BIM. Инжиниринг объектов
капитального строительства

Комплексная автоматизация наружного водоснабжения тепличного комплекса

28 сентября 2020

Комплексная автоматизация наружного водоснабжения такого крупного объекта как тепличный комплекс существенно выигрывает у частичной автоматизации. Обеспечивается намного более высокое качество управления технологическим процессом, необходимая надёжность функционирования системы, удобство ее контроля и обслуживания.

Статья опубликована в журнале «Автоматизация в промышленности» (№9, 2020 год).
Совместное творчество специалистов ВВП Инжиниринг, Гринхаус и Стройавтоматика.
ВАК Журнал включен в перечень ВАК РФ.
RSCI Журнал включен в РИНЦ (Российский индекс научного цитирования).

Версия статьи в верстке журнала Автоматизация в промышленности (pdf).
Версия статьи в верстке ВВП Инжиниринг (pdf).

Автор: Поляков В.В.
Генеральный директор
«ВВП Инжиниринг»

Соавторы:
Бабкин А.Н. ООО «Гринхаус»
Ретунский С.В. «ВВП Инжиниринг»
Кузьмин В.С. «ВВП Инжиниринг»
Орлов Н.П. «ОНП Стройавтоматика»


# Тепличный комплекс
# Автоматизация
# Наружное водоснабжение

Аннотация

Система водоснабжения тепличного комплекса часто остается на периферии внимания как застройщика, так и проектных организаций. Обычно, Заказчиком принимается простое решение – комплектное обустройство артезианских скважин (проект, оборудование и материалы, монтаж, автоматизация, наладка) у специализированной организации. При этом, заказ проходит через испытание жестким конкурсом, в результате которого решения упрощаются подрядчиком для минимизации цены лота.

К сожалению, реализованная на нашем объекте система автоматизации скважин не справилась с реальными потребностями тепличного комплекса, что поставило под удар всю жизнедеятельность предприятия.

Мы столкнулись с проблемами штатного решения с самого старта эксплуатации тепличного комплекса «Гринхаус». Для устранения критических недостатков первоначального варианта было решено реализовать распределенную систему автоматизации наружного водоснабжения с каскадным управлением скважинами.

Представление объекта

Тепличный комплекс «Гринхаус» предназначен для круглогодичного выращивания овощей (томаты, огурцы) и расположен в Белгородской области (рис. 1, 2).

Рис. 1. Спутниковый снимок тепличного комплекса ООО «Гринхаус»
Рис. 1. Спутниковый снимок тепличного комплекса

Общая площадь комплекса – 50 гектар, в том числе площадь под выращивание растительных культур в блоках теплиц:

  • огурец - 12,1 га;

  • томат – 8,3 га;

  • рассада – 1,4 га.

Проектный расход воды на водоснабжение тепличного комплекса:

  • 18,7 м3/ч, 69,3 м3/сутки – хозяйственно-питьевое водоснабжение (В1).

  • 174,6 м3/ч, 1884 м3/сутки – производственное водоснабжение (В2).

Резервирование водоснабжения и покрытие залпового расхода выполняется обратным забором воды из прудов-накопителей дождевых стоков.

Водоснабжение тепличного комплекса обеспечивается артезианскими скважинами:

  • хозяйственно-питьевое водоснабжение – 2 (две) скважины производительностью 25 м3/ч каждая;

  • производственно-противопожарное водоснабжение – 4 (четыре) скважины производительностью 40 м3/ч каждая.

Рис. 2. 3D-модель тепличного комплекса ООО «Гринхаус»
Рис. 2. 3D модель тепличного комплекса ООО «Гринхаус»

Первоначальное решение автоматизации скважин

Первоначальная комплектация артезианских скважин (включая их автоматизацию) была выполнена по прямому заказу застройщика-инвестора специализированной организацией «под ключ».

Это решение обладало следующими характеристиками:

  • на скважинах установлены станции управления и защиты насосных электродвигателей «Лоцман», которые контролируют работу трехфазных погружных насосов и защищают асинхронные двигатели центробежных насосов от сбоев электропитания;

  • включение/отключение насосов по сигналу электроконтактного манометра, который установлен в колодце каждой скважины после обратного клапана до отсечной задвижки основной магистрали. Принцип управления: на электроконтактном манометре (ЭКМ) выставлены минимальный и максимальный порог, при достижении минимального порога давления насос скважины включался, а при достижении максимального ‑ отключался. На каждой скважине задавались значения с разницей 0,2 атм. с одинаковой дельта. При разборе воды запускалась одна скважина. Если расход был большой, давление снижалось, включался дополнительно второй насос. Отключались насосы, как правило, одновременно при отсутствии расхода и повышении давления.

  • автономное управление каждой скважиной;

  • учет воды не автоматизирован, сбор данных выполняется персоналом при обходе;

  • прямое включение двигателя насоса с помощью контактора;

  • относительно низкая стоимость.

С течением времени проявились следующие недостатки такого решения, причем первые недостатки автономной работы появились в первый месяц после ввода в эксплуатацию скважин:

  • Частый выход насосов из строя, в том числе по вине ударных нагрузок на насос во время прямого пуска. Первый насос вышел из строя через три месяца эксплуатации. За год эксплуатации скважин было заменено три из четырех насосов производственного водоснабжения.

