Oczy i uszy wodociągowca XXI wieku

W Dąbrowskich Wodociągach nad działaniem liczącej 500 km sieci wodociągowej wraz z przyłączami oraz 90 obiektami i budynkami czuwa zaawansowany system monitoringu. To oczy, uszy i nos wodociągowców XXI wieku. Bez niego nie byłoby możliwe świadczenie usług na najwyższym poziomie, minimalizacja strat wody, ograniczenie nieprzyjemnych zapachów ścieków, zapewnienie najwyższych standardów bezpieczeństwa i zarządzanie skomplikowaną infrastrukturą.

System monitoringu w Dąbrowskich Wodociągach składa się z trzech filarów. Pierwszy z nich to główny system monitoringu obiektów technologicznych, działający w systemie SCADA, przeznaczony do nadzoru, sterowania oraz akwizycji danych. Drugi to mobilny  monitoring oparty na systemie PMAC. Trzecim jest nowoczesne Centrum Dyspozytorskie, do którego trafiają wszystkie dane do analizy.

Główny system monitoringu obiektów technologicznych

Supervisory Control And Data Acquisition, w skrócie SCADA to system informatyczny nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego. Właśnie na technologii SCADA oparty jest w Dąbrowskich Wodociągach główny system monitoringu obiektów technologicznych, który w sposób zdalny i ciągły przesyła dane do centrali.

W części obiektowej system oparty jest na sterownikach programowalnych PLC (od ang. Programmable Logic Controller), które odpowiadają za sterowanie obiektem, monitoring procesów technologicznych oraz zarządzanie transmisją danych. Do interakcji z obsługą obiektów służą skomunikowane ze sterownikami panele operatorskie HMI (HMI ang. Human Machine Interface), na których brygady eksploatacyjne obsługujące obiekty technologiczne mają bieżący podgląd przebiegu procesów technologicznych, jakości zasilania obiektów w energię elektryczną czy możliwości konfigurowania parametrów sterujących pracą obiektów. Do sterowników podłączone są również radiomodemy cyfrowe lub moduły telemetryczne odpowiadające za przesył danych do Centrum Dyspozytorskiego.

Dane wizualizowane są w na komputerach w Centrum Dyspozytorskim oraz na stacjach komputerowych w działach odpowiedzialnych za eksploatację obiektów wodociągowych, kanalizacyjnych oraz utrzymania ruchu energetyczno-mechanicznego i automatyki. Jego główne funkcje obejmują zbieranie aktualnych danych (pomiarów) z obiektów, ich wizualizacje, sterowanie procesem, alarmowanie oraz archiwizację danych.

System ten rozwijany jest w Dąbrowskich Wodociągach od 20 lat. Początkowo dane z monitoringu przesyłane były drogą radiową, która wykorzystuje przydzieloną na podstawie pozwolenia radiowego częstotliwość transmisji danych pomiędzy poszczególnymi stacjami (obiektami). Konieczne stało się zatem doposażenie obiektów w odpowiednią infrastrukturę umożliwiającą transmisję radiową, a więc budowę masztów i instalacji antenowych. Posiadanie przydzielonych częstotliwości radiowych wymagało od nas również występowania okresowo (co 10 lat) do obecnego Urzędu Komunikacji Elektronicznej, o przedłużanie na kolejny okres obowiązywania pozwoleń radiowych. Ta technologia wciąż jeszcze jest wykorzystywana na kilku obiektach. Nieustanny postęp techniczny, obejmujący swoim zasięgiem wszystkie dziedziny życia człowieka, w tym najbardziej zauważalną dziedzinę jaką jest szeroko rozumiana elektronika, stworzył nowe możliwości w zakresie sterowania i komunikacji. Dąbrowskie Wodociągi dostrzegły ogromny potencjał  jaki daje zastosowanie nowoczesnych rozwiązań komunikacyjnych wykorzystujących sieć telefonii komórkowej GSM (ang. Global System for Mobile Communications) oraz usługi pakietowej transmisji danych GPRS (ang. General Packet Radio Service ) w nadzorowaniu i zarządzaniu infrastrukturą.

