Otevřený řídicí systém sítě CZT

Koncem roku 2010 byl dokončen a předán modernizovaný systém řízení a monitorování tepelného a energetického hospodářství ve slovenském Trenčíně. Cílem rekonstrukce bylo vytvořit jednotný a efektivní systém měření a regulace, který by umožnil nejen přímo monitorovat a ovládat všechny zdroje tepla (kotelny) a předávací stanice v systému, ale i perspektivně doplňovat systém o optimalizační funkce. Ty je vhodné zavádět na základě vyhodnocení měřených dat, pokud se výsledky potvrdí vhodnost jejich zavedení. V příspěvku je na případu z praxe ukázán postup při výběru a realizaci řídicího systému pro městskou síť centralizovaného zásobování teplem (CZT). Cílem bylo vytvoření otevřeného systému na všech třech úrovních: na úrovni periferií, automatizační i na řídicí úrovni.

Úroveň periferií
Využila se stávající čidla, silnoproudé prvky i akční členy z důvodu ochrany investic. Životní cyklus hydronických prvků je při řádné údržbě i dvojnásobný proti životnosti elektronických zařízení (regulačních systémů), kde hraje roli hlavně jejich kratší morální životnost: regulační systémy instalované v 80. – 90. letech nebyly schopné napojení na centrální dispečink. Ostatně poté, co budovy prošly stavebními rekonstrukcemi včetně zateplení, mělo význam i přehodnotit použité regulační strategie, což ve většině případů vede tak jako tak k výměně regulace.

Automatizační úroveň
V rámci rekonstrukce některých předávacích stanic byly dodány kompaktní předávací uzly, vybavené vlastní regulací (Siemens Saphir). Toto řešení má řadu výhod: menší pracnost montáže, nižší riziko chyby v zapojení, protože většina periferií je již připojená z výroby, jednodušší uvádění do provozu apod. Na druhou stranu i tyto jednotky bylo nutné připojit na centrální dispečink. Výrobce uzly vybavil komunikačními kartami s protokolem BACnet, které se po menších potížích podařilo nastavit tak, že komunikace standardním protokolem byla zprovozněna. Situaci by zjednodušilo, kdyby zadavatel požadoval a specifikoval možnost otevřené komunikace již v podmínkách pro výběr dodavatele předávacích uzlů. To se však nestalo a tato část byla řešena během realizace a vyjasňování některých technických detailů trvalo mnoho týdnů. Dalším úkolem bylo integrovat do systému kotelnu pro spalování biomasy, která zásobuje 2800 bytů na sídlišti Juh a byla vybavena vlastním řídicím systémem. Pro tuto vazbu byl zvolen standard OPC: k systému řízení kotlů byl doplněn OPC server, který přenáší data do nové podstanice s dotykovým displejem pro řízení distribučních čerpadel. Většina podstanic byla nahrazena řídicími jednotkami Domat IPLC300, které umožňují kromě řízení procesů zároveň například i integraci měřičů energií či cizích řídicích systémů.

Úroveň řídicí (vizualizace)
Jasným požadavkem zákazníka bylo vybudovat systém, který umožní kromě každodenního ovládání a správy technologií i nezávislou práci s naměřenými historickými daty a jejich dlouhodobé vyhodnocování vlastními prostředky. Proto se historická data ukládají do SQL databáze, k níž mají přístup i energetičtí analytici. Ti mohou sestavovat vlastní reporty, modelovat chování sítě na základě naměřených dat a navrhovat optimalizační algoritmy pro její řízení. Do databáze budou také zaznamenávány hodnoty dálkových