  • Уязвимыми точками, подверженными наивысшим нагрузкам при прямом пуске насоса, в первую очередь являются, колеса насоса и подпятник электродвигателя.

  • Следствием постоянных гидроударов явились выходы из строя счетчиков воды скважин, разрушение резьбовых соединений пластиковых труб на трассе в самой теплице.

  • При одновременном включении скважин (питьевые 11.1 и 11.2) резко возрастало давление, что приводило частичному выходу из строя оборудования: в рассадном отделении на фильтрах срывало электромагнитные клапана; появлялись течи в местах присоединения гидроаккумуляторов; не выдерживали повышения давления свыше 6 атм. Конструкции труб ПВХ и т.п. Такие же проблемы были и с технологическими скважинами, скачки давления приводили к выходу из строя ЭКМ, которые и должны отключать насос по максимальной уставке.

  • Отсутствие информации о авариях и ходе технологического процесса в реальном времени. Обход и осмотр скважин осуществлялся ежедневно. Часто возникали аварийные ситуации, когда из-за падения давления в системе водоснабжения (отключения скважин) персоналом производился дополнительный обход по всем скважинам, т.к. не было оперативной информации, какая именно скважина вышла из строя. Из-за частых отключений скважин персонал выезжал на площадку и в ночное время, и в выходные дни. Особые трудности у персонала возникали при ежедневном обходе для осмотра оборудования скважин и снятия показаний счетчиков воды при неблагоприятных метеоусловиях: дождь, снег, метель.

  • Балансировка скважин осуществлялась путем периодической (1 раз в неделю) регулировкой нижних и верхних пределов на ЭКМ каждой скважины. Таким образом расставлялись приоритеты, какая скважина должна включиться первой, второй и т.д.

  • Низкая надёжность штатной автоматики, основная причина – частый сбой работы ЭКМ. За время эксплуатации вышло их строя порядка 9 ЭКМ. При повышении давления ЭКМ не давал команду на отключение насоса скважины, что приводило к повышению давления в системе водоснабжения и к разрыву резьбовых соединений в теплице. И наоборот, при понижении давления не срабатывал нижний порог ЭКМ, и скважина просто не запускалась. Вторая причина – постоянно меняющийся расход и давление в водопроводе не позволял поддерживать заданные параметры по давлению.

Эксплуатирующий персонал пытался решать проблемы «малой кровью», но новые проблемы проявлялись быстрее, чем удавалось решать текущие. В определённый момент стало понятно, что нужна новая система управления скважинами, которая должна быть разработана и внедрена в кратчайшие сроки, так как тепличный комплекс начал нести незапланированные траты на покупку насосов и их замену. Из-за больших сроков поставки насосов была ситуация, когда осталось только 2 рабочих насоса (из 6), работавших на пределе своих возможностей и выход из строя одного из них мог привести к нарушению эффективной работы системы управления микроклиматом теплицы.

Требования к новой системе автоматизации наружного водоснабжения (АНВ)

Для кардинального решения вопроса было решено внедрить принципиально иное решение по автоматизации наружного водоснабжения.

Первым этапом, Заказчик (Гринхаус) и генеральный проектировщик (ВВП Инжиниринг) сформулировали требования к новой системе автоматизации наружного водоснабжения тепличного комплекса (далее – АНВ ТК):

Надежность

  • Устранение «родовых» недостатков, приводивших к выводу из строя оборудования скважин.

  • Наличие двух контуров управления – централизованного и автономного (при нарушении связи с главным шкафом каскада).

  • Организация грозозащищённых сетей передачи данных между локальной вычислительной сетью тепличного комплекса (далее - ЛВС ТК) и скважинами.

  • Автономные шкафы скважин в уличном исполнении с соответствующей устойчивостью к осадкам, пыли и перепадам температур.

  • Проверенное надёжное аппаратное исполнение шкафов автоматизации

  • Схемотехнические решения, повышающие надёжность и долговечность функционирования автоматики и насосов.

Экономичность

  • Оптимизация расхода и давления на уровне всей системы водоснабжения

  • Плавный пуск насосов или частотное регулирование

  • Автоматизированный сбор данных технического учета воды.

Наглядность и оперативность

  • Мнемосхемы на панели каскадного шкафа автоматизации.

  • Возможность централизованного управления (из диспетчерской, без выхода в «поле» к скважине).

  • Разработка обновленных томов рабочей документации.

Скорость внедрения

  • Ввиду угрозы функционированию предприятия, работы необходимо выполнить в кратчайшие сроки.

Доступная цена

  • Использование надежных компонентов эконом-сегмента.

  • Применение достаточных технических решений.

Описание новой системы АНВ тепличного комплекса

Результатом совместной проработки, в условиях имеющихся ограничений, явилась следующая целевая модель системы автоматизации наружного водоснабжения тепличного комплекса:

Структура автоматизированной системы

Двухконтурная структура - распределенная система с каскадным управлением. Совмещение двух типов управления:

  • Централизованного (каскадного) управления. Применяется штатно и оптимизирует работу системы в целом.

  • Децентрализованного (автономного) управления. Применяется при нарушении связи с главным шкафом автоматизации. Обеспечивает живучесть системы.

Архитектура системы АНВ ТК

Шкафы управления скважинами (далее – ШУС) на каждой из 6 скважин.