10 lat temu podjęliśmy decyzję o zmianie technologii przesyłu sygnału z sieci radiowej na sieć GSM. Był to duży przeskok jakościowy, ponieważ dawał nam możliwość transmisji zdarzeniowej – bezpośredniej, możliwość transmisji wielkokierunkowej czy transmisji danych na urządzenia mobilne. Uprościł jednocześnie system komunikacji eliminując konieczność posiadania i utrzymywania własnej infrastruktury radiowej. W chwili wystąpienia zdarzenia, np. awarii po sekundzie-dwóch pojawia się sygnał alarmowy w dyspozytorni. Dyspozytor ma też możliwość wymuszenia transmisji danych z obiektu do dyspozytorni – mówi Bartłomiej Mickiewicz, Kierownik Działu Wsparcia Technicznego Dąbrowskich Wodociągów.

W części obiektów operator z poziomu Centrum Dyspozytorskiego ma możliwość bezpośredniego sterowania napędami, np. na ujęciach wody możliwe jest określenie poziomów załączania i wyłączania pomp głębinowych pracujących na wspólne zbiorniki wody, a tym samym możliwość szybkiej reakcji na zmieniające się warunki rozbiorów wody.

Główny system monitoringu obiektów technologicznych obejmuje obiekty wodociągowe (ujęcia wody, pompownie wody, komory wodociągowe, hydrofornie) oraz obiekty kanalizacyjne (oczyszczalnia ścieków, przepompownie oraz tłocznie ścieków). Monitorowana jest np. jakość ścieków tłoczonych, by wyeliminować ryzyko zagniwania ścieków i występowania odorów.

Jedna z najdłuższych instalacji tłoczenia ścieków w Europie

W Dąbrowie Górniczej we wrześniu 2012 roku powstała licząca prawie 7,5 km instalacja tłoczenia ścieków  łącząca dzielnicę Strzemieszyce z oczyszczalnią ścieków Centrum. – Z uwagi na likwidację oczyszczalni ścieków w Strzemieszycach niezbędne było wybudowanie instalacji, która umożliwi transport ścieków w kierunku oczyszczalni ścieków „Centrum” i dostarczy je do takiego punktu, z którego grawitacyjnie mogą dalej się przemieszczać. W momencie wybudowania była to jedna z najdłuższych instalacja w Europie – opowiada Bartłomiej Mickiewicz.

Ponieważ technologia tłoczenia wyklucza dostęp powietrza, obecnego w tradycyjnym modelu kanalizacji grawitacyjnej, toteż istniało ryzyko zagniwania ścieków. W procesie zagniwania wydzielają się niebezpieczne gazy, takie jak amoniak i siarkowodór. Aby proces ten ograniczyć do minimum, zastosowano w trzech punktach układy napowietrzania, gdzie umieszczone są specjalne kompresory wtłaczające powietrze pod ciśnieniem. – Gdybyśmy nie zastosowali tego rozwiązania zagniwające ścieki wydzielałyby nieprzyjemne zapachy uciążliwe dla mieszkańców mieszkających na pobliskich dużych osiedlach. Układy napowietrzania są w sposób ciągły monitorowane, dzięki czemu możemy w porę wykrywać i niwelować problemy – mówi Bartłomiej Mickiewicz.

System SCADA obejmuje również monitoring parametrów energetycznych zarówno instalacji zasilania obiektów technologicznych w energię elektryczną z sieci energetyki zawodowej, jak również pracy stacjonarnych lub przewoźnych agregatów prądotwórczych wykorzystywanych jako zasilanie awaryjne obiektów czy parametrów energetycznych poszczególnych napędów zainstalowanych w obiektach. Monitoring parametrów energetycznych daje możliwości szybkiej reakcji na występujące zakłócenia w zasilaniu obiektów, mogące wpływać na pracę lub awarię napędów lub prowadzenia procesów technologicznych. Dzięki układowi monitoringu, analizując parametry instalacji zasilających można również przewidywać miejsce potencjalnych problemów w instalacjach energetycznych na obiektach technologicznych, co umożliwia podjęcie prewencyjnych działań zapobiegawczych dla zapewnienia ciągłości działania obiektów, a tym samym zapewnić najwyższe standardy świadczonych usług.

