اساس هزینه دیتا، فاصله و شرایط نویزپذیری انتخاب می­ شوند.

شبکه های مخابراتی گوناگونی در سیستم های تله متری مورد استفاده قرار می گیرد، که انتخاب آن ها به محدودیت ها و هزینه ها وابسته است اما بیش تر اوقات استفاده از روش هایی با قیمت و یا سرعت انتقال پایین متداول تر است.

شبکه های مخابراتی بستر لازم را برای انتقال پیام از RTU به سیستم اسکادا، از RTU به RTU دیگر و بین دو سیستم اسکادا فراهم می سازد. به کارگیری سیستم های رادیویی شبکه های WAN و مخابرات ماهواره ای گزینه های مطلوبی محسوب می گردند.

مزایای استفاده از این سیستم را می توان چنین بیان کرد:

در این سیستم خرابی خطوط بسیار کم اتفاق می افتد، از هزینه تعمیرات به نسبت پایینی برخوردار است و  Redundancy (فراوانی) و قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارد.

باید دانست که در بحث مخابراتی سیستم، مودم های رادیویی باید در حالت Full Duplex کار کنند و قابلیت پشتیبانی پروتکل های DNP3.0 ,IEC870-5 ,MODBUS را داشته باشند. تجربه نشان می دهد که بــرای سیستم های اسکادا، پروتکل DNP3.0 بهترین مشخصات را در اختیار طراح قرار می دهد. هم چنین در شبکه رادیویی، مودم ها باید دارای مکانیزم جلوگیری از برخورد باشند.

لایه ها ی انتقال و مخابره اطلاعات را می توان مطابق شکل زیر دسته بندی نمود:

 

شکل (1). لایه ها ی انتقال و مخابره اطلاعات در سیستم SCADA

 

 

1.7 SCADA & Telemetry System

ایجاد سیستم تله متری و کنترل از راه دور اسکادا در شبکه آبرسانی، به دنبال اهداف زیر است:

• ثبات در فراهم آوری همیشگی و بهینه آب
• عیب یابی آنی با دریافت گزارشات لحظه ای جهت تسریع در عملیات تعمیر و توزیع آب
• کنترل مصرف انرژی و بهینه سازی کاربری رآکتورهای برقی

یک شبکه آبرسانی به صورت معمول از تعدادی Out Station تشکیل شده است. در این ایستگاه ها پس از جمع آوری اطلاعات از تجهیزات مستقر، داده ها به واحد کنترل مرکزی ارسال می گردند. اطلاعاتی که از ایستگاه های کنترل محلی به اتاق کنترل مرکزی منتقل و مانیتور می شود به طور کلی شامل موارد زیر است:

 

اطلاعات ارسالی از چاه ها:

• وضعیت روشن و خاموش یا توقف الکتروپمپ چاه
• میزان دبی آب خروجی از چاه
• میزان فشار آب خروجی از چاه
• میزان سطح آب در چاه
• وضعیت باز و بسته بودن شیر خروجی
• آلارم آب گرفتگی اتاقک چاه
• آلارم دود و حرکت در اتاقک چاه

 

اطلاعات ارسالی از مخازن و ایستگاه های پمپاژ:

• وضعیت روشن و خاموش یا توقف الکتروپمپ ها
• میزان دبی آب خروجی از تلمبه خانه
• میزان فشار آب خروجی
• میزان سطح آب در مخزن
• آلارم بالا و پایین بودن سطح آب مخزن
• آلارم بالا و یا پایین بودن فشار آب خروجی از تلمبه خانه
• وضعیت باز و بسته بودن تمام شیرها
• میزان آنالیز مواد شیمیایی (در صورت نیاز و با توجه به لیست ابزاردقیق های موجود در اسناد)

 

هدف از سیستم تله متری در شبکه آبرسانی

انجام سیستم SCADA تله متری به مجموعه اطلاعات جمع آوری شده از كلیه چاه ها، مخازن و ایستگاه های پمپاژ و مجموعه ابزاردقیق های منفرد موجود در سیستم اطلاق می گردد. با توجه به گسترش روز افزون سیستم توزیع آب شامل احداث مخازن، ایستگاه های پمپاژ و چاه های جدید، لازم است سیستم تله متری به گونه ای طراحی و اجرا گردد که قابلیت افزایش و کاهش دریافت و پردازش اطلاعات را داشته باشد. به عبارت دیگر، سیستم می بایست قابلیت توسعه پرسرعت در آینده را دارا باشد.