Один шкаф управления каскадами скважин (далее – ШУКС) с панелью оператора в диспетчерской.

ШУС и ШУКС связаны ЛВС с кольцевой топологией на базе ВОЛС

Надежность автоматизированной системы

Обеспечивается:

  • компоновкой шкафа;

  • схемотехническим решением;

  • аппаратным обеспечением шкафа;

  • топологией ЛВС и применением ВОЛС;

  • прикладным программным обеспечением системы автоматизации;

  • мероприятиями в артезианских скважинах

Экономичность системы АНВ ТК

Достигается:

  1. Снижением расхода электроэнергии за счет:

    • централизованной оптимизации (балансировки) работы скважин;

    • плавного пуска насосов.

  2. Снижением эксплуатационных затрат за счет:

    • уменьшения аварийности оборудования скважин;

    • уменьшения трудозатрат эксплуатирующего персонала на обходы.

Наглядность управления

Обеспечивается мнемосхемами системы диспетчеризации ШУКС и подробной обновленной рабочей (по сути, исполнительной) документацией

Оперативность

Оперативность действий персонала обеспечивается за счет наглядных мнемосхем, доступа к архиву информации и возможности удаленного управления оборудованием скважин

Скорость внедрения

Обеспечена рядом организационных мероприятий: от перехода на 6-дневную рабочую неделю до привлечения внештатного персонала

Доступная цена решения

Достигается:

  • Применением бюджетных отечественных контроллеров компании ОВЕН.

  • Реализацией необходимых и достаточных технических решений. Например, на насосах реализован плавный пуск. Частотный преобразователь решено не использовать.

  • Нестандартные компоновочные решения.

  • Применение технической базы, уже используемой на ТК, что позволяет отказаться от отдельного ЗИП.

Рис. 3. Структурная схема системы автоматизации наружного водоснабжения тепличного комплекса
Рис. 3. Структурная схема системы автоматизации наружного водоснабжения тепличного комплекса

В соответствии с техническим заданием, было решено реализовать комбинированную систему, совмещающую:

  • централизованное каскадное управление (ШУКС – шкаф управления каскадом скважин);

  • автономный режим работы каждого шкафа (ШУС – шкаф управления скважиной) при отсутствии связи с главным шкафом каскада.

В норме, ШУС работают в автоматическом каскадном режиме. Скважины В1 (2 шт.) образуют первый каскад, скважины В2 (4 шт.) – второй (рис. 3).

Суть работы каскадов, следующая:

  • ШУКС постоянно анализирует ситуацию и, если есть недостаток давления в течение определённого времени, выдаётся команда на включение нового насоса.

  • В случае избытка давления выдаётся команда на отключение одного работающего насоса. Такой режим можно рассматривать как перемещение по ступеням. Упало давление, поднялись на первую ступень (включили один насос). Проверили, давления всё ещё не хватает – ещё на ступень вверх (включаем второй насос). Давление в пределах нормы – остаёмся на текущей ступи. Давление стало избыточным – спускаемся вниз на одну ступень (выключаем один насос).

Программа, реализующая каскадный алгоритм, построена таким образом, чтобы решать ещё несколько задач:

  • балансировка работы каскадов для включения разных насосов;

  • недопущение заиливания скважин;

  • предотвращение повторного пуска насоса, если с момента остановки не прошло достаточно времени;

  • автоматический ввод в работу резервного насоса (при аварийной остановке основного агрегата).

Поскольку управление каскадом происходит по сети, все шкафы (и ШУС, и ШУКС) постоянно анализируют сетевую доступность. В целях «борьбы за живучесть» водоснабжения, в случае потери связи, ШУС автоматически переходит в локальный режим и работает по датчику давления, установленному в скважине, а ШУКС исключает недоступную ШУС из каскада. При восстановлении связи каскадирование скважин восстанавливается автоматически.

Оперативный персонал с помощью панели оператора на ШУКС может:

  • контролировать показания датчиков;

  • получать уведомления о предупреждениях и авариях и квитировать их;

  • просматривать архив журнала аварий и предупреждений;

  • контролировать состояние скважин (работает, пауза после остановки, готова к работе, авария, в ручном режиме и т.п.);

  • контролировать мгновенный расход каждой работающей скважины;

  • изменять уставки и настройки,

  • дистанционно запускать и останавливать насосы скважин;

  • получать информацию о техническом учёте добытой воды для каждой скважины.

Рис. 4. Реализация уличного шкафа управления
Рис. 4. Реализация уличного шкафа управления

Компоновка уличных шкафов управления скважинами

Одной из первых задач, которые решались в условиях ограниченного бюджета проекта, была задача проектирования всепогодных шкафов.

Внутреннее наполнение шкафов управления скважинами (ПЛК, блок питания, устройство плавного пуска и т.п.) жестко ограничено температурными рамками, в которых оно должно функционировать. Также важной задачей шкафа является защита содержимого от внешних неблагоприятных факторов (таких как атмосферные осадки, электромагнитные импульсы грозовых разрядов, насекомые, пыль и т.п.).

Первоначально рассматривался вариант использования готового термошкафа. Однако, от этого варианта пришлось отказаться по причине излишней дороговизны подобных изделий.