Kolejnym obszarem, który efektywnie wykorzystuje system SCADA Dąbrowskich Wodociągów jest system przeciwwłamaniowy zainstalowany na obiektach technologicznych, z którego sygnały są przesyłane z wykorzystaniem sieci komórkowej GSM i wizualizowane w Centralnej Dyspozytorni. Współpracując z agencją ochrony osób i mienia możliwie stało się wykorzystanie i przesłanie informacji z ich central alarmowych do systemu SCADA, z którego Dyspozytor dowiaduje się czy na obiekcie jest załączona centrala alarmowa, czy też naruszony został któryś ze zdefiniowanych obwodów bezpieczeństwa.

SCADA to system otwarty, elastyczny i rozwojowy, który w Dąbrowskich Wodociągach wspomaga efektywną realizacje działań, już teraz wykorzystywany jest do nadzorowania i kontroli prowadzonej technologii, monitoringu jakości zasilania obiektów w energię elektryczną czy współpracy w systemami przeciwwłamaniowymi, a to niektóre z obszarów, kolejne określają bieżące potrzeby zapewnienia efektywnych i skutecznych działań związanych z zapewnieniem naszym Klientom najwyższej jakości usług.

System PMAC

Drugim filarem monitoringu w Dąbrowskich Wodociągach jest monitoring mobilny oparty na systemie PMAC. Jest to program służący do zbierania oraz wizualizacji danych parametrów pracy sieci wodociągowej na terenie całego miasta. Pracuje on na infrastrukturze wodociągowej gdzie monitorowane są dwa podstawowe parametry tj. ciśnienie oraz przepływ, a w wybranych obiektach także poziom wody. Dzięki akumulatorowemu zasilaniu urządzeń, wykorzystaniu transmisji danych poprzez sieć telefonii komórkowej można go zastosować praktycznie w każdych warunkach, zarówno do prac eksploatacyjnych, jak również kontrolnych.

Parametry pracy sieci wodociągowej badane są przy pomocy przetworników ciśnienia, wodomierzy lub przepływomierzy i sond hydrostatycznych. Urządzenia podłączone są do rejestratorów, które następnie przesyłają paczki danych do modemu w Centrum Dyspozytorskim.

Dzięki monitoringowi możemy zapewnić ciągłość dostaw wody pod odpowiednim ciśnieniem oraz skutecznie realizować program ograniczania strat wody  – mówi Kamil Feculak Starszy Inspektor ds. sieci wodociągowej z Działu Wodociągów i dodaje: – Każdy z rejestratorów możemy programować wg zdefiniowanych przez nas parametrów np. częstotliwość przesyłania danych, określać progi oraz profile alarmowania, a także na podstawie zebranych danych analizować parametry hydrauliczne.

Rejestratory wykorzystywane są przede wszystkim w obiektach bez dostępu do energii elektrycznej. Istotnym elementem jest progowanie i profilowanie alarmów, które wyświetlane są w Centrum Dyspozytorskim. W przypadku przekroczenia progu alarmowego ciśnienia lub przepływu dyspozytor automatycznie otrzymuje wiadomość o przekroczeniu określonych progów alarmowania oraz cały pakiet danych z parametrami.

W przypadku wystąpienia alarmu lub zaobserwowania niestandardowych przepływów w teren wysyłane są brygady diagnostyczno-pomiarowe, wyposażone w sprzęt diagnostyczny.