 

 

 

 

2. توصيف ايستگاه ها

به طور معمول ایستگاه های مورد استفاده در یک شبکه آبرسانی شامل بخش های زیر خواهد بود:

2.1. چاه ها

ولتاژ مورد استفاده در کلیه الکترو پمپ ها VAC 380 یا  400 VAC می باشد. سیگنال های دیجیتال برای سوئیچ ها و سیگنال های آنالوگ جهت اندازه گیری تجهیزات ابزار دقیق در نظر گرفته می شود.

برای کنترل و مونیتورینگ آسان تر موتورها بهتر است در هر موتور برقی 7 ورودی دیجیتال و 2 خروجی دیجیتال و در هر شیر برقی 7 ورودی دیجیتال و 2 خروجی دیجیتال در نظر گرفته شود. صورت دقیق این سیگنال ها به شرح زیر می­ باشد:

 

1. ورودی دیجیتال برای هر موتور

• Run Status
• Stop Status
• Fault Status
• Local- Remote
• PLC- CCR
• Start Push Bottom
• Stop Push Bottom

 

2. خروجی دیجیتال برای هر موتور

• Start Command
• Stop Command

 

3. ورودی دیجیتال برای هر شیر

• Open Status
• Close Status
• Fault Status
• Local- Remote
• PLC- CCR
• Start Push Bottom
• Stop Push Bottom

 

4. خروجی دیجیتال برای هر شیر

• Open Command
• Close Command

 

با دریافت این اطلاعات می توان نسبت به ارائه گزارش های زیر اقدام نمود:

• تعداد دفعات روشن و خاموش شدن الکتروپمپ ها در یک بازه زمانی مشخص
• ساعت کارکرد الکترو پمپ ها
• تاریخ زمان بروز خطا به صورت گزارش
• منحنی روشن و خاموش شدن الکترو پمپ ها در یک بازه زمانی مشخص (در صورت نیاز)

2.2. مخازن

تعداد سیگنال های در نظر گرفته شده جهت هر مخزن به طور معمول عبارت است از 6 ورودی آنالوگ و 2 ورودی دیجیتال که به شرح زیر است:

اطلاعات آنالوگ

• میزان فلوی ورودی و خروجی مخزن
• میزان سطح آب مخزن
• میزان فشار روی خط خروجی
• میزان کدورت آب
• میزان کلر موجود در آب

 

اطلاعات دیجیتال:

• آلارم سطح بالا و پایین آب موجود در مخزن

 

با دریافت اطلاعات سطح می توان نسبت به ارائه گزارش های زیر اقدام نمود:

• وضعیت لحظه های ارتفاع مخزن
• منحنی ارتفاع مخزن برحسب زمان
• آلارم سطح های بالا و پایین مخزن
• میزان فلوی ورودی و خروجی به صورت لحظه ای و نمودار زمانی
• میزان فشار در لحظه و نمودار زمانی
• میزان کدورت و کلر آب در لحظه و نمودار زمانی

 

2.3. ايستگاه های پمپاژ

ولتاژ مورد استفاده در تمام الکترو پمپ ها VAC 380 یا 400 VAC می باشد. سیگنال های دیجیتال برای سوئیچ ها و سیگنال های آنالوگ جهت اندازه گیری تجهیزات ابزاردقیق در نظر گرفته می شود.

هر موتور برقی 9 ورودی دیجیتال و 2 خروجی دیجیتال و هر شیر برقی 9 ورودی دیجیتال و 3 خروجی دیجیتال خواهد داشت، شرح دقیق این سیگنال ها در بخش چاه ها و در لیست ورودی/خروجی های سیستم موجود می باشد.

با دریافت این اطلاعات می توان نسبت به ارائه گزارش های زیر اقدام نمود:

• تعداد دفعات روشن و خاموش شدن الکتروپمپ ها در یک بازه زمانی مشخص
• ساعت کارکرد الکترو پمپ ها
• تاریخ زمان بروز خطا به صورت گزارش
• منحنی روشن و خاموش شدن الکترو پمپ ها در بازه زمانی مشخص (در صورت نیاز)
• منحنی وضعیت فشار خط
• آلارم بالا و پایین بودن فشار