Тогда был разработан дизайн шкафов управления скважинами, решающий все вышеперечисленные проблемы – шкаф в шкафу (рис. 4):

  • Мы взяли относительно большой по размеру шкаф и разместили внутри него малый шкаф таким образом, чтобы между ними был достаточный воздушный зазор.

  • Внизу большого шкафа расположили силовые вводные шины (рис. 5), что позволило значительно сократить малый шкаф и ТЭН обогревателя, а над ними разместили малый шкаф.

  • Роль большого шкафа – защита от внешних неблагоприятных условий и создание внутренней воздушной теплоизолирующей прослойки. В боковых стенках большого шкафа предусмотрены отверстия для пассивной вентиляции, защищённые антимоскитной сеткой.

    Рис. 5. Вводные шины внешнего шкафа
    Рис. 5. Вводные шины внешнего шкафа
  • Малый шкаф вместил в себя всю электрику и электронику, на его лицевой панели расположены индикаторы и органы управления. Шкаф снабжён системой активной вентиляции с противопылевыми фильтрами.

Схемотехника и аппаратное обеспечение шкафов автоматизации

Для надёжной и долговечной работы автоматики и насоса скважины первостепенное значение имеет контроль входного напряжения.

В нашем проекте мы контролируем наличие каждой фазы и нейтрали, перекос фаз, фазные и линейные напряжения. При выходе параметров питающей сети за определённые границы, защитные цепи останавливают двигатель и обесточивают автоматику. При возврате параметров питающей сети в норму, происходит автоматическое восстановление питания автоматики. Для дополнительной защиты на вводе в шкаф установлено устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В случае срабатывания УЗИП и необходимости замены картриджа сигнал об этом заводится в ПЛК и передаётся по сети на панель оператора.

Одной из основных проблем, приводящих к выходу насосов из строя, является прямой пуск электродвигателя, для которого характерны ударные нагрузки на механическую и электрическую части насоса. Чтобы снизить пусковые и коммутационные нагрузки было принято решение об использовании устройства плавного пуска (УПП). Поскольку специфических требований к УПП в данном проекте не предъявлялось, был подобран простой и надёжный УПП компании ABB. Для защиты двигателя насоса от перегрузки перед УПП предусмотрен автомат защиты двигателя с настройкой тока срабатывания.

Рис. 6. Эргономика шкафа автоматизации
Рис. 6. Эргономика шкафа автоматизации

В качестве управляющего контроллера использован ОВЕН ПЛК110[М02] с модулем аналогового ввода с быстрыми входами для измерения унифицированных аналоговых сигналов МВ110-24.8АС. Это довольно мощный ПЛК новой модификации, обеспечивающий высокое быстродействие. ПЛК постоянно находится в сети и обменивается данными, поэтому сетевые возможности линейки М02 сыграли решающую роль при выборе. Кроме этого, подобные контроллеры, уже использующиеся в ТК Гринхаус, зарекомендовали себя как надёжный и относительно недорогой (в сравнении с ПЛК Siemens, Omron и т.п. с аналогичными характеристиками) продукт.

Остальные элементы шкафов, такие как автоматические выключатели, пускатели, реле, клеммники, вентиляторы охлаждения, термостаты производства ABB и Shneider Electric, неоднократно применялись нами в других проектах и зарекомендовали себя как надёжные, качественные компоненты.

Поскольку водоснабжение - это стратегически важный инфраструктурный объект тепличного комплекса, на случай отказа ПЛК или УПП, либо иных причин, ШУС имеет возможность прямого пуска насоса с помощью встроенного контактора и органов управления на лицевой панели.

Сборка шкафов автоматизации

Для размещения компонентов был подобран шкаф компании DKC с IP54. При сборке шкафа, несмотря на скромные размеры и плотный монтаж, выдержан эргономичный классический подход (рис. 6). Все автоматические выключатели, за исключением автомата защиты двигателя расположены в верхней части, а все клеммники для подключения внешних датчиков расположены в нижней части шкафа. Доступ к клеммам свободный, подключение кабелей не затруднено.

Силовые шины, как уже упоминалось ранее, вынесены за пределы внутреннего шкафа, и находятся в нижней части внешнего шкафа. Для защиты от случайного прикосновения они закрыты листом прозрачного пластика, который позволяет проводить визуальный контроль состояния.

В шкафу предусмотрено освещение, позволяющее проводить работы в условиях недостаточной освещенности. Для подключения внешних потребителей, электроинструмента, программатора и т.п. шкафы оборудованы двумя однофазными силовыми розетками. Это очень важно, поскольку ШУС расположены в поле и других источников электропитания поблизости нет.

Внутренний монтаж шкафа аккуратный, все элементы имеют маркировку в соответствии с принципиальной схемой. Все провода на концах опрессованы наконечниками-гильзами и уложены в перфорированных лотках. Провода, идущие к выключателям и сигнализаторам на лицевой панели шкафа за пределами кабельного канала, обмотаны пластиковой спиралью, что гарантирует им защиту от механических повреждений. В обязательном порядке все провода промаркированы с обоих концов, что позволят быстро ориентироваться при поиске неисправностей. К примеру, щиты голландских коллег для управления оборудованием ТК, не имеют данную маркировку и приходится тратить, иной раз, драгоценное время на «продергивание» проводов. Помимо этого, в шкафу используется цветовая дифференциация проводов:

  • белый цвет – силовые и сигнальные цепи;

  • синий цвет – нейтраль;

  • желто-зелёный – земля;

  • красный – постоянное напряжение +24В;

  • чёрный – постоянное напряжение -24В.

