Понятие цифровизации для предприятий водоснабжения многогранно. И, зачастую, под ним понимают внедрение:
- интерактивных систем предоставления информации потребителям;
- систем поквартирного учета потребления воды и новых биллинговых систем;
- паспортизации объектов и оборудования;
- геоинформационных систем, оцифровка данных о водопроводных сетях;
- систем диспетчеризации и спутниковых систем слежения за транспортом;
- новых технологий управления персоналом и бизнес процессами.
Эти функции важны, однако они носят вспомогательный и информационный характер по отношению к основному технологическому процессу водоснабжения и водоотведения. Основой цифровизации предприятий ВКХ является наличие объективных и оперативных данных о ходе технологического процесса водоснабжения и водоотведения в единой базе данных системы управления. Основным источником этих данных являются автоматизированные системы управления водоснабжением и водоотведением. Вместе с тем АСУТП ‒ не только источник данных, но и инструмент интеграции новых возможностей в технологический процесс.
При этом оптимизационный потенциал от внедрения цифровых решений в основной технологический процесс огромен. Он может быть реализован за счет усовершенствования АСУТП водоснабжения и водоотведения. Внедрение новых технологий автоматического управления принесет наиболее быстрый и прямой экономический эффект, за счет снижения энергопотребления и потерь воды, а также оптимизации эксплуатационных затрат.
Типовая структура АСУТП ВиВ многоуровневая, и состоит из:
- Полевого уровня, включающего в себя различный КИП (датчики давления, расходомеры и др.), исполнительные механизмы (насосные агрегаты, задвижки и др.)
- Среднего уровня, состоящего из локальных системы управления, на базе программируемых логических контроллеров, преобразователей частоты, а также средств сбора и передачи данных;
- Верхний уровень, предназначенный для организации единого централизованного управления системой водоснабжения, построенного на базе SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) систем – программного обеспечение для сбора данных, диспетчеризации и дистанционного управления, и геоинформационных систем (ГИС).
Цифровые технологии подразумевают, в первую очередь, обработку большого объема данных, поступающего от всех объектов, входящих в систему, а также их взаимосвязанное управление, поэтому их реализация должна происходить на верхнем уровне АСУТП.
Анализ показывает, что на сегодняшний день на рынке представлено два различных класса решений для систем управления городскими системами водоснабжения, а также их гибридные версии. К первому классу можно отнести решения на базе SCADA-систем, ко второму – ГИС.
Решения на базе SCADA представлены на рынке СНГ такими компаниями, как Siemens и Schneider Electric, существуют также и отечественные разработки. Главный недостаток представленных решений – малая технологическая содержательность: данные системы решают задачу диспетчеризации процесса, но не содержат алгоритмов оптимизации ни самих режимов водоснабжения, ни энергетических аспектов работы насосного оборудования. Принятие оптимизационных решений перекладывается на персонал, который в меру своей квалификации и мотивации решает оптимизационную задачу.
Ко второму классу относятся ГИС (например, решения компаний Bentley Systems, Политерм), которые в меньшей степени предназначены для задач диспетчеризации и решают задачу моделирования процесса с целью оптимизации его режимов. Однако проблема использования данного класса продуктов связана с отсутствием корректных данных для создания гидравлической модели водопроводной сети города и последующего проведения моделирования. Такая работа обычно занимает несколько лет и предполагает проведений большого числа измерений в различных точках сети. Кроме этого, созданная гидравлическая модель требует постоянной актуализации по мере проведения модернизации или ремонтов водопроводной сети. В тоже время наличие достоверной гидравлической модели позволит решить проблему оптимизации режимов максимально эффективно.
В последние годы в попытке предложить рынку комплексное и актуальное решение наметилась тенденция создания гибридных продуктов, формируемых как симбиоз вышеуказанных классов. К таким продуктам можно отнести продукт компании Wonderware, а также решение производителя насосного оборудование – компании Flygt Xylem.
В рамках цифровизации SCADA-системы не противопоставляются ГИС, наоборот их функционал должен быть интегрирован друг с другом для достижения максимальной эффективности оптимизации.
Что же касается наиболее распространённых диспетчерских приложений на базе SCADA- продуктов, данные продукты никак не решают задачу оптимизации процесса и в этом смысле являются предыдущим этапом эволюционного развития систем управления водоснабжением, несмотря на продолжающийся устойчивый спрос со стороны водоканалов.
С ростом вычислительных возможностей систем, внедрением новых алгоритмов управления, а также увеличением объема, передаваемых данных, происходит изменение восприятия роли и задачи АСУТП водоснабжения. На рисунке представлено сравнение традиционного (диспетчеризация на базе SCADA-системы, слева) с современным пониманием роли АСУТП (справа).
Говоря о смене парадигмы восприятия роли АСУТП, отметим, что основные аспекты этих изменений вызваны:
- переосмыслением роли и значения человека в процессе управления;
- изменением методов автоматического управления;
- повышением качества моделирования и прогнозирования развития технологического процесса водоснабжения;
- изменением величины экономического потенциала от внедрения АСУТП.
Ранее автоматизация подразумевала простую передачу информации на диспетчерский пункт и получение команд телеуправления от диспетчера. Сейчас поток информации и количество объектов существенно возрастает, и АСУ уже должна проводить интеллектуальный анализ данных, чтобы предоставить диспетчеру не просто информацию, а результат ее обработки, содержащий рекомендации и предупреждения. Традиционно автоматизация рассматривалась как средство облегчения труда персонала, сейчас она воспринимается уже как средство минимизации человеческого фактора, и система поддержки принятия решений. Таким образом, значение человека в процессе управления снижается.
Изменение методов автоматического управления связано с переходом от автоматического поддержания определенных параметров (давления, расхода, уровня) с помощью типовых регуляторов – например, ПИД, к цифровым методам управления. Они базируются на методах «мягких вычислений» (soft computing), применяемых для решения задач в условиях неопределенности, недостаточной точности исходных параметров или математической модели объекта в целом. Методы «мягких вычислений» объединяют такие классы алгоритмов, как: нечеткая логика, нейронные сети, генетические алгоритмы и др. При создании гибридных интеллектуальных систем данные области используются в различных комбинациях или по отдельности, дополняя друг друга
Руководящим принципом «мягких вычислений» является: «терпимость к неточности, неопределенности и частичной истинности для достижения удобства управления, устойчивости, низкой стоимости решения и лучшего согласия с реальностью». Этот принцип как нельзя лучше подходит для управления процессами водоснабжения, поскольку провести достоверное и прямое математическое моделирование водопроводных сетей города ‒ задача крайне сложная. Данные методы являются компромиссным решением по соотношению результата к затратам. Таким образом, происходит процесс перехода от моделирования к адаптивному управлению.
Современная методология АСУТП водоснабжения подробно рассмотрена в статье специалистов ООО «Техникон» А.В. Синицына, Е.А. Клебанова «Роль и задачи систем автоматизации городского водоснабжения в контексте цифровизации». Она подготовлена к публикации в журнале «НДТ» № 1 за 2019 г.
Информация предоставлена журналом «НДТ»