Brygada diagnostyczna jak z filmu „Pogromcy duchów”

Terenowy zespół diagnostyczno-pomiarowy wyposażony jest w najnowocześniejsze urządzenia, dzięki temu jest w stanie znaleźć niemal każdy wyciek wody z sieci. Jak wygląda modelowa procedura wykrycia awarii? W wyniku analizy przepływów oraz poziomów ciśnień wody określane są rejony w których występuje podejrzenie wystąpienia wycieku wody. Na tej podstawie brygady diagnostycznie przystępują do pracy w określonej strefie. W pierwszej kolejności wykorzystywane są logery szumów, które w nocy nasłuchują szumów na sieci wodociągowej. W zależności od wielkości opomiarowanej strefy można rozmieścić ich nawet kilkadziesiąt w całej dzielnicy. Jeżeli szumy występują na danym obszarze sposób ciągły to jest to sygnał, że może w tym obszarze występować wyciek wody. Dzięki logerom teren awarii jest ograniczony, wtedy diagności uruchamiają geofon – urządzenie wzmacniające szum wody i pozwalające zlokalizować między którymi zasuwami jest wyciek. By jednak nie przekopywać całego tego odcinka, należy precyzyjnie, do kilkudziesięciu centymetrów zlokalizować miejsce awarii. – Do tego służą korelatory. Dzięki nim wyznaczamy obszar wykopu i ograniczamy koszty oraz uciążliwości prac. Zamiast rozkopywać kilka-kilkanaście metrów chodnika czy drogi celujemy dokładnie w punkt awarii – tłumaczy Kamil Feculak.

W Dąbrowskich Wodociągach od lat realizowany jest program ograniczania strat wody polegający na rutynowym badaniu całej sieci. Dzięki temu możliwe jest wykrycie tzw. ukrytych awarii, których nie widać na powierzchni, ani nie są zgłaszane przez mieszkańców.

W przypadku ukrytych awarii, woda nie wypływa na powierzchnię, w sposób ciągły wchłaniana jest w teren, z tego też powodu nie ma możliwości zaobserwowania „gołym okiem” że wystąpił wyciek. Nie ma zatem nagłych sygnałów o nieprawidłowościach pracy sieci. Dzięki zaawansowanemu monitoringowi wiemy w której strefie wystąpiła awaria, czy niekontrolowany pobór wody np. z hydrantu. Monitoring skraca czas trwania ukrytych wycieków wody i stał się narzędziem niezbędnym do skutecznej realizacji programu ograniczania strat wody – mówi Kamil Feculak.

Standaryzacja kluczem do ograniczenia kosztów i awarii

Dąbrowskie Wodociągi przyjęły podejście do sprzętu wykorzystywanego do monitoringu w obiektach oparte na standaryzacji. – Wykorzystujemy moduły telemetryczne jednego producenta i maksymalnie trzy jego typy. Tak, aby móc te urządzenia zastosować na  wielu obiektach. Standaryzacja producentów i typów stosowanych urządzeń pozwoliła na utworzenie optymalnego kosztowo magazynu krytycznych części zamiennych, których awaria zatrzymuje obiekty lub prowadzone procesy technologiczne. Dostępność na rynku urządzeń w przypadku awarii jest z uwagi na ich specjalistyczny charakter ograniczona przede wszystkim czasem dostawy. Uruchomienie magazynu części zamiennych oraz  zapewnienie oprogramowania sterującego urządzeniami i procesami technologicznymi przez wykonawców realizujących zadania inwestycyjne czy modernizacyjne obiektów  pozwala na bardzo szybką  reakcję na  awarie i  prawidłową pracę obiektów. – tłumaczy Bartłomiej Mickiewicz.

Podróż w przeszłość czyli świat wodociągowca przed erą monitoringu

W przeszłości, gdy nie istniał monitoring obiektów technologicznych, w obiektach strategicznych były obsady trzyzmianowe, a zadaniem pracowników był ręczny monitoring 24 godziny na dobę siedem dni w tygodniu. Kiedy zauważono nieprawidłowości pracownik dzwonił do dyspozytora, zgłaszał awarię i prosił o wysłanie  brygady. Oczami dyspozytora był telefon, na który obsługa obiektów dzwoniła i zgłaszała podstawowe dane o przepływie, poziomie, ciśnieniu, pracy czy usterkach urządzeń – opowiada Bartłomiej Mickiewicz.

W przedsiębiorstwach wodociągowych działały również tzw. brygady objazdowe, których zadaniem było np. sprawdzenie w ciągu jednej zmiany kilkunastu czy kilkudziesięciu obiektów i spisanie podstawowych danych takich jak przepływy, ciśnienie itp. – Urządzeniami pomiarowymi były więc oczy, uszy i nos pracowników – podsumowuje Bartłomiej Mickiewicz.