Поддержание внутренней температуры шкафа в заданных пределах осуществляется с помощью термостатов, нагревателя и вентилятора. Для защиты от пыли вентиляционные отверстия защищены противопылевыми фильтрами, а ввод кабелей в шкаф осуществляется через гермовводы. Для хранения принципиальной схемы лицевая панель шкафа с внутренней стороны снабжена пластиковым карманом, чтобы документация не потерялась и была всегда доступна для обслуживающего персонала. Небольшая, но очень нужная опция, которая отсутствует в большинстве шкафов в т.ч. в штатных щитах и шкафах ТК.

Чтобы собрать все шкафы в сжатые сроки пришлось бросить в бой все людские резервы. Снабженцы не успевали организовать поставку всех комплектующих к началу сборки, поэтому сначала устанавливали и обвязывали имеющиеся в наличии компоненты, оставляя места и провода под те элементы, которых пока не было, и по мере поступления устанавливали оставшиеся компоненты буквально «с колёс». Тем не менее, несмотря на спешку, вышеописанные жесткие требования к сборке нигде не были нарушены, а после сборки все шкафы были протестированы. Всё это положительно сказалось при проведении пусконаладочных работ, при проведении приёмосдаточных испытаний и последующей эксплуатации.

Организация грозозащищённых сетей передачи данных между ЛВС ТК и скважинами

В качестве сети передачи данных между полевыми шкафами и локальной вычислительной сетью тепличного комплекса (далее – ЛВС ТК) была выбрана волоконнооптическая линия связи (далее – ВОЛС) по следующим причинам:

  • значительные расстояния между скважинами;

  • удалённость артезианских скважин от диспетчерского пункта в тепличном комплексе;

  • преемственность (ЛВС ТК построены на основе ВОЛС);

  • надёжность;

  • отсутствие чувствительности к электромагнитным импульсам грозовых разрядов.

Совместно со специалистами компании IPC2U (официальный дистрибьютер MOXA), было подобрано оборудование для кольцевой топологии с возможностью передачи данных в случае разрыва кольца. Такое решение повышает надёжность ВОЛС.

Программное обеспечение шкафов АНВ ТК

Разработка ПО шкафов проходила в несколько этапов.

На первом этапе были разобраны различные варианты управления и возможные аварийные ситуации. По результатам первого этапа были сформулированы основные принципы, которые надо заложить в ПО:

  • управление скважинами в режиме каскада;

  • возможность ручного управления с панели оператора ШУКС;

  • возможность ручного управления с помощью органов управления на лицевой панели ШУС;

  • необходимость ротации скважин для выравнивания потребления.

Особое внимание уделялось принципам поведения системы в аварийных ситуациях:

  • единичные отказы не должны приводить к неработоспособности системы;

  • проблемы со связью, не должны приводить к остановкам водоснабжения, ШУС должны автоматически переключаться в локальный режим и продолжать работу в соответствии с заданными уставками;

  • при возобновлении связи ШУС самостоятельно возвращаются в режим каскадирования;

  • при неполадках с датчиком давления в коллекторе В2 система автоматически переключается на работу ближайшему датчику давления в скважине;

  • автоматический ввод резервной скважины при аварии;

  • сохранение параметров и уставок в энергонезависимой памяти при выключении контроллера;

  • восстановление параметров и уставок из энергонезависимой памяти при включении контроллера.

На втором этапе при участии технологов были разработаны алгоритмы. Они были переданы заказчику для утверждения.

После решения всех вопросов, на третьей стадии было разработано само ПО.

Такой многостадийный подход с одной стороны удлиняет процесс проектирования, но с другой стороны позволяет прорабатывать поведение системы в аварийных ситуациях, разрабатывать алгоритмы с учётом всех нюансов и, в итоге, получить качественное ПО, которое будет работать без вмешательства человека долгие годы.

ПО для ПЛК ОВЕН разработано с помощью интегрированной среды разработки (IDE) приложений для программируемых контроллеров СoDeSys V2.3.

ПО для панели оператора разработано с помощью программного обеспечения для программирования панелей оператора EasyBuilder 8000 4.66.02.012.

Мнемосхемы системы диспетчеризации

Задачи и решение

Несмотря на кажущуюся простоту, разработка мнемосхем для панелей управления является задачей с множеством переменных. Необходимо найти баланс между

  • наглядностью (возможностью быстро и однозначно находить причину проблемы и способы ее устранения) и

  • удобством (показывать на экране нужные объекты, связи и характер взаимодействия со смежными объектами, учитывая привычные ассоциации оператора и в удобном для этого виде).

Одни цели требуют уменьшения количества объектов на экране (для наглядности, отображения только нужных элементов с соответствующими связями). Вторые – минимизации количества экранов для простоты эксплуатации.

Для решения задачи применяется целый ассортимент мероприятий:

  • Создание графических элементов, обеспечивающие однозначную зрительную ассоциацию с реальным объектом.

  • Масштабирование объектов (в зависимости от их важности).

  • Выделение цветом как объектов и линий связи, так и параметров.

  • Создание технологических связей, подобных схемам рабочей документации.

  • Перенос подробных пояснений во всплывающие подсказки.

Перечень и наполнение мнемосхем

На мнемосхемах оператор должен видеть весь технологический процесс, управлять им, сбрасывать ошибки, задавать параметры. Для реализации удобных оператору мнемосхем, мы стремились обеспечить читаемость всех элементов интерфейса с учетом разрешения (800×480) и небольшого физического размера экрана панели (7 дюймов).

Рис. 7. Главный экран
Рис. 7. Главный экран

Главный экран (рис. 7)

При компоновке основного экрана, нам удалось вывести всю базовую информацию, обеспечив хорошую наглядность технологического процесса:

  • 7 шкафов управления с отображением сетевой доступности;

  • 7 показаний датчиков давления;

  • 6 насосов с отображением состояния и режима работы;

  • 6 показаний счётчиков воды (нарастающим итогом с начала эксплуатации системы);

  • 6 показаний мгновенного расхода;

  • 6 индикаторов наличия протока воды (определяются косвенно, по импульсам от счётчиков воды);

  • 2 строки событий и аварий.

Рис. 8. Фейсплейт
Рис. 8. Фейсплейт

Фейсплейты (рис. 8)

Нажатие на объекты определенной скважины открывает соответствующее окно (фейсплейт) со следующими возможностями управления:

  • переход в «Ручной режим» управления скважиной;

  • «Ручной пуск мотора» - запуск электродвигателя соответствующего насоса;

  • выставление «Паузы между пусками» насоса при неудачном запуске;

  • выставление «Цены импульса водомера» для получения актуальных значений расхода воды независимо от типа счетчика;

    Рис. 9. Окно настройки
    Рис. 9. Окно настройки
  • назначение «Приоритета» скважины в соответствующем каскаде.

Окно настройки (рис. 9)

По кнопке «Настройка» вызывается окно с Настройкой каскадного режима обеих групп скважин и уставками по каждой отдельной скважине.

Журнал событий (рис. 10)

Окно с прокручиваемыми списками событий / аварий и кнопкой сброса аварий.

Определение масштаба видеоэкрана

Рис. 10. Журнал событий
Рис. 10. Журнал событий

Мнемосхемы разрабатываются на персональном компьютере, где размер монитора значительно превышает размер панели оператора шкафа управления.

Для правильного отображения мнемосхем требуется учитывать реальный масштаб макета, и, следовательно, решить следующие вопросы:

  • На экране панели Weintek MT8070ie 7” (17,78см) при разрешении 800х480px плотность пикселей на дюйм – 133px.

  • На компьютере с монитором 24” (61,44 см) 1920х1080px плотность пикселей на дюйм (PPI) – 92px.

Таким образом, масштабирование экрана панели на монитор 24” должно быть (92 / 133 х 100% = 69%). То есть изображение нужно смотреть с масштабом порядка 70%.

Оформление мнемосхем

Обычно, при разработке мнемосхем, оформлению уделяется остаточное внимание (или не уделяется совсем). Нормой для отрасли являются пёстрые, не сочетающиеся друг с другом цвета, портящие впечатление и читаемость мнемосхем.

Причины, по нашему мнению, следующие:

  • Сложившееся мнение, что эксплуатирующий персонал в промышленности настолько суров, что ему достаточно текстовых параметров и самых упрощенных графических элементов.

  • Минимизации бюджета, что ведет к отсутствию у компаний-исполнителей не только технологов («Заказчик сам расскажет, как должно работать»), но специалистов по промышленному дизайну. В результате остается только программист-наладчик.

Мы категорически не согласны с таким подходом. Правильный дизайн мнемосхемы значительно улучшает качество работы эксплуатирующего персонала (скорость реакции, глубину понимания проблем и т.д.).

Состав и принципы рабочей документации АНВ

Рис. 11. Блок-схема одного из алгоритмов
Рис. 11. Блок схема одного из алгоритмов

По завершении проектирования был сформирован объемный том рабочей документации, включающий в себя следующие документы:

  • Ведомость чертежей основного комплекта.

  • Ведомость ссылочных и прилагаемых документов.

  • Общие данные (письменное описание системы автоматизации скважин).

  • Функциональная схема автоматизации (схема, показывающая взаимосвязи между всеми частями автоматизации).

  • Кабельный журнал (перечень всех кабелей с указанием откуда/куда, назначением, типом кабеля и метражом).

  • План кабельной канализации в виде (часть генплана в области скважин с нанесённой кабельной канализацией, кабельными раскладками, водопроводами, скважинами, строениями и коммуникациями).

  • Структурная схема сетей связи.

  • Блок-схемы алгоритмов (алгоритмы в графическом виде) (рис. 11).

  • Принципиальные схемы ЩУС и ЩУКС со спецификациями.

  • Спецификация оборудования и кабельной продукции.

Разработанная рабочая документация отличается полнотой и высоким качеством, содержит исчерпывающие сведения о системе управления скважинами.

Помимо рабочей документации, для персонала ТК были разработаны инструкции оператора и администратора, содержащие текстовые и графические материалы, позволяющие изучить все возможности и особенности системы управления скважинами.