Kamil Feculak tłumaczy, że dzięki monitoringowi pracy sieci wodociągowej można nią zarządzać w sposób „aktywny”, to znaczy reagować na zmiany  pracy sieci spowodowane awariami, zanim zdąży odczuć je nasz klient. W przedsiębiorstwach wodociągowych przed erą monitoringu często stosowano model zarządzania „pasywnego”, to mieszkańcy informowali Dyspozytora o obniżonym ciśnieniu lub braku wody w kranie.

Zastosowanie monitoringu daje ogromne możliwości kontroli i zarządzania eksploatacją sieci wodociągowej i kanalizacyjnej. Dzięki temu standardy parametrów wody w Dąbrowskich Wodociągach są bardzo wysokie, a firma mogła po latach inwestycji rozpocząć kampanię „Piję wodę z kranu”. W kampanii podkreślana jest wysoka jakość wody oraz to, że jest bezpieczna i zdrowa i niczym nie ustępuje wodzie w zachodniej Europie.

Era big data: maszyna – dane – człowiek

– Naszym celem jest osiągnięcie stanu, w którym to nie klient poinformuje nas o braku wody, ale my jego. Zanim zdąży odczuć problem, staramy się mieć gotową jego diagnozę. Ale oczekiwania klientów idą w parze z podwyższaniem jakości pracy Wodociągów, więc większy nacisk kładziemy na utrzymanie wysokiej jakości i parametrów dostarczanej mieszkańcom wody – mówi Kamil Feculak.

Centrum Dyspozytorskie Dąbrowskich Wodociągów na bieżąco monitoruje ok. 90 obiektów, coraz bardziej zautomatyzowanych, wyposażonych w nowoczesne technologie. – Dlatego dyspozytor, który jako pierwszy podejmuje szybką analizę danych musi być osobą, która ma wiedzę z każdej dziedziny, by wiedzieć z jaką awarią ma do czynienia, do kogo zadzwonić, jaką brygadę przydzielić do jej usunięcia – tłumaczy Bartłomiej Mickiewicz. To właśnie nowoczesny system monitoringu jest podstawowym i niezastąpionym narzędziem, który wspiera w podejmowaniu decyzji.

Rozwinięty system monitoringu dostarcza ogromną ilość danych. To szansa, ale i wyzwanie. Ich analizą zajmują się specjaliści, którzy z jednej strony muszą mieć wiedzę i doświadczenie niezbędne by zrozumieć jak działa skomplikowana infrastruktura składająca się z kilkuset kilometrów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, prawie 90-ciu obiektów i nowoczesnej oczyszczalni ścieków. Z drugiej niezbędne są umiejętności analityczne by zarządzać tą infrastrukturą, optymalizować jej działanie i podejmować decyzje wyprzedzające na podstawie wniosków z analizy danych.

Jesteśmy w epoce big data, dostęp do danych jest coraz tańszy, dlatego nie jest dużym problemem podłączanie kolejnych urządzeń do monitoringu. Prawdziwe wyzwania niesie analiza tych danych. Dla przykładu, jeśli wiemy, że monitoring wskazuje większy przepływ wody albo większą mętność, to może to być symptom awarii. Trzeba wiedzieć, kiedy podjąć decyzję o wstrzymaniu wody, bo skutki choć poważne, mogą być mniejsze niż uciążliwości związane z dostaniem się wody o nienormatywnych parametrach do sieci – mówi Bartłomiej Mickiewicz i dodaje: – Prawdziwe wyzwania, które stoją przed nami w epoce big data to bardzo skomplikowane procesy, np. zmniejszające się zużycie wody przez mieszkańców, dostosowanie ciśnienia do tych warunków, ograniczenie liczby awarii oraz ich uciążliwości dla mieszkańców, kalibracja modelu hydraulicznego sieci wodociągowej: jak sieć rozwijać, jak optymalnie typować infrastrukturę do modernizacji. Tego nie zrobi za nas maszyna. Czynnik ludzki jest tu kluczowy.