Дополнительно, для проведения приёмосдаточных испытаний, включающих в себя проверку правильности подключения всего оборудование, проверку всех используемых цифровых и аналоговых каналов, линий связи, алгоритмов, были разработаны следующие документы:

  • Методика проведения испытаний оборудования автоматизации, внутреннего монтажа и ПО ШУС10.1, ШУС10.2, ШУС10.3, ШУС10.4, ШУС11.1, ШУС11.2, ШУКС, описывающая методы проведения тестов правильности подключения оборудования автоматизации, внутреннего монтажа, аналоговых и цифровых каналов, алгоритмов,

  • Протокол проверки правильности подключения оборудования автоматизации, внутреннего монтажа и программного обеспечения шкафов ШУС10.1, ШУС10.2, ШУС10.3, ШУС10.4, ШУС11.1, ШУС11.2, ШУКС включающий в себя тесты всех цифровых и аналоговых сигналов, а также алгоритмов.

В процессе приемосдаточных испытаний комиссия, состоящая из представителей ТК и проектной организации, приводит испытания по каждому пункту протокола проверки в соответствии с методикой проведения испытаний. Если испытание успешно и замечаний нет, то представители сторон фиксируют этот факт своими подписями. Если замечания есть, они вписываются в протокол. Только после устранения всех замечаний и прохождения всех испытаний протокола приёмосдаточные испытания считаются завершёнными. 

Корректирующие мероприятия в артезианских скважинах

Для установки новых шкафов на скважинах провели демонтаж старых шкафов и стоек, затем были установлены новые стойки, на которые смонтировали ШУС. В самих скважинах были установлены датчики давления 4-20мА. От них до ШУС проложены кабели.

ЭКМ решено было оставить. При работе в автоматическом режиме сигнал максимального давления от ЭКМ используется как аварийный, при работе в аварийном режиме возможно использовать ЭКМ как источник управляющих сигналов.

Между скважинами проложена кабельная канализация. Далее в ней разместили ВОЛС и сделали отвод оптики в каждый ШУС.

Организационные мероприятия по минимизации сроков проекта

Для реализации задачи в минимальные сроки, подрядчиком были предприняты следующие меры:

  • увеличение рабочей недели до 6 дней;

  • запараллеливание задач из разных блоков с подробными техническими заданиями последователям;

  • мобилизация внештатных специалистов для решения отдельных задач с включением в общую систему календарного планирования;

  • выбор компаний-поставщиков комплектующих шкафов с минимальными сроками поставки;

  • выделение нескольких бригад на сборку шкафов автоматизации.

Результаты двухлетней эксплуатации

За два года с начала промышленной эксплуатации новой системы автоматизации наружного водоснабжения достигнуты следующие показатели:

  • Коэффициент постоянной готовности скважин - 100%.

  • Выход из строя насосного оборудования - 0 случаев.

  • Постоянное заданное давление на всех участках водовода и на всех точках забора воды в теплице.

  • Обход скважин персоналом осуществляется один раз в неделю.

Безусловно, присутствуют и «шероховатости» при эксплуатации:

Из-за низкой надёжности электроконтактных манометров иногда происходят аварийные остановки насосов. Проблема должна уйти после замены ЭКМ на более надёжные в эксплуатации реле давления. Текущий момент можно считать переходным, т.к. сами реле уже закуплены и в ближайшее время начнутся работы по их монтажу.

Ещё одной проблемой является изредка возникающее расхождение показаний между тем, что считает ПЛК и показаниями на счётчике воды в некоторых скважинах. Пока причина такого расхождения не выявлена, но принято решение заменить счётчик на одной из проблемных скважин на аналогичный другого производителя и посмотреть будет ли эффект от замены.

Взаимодействие Заказчика и Исполнителя за пределами гарантийного периода

Важным критерием взаимодействия Заказчика и инженерного партнера является постпродажное сопровождение системы автоматизации, в том числе, за пределами гарантийного периода.

В качестве примера опишем ситуацию, которая случилась в июле 2020 года (материалы из отчета специалистов Исполнителя):

  1. После сильной грозы с ливнем произошло затопление колодцев скважин. После осушения колодцев не фиксировались показания датчиков давления. Эксплуатирующему персоналу удалось восстановить функционирование одной скважины после замены датчика давления, но три скважины оставались в режиме ограниченной функциональности. Было принято решение обратиться за помощью к разработчику системы автоматизации.

  2. Прибыв на место, мы начали работу с осмотра шкафов. При визуальном осмотре нарушений в работе выявлено не было, индикаторы работы на ПЛК и аналоговом модуле показывали нормальную работу.

  3. Для проведения диагностики был отключен модуль аналогового ввода от ПЛК и выполнено подключение напрямую к аналоговому модулю по RS485. Внутренняя самодиагностика канала показала, что датчик в обрыве.

  4. Далее была проведена проверка аналогового канала с помощью задатчика, выдающего 4-20 мА. После подключения задатчика диагностическое сообщение об обрыве датчика не изменилось. На изменение тока на входе в диапазоне 0-21 мА, канал не реагировал. Значит, можно сделать вывод о неисправности первого канала модуля аналогового ввода.

  5. Проверка задатчиком второго канала показала его исправность. После этого было принято решение об использовании резервного второго канала в качестве основного. Датчик был подключен к резервному каналу.

  6. Проблема не исчезла - полученные показания были сильно завышены. Эксплуатирующий персонал сообщил, что установлен датчик с пределом 1,6 МПа. После параметризации аналогового модуля наблюдался сигнал с датчика о давлении в 1,4 МПа, что примерно в 3 раза выше нормы. Измерение тока амперметром вернуло значение примерно в 18 мА, что полностью коррелировало с показаниями аналогового модуля.

  7. Поскольку ток, измеренный амперметром, и показания модуля сходились, было высказано предположение о неисправности датчика давления. Решено заменить датчик давления на скважине на абсолютно такой же новый. После замены датчика показания не поменялись. Стало ясно, что датчик скорее всего исправлен, и проблема в параметрах датчика.

  8. Для получения дополнительной информация выполнили работы на оставшихся проблемных скважинах, где также диагностировали неисправность первого канала аналогового модуля, перевели датчики на резервные каналы и получили такие же завышенные показания. Вывод о том, что параметры датчика отличаются от того, что нам сообщили, подтверждался.

  9. Чтобы проверить этот вывод, мы запросили для изучения паспорта датчиков. Изучив их, мы обнаружили, что на скважины установили многодиапазонные датчики (2,5 – 1,6 – 1,0 МПа). С завода они идут с настройкой на 1 МПа. После изменения верхнего предела, показания датчиков снизились до 0,8 МПа, что всё равно было в два раза выше нормы. Осталось проверить лишь подключение датчиков в колодце, где была обнаружена дополнительная ошибка, после исправления которой наконец-то были получены верные данные от датчиков.

  10. В диспетчерской мы занялись анализом и контролем работы каскада. В определённые моменты времени, при включении насоса скважины, электроконтактные манометры двух скважин выдавали аварийные сигналы по максимуму давления, что приводило к аварийной остановке насосов. Попытки настроить ЭКМ не привели к удовлетворительному результату, т.к. эти ЭКМ были сильно изношены и ограничено функциональны. Чтобы не вызывать сбоев в работе каскада мы предложили перевести эти скважины в ручной режим и пока не использовать, до момента устранения неисправностей в ЭКМ. В будущем, заменить их на более надёжные РД (реле давления).

  11. Убедившись, что оставшиеся в каскаде ЩУС работают нормально и текущего добываемого объёма воды достаточно для штатной работы тепличного комплекса, мы завершили свой визит в ТК Гринхаус.

Подчеркнем, что специалисты Исполнителя выдвинулись на объект оперативно (на следующий день после запроса ООО «Гринхаус») и без предварительной оплаты. В течение двух дней причины проблемы были обнаружены и устранены, подготовлен подробный технический отчет.

Высокая скорость реакции подрядчика сняла риски для полноценной эксплуатации тепличного комплекса.

Выводы по созданию и эксплуатации системы АНВ ТК

Комплексная автоматизация наружного водоснабжения такого крупного объекта как тепличный комплекс существенно выигрывает у частичной автоматизации (по принципу, индивидуальная автоматизация каждому объекту). Обеспечивается намного более высокое качество управления технологическим процессом, высокая надёжность функционирования системы, удобство контроля и обслуживания. Деньги, заложенные в создание системы автоматизации, вернутся на этапе эксплуатации.

Так же как верно и обратное утверждение: деньги сэкономленные на этапе автоматизации, сторицей придётся вложить на этапе эксплуатации.

Комплексная автоматизация, как показывает эта статья, довольно сложный процесс. Созданием соответствующих систем должны заниматься компании:

  • досконально знающие технологию автоматизируемого объекта;

  • имеющие профильные знания и навыки (от нижнего до верхнего уровня автоматизации);

  • опыт пусконаладочных работ и эксплуатации подобных систем.

Важным критерием выбора компаний является качество их документации и полнота раскрываемой информации. Документации в проектах автоматизации очень много, а ее объем часто превышает объем даже технологических разделов.

Если документация скудна и неполна, а вместо детальных чертежей только указания «уточнить по месту», то и проработка проектных решений будет посредственной.

С другой стороны, подробная документация позволяет не только принять разумное решение на этапе реализации, но и серьезно упростить эксплуатацию объекта. Это касается не только рабочей или исполнительной документации, но и описаний алгоритмов, инструкций пользователя и администратора, программы и протоколов наладочных работ.

Автор статьи:
Поляков Виталий Викторович, генеральный директор «ВВП Инжиниринг»

Соавторы:
Бабкин Александр Николаевич, главный энергетик ООО «Гринхаус»
Ретунский Сергей Владимирович, руководитель департамента автоматизации «ВВП Инжиниринг»
Кузьмин Виталий Сергеевич, руководитель проектов «ВВП Инжиниринг»
Орлов Николай Павлович, директор «ОНП Стройавтоматика»

Другие статьи

Использование застройщиком-инвестором цифровой модели при строительстве высокотехнологичного предприятия

Использование застройщиком-инвестором цифровой модели при строительстве высокотехнологичного предприятия

Информационно-справочная 3D-модель газопоршневой установки MTU GB1948N5 (20V4000L33) с демонстрацией основных блоков

Информационно-справочная 3D-модель газопоршневой установки MTU GB1948N5 (20V4000L33) с демонстрацией основных блоков

Информационно-справочная 3D-модель газопоршневой установки MTU GB1948N5 (20V4000L33) с расположением штатных датчиков

Информационно-справочная 3D-модель газопоршневой установки MTU GB1948N5 (20V4000L33) с расположением штатных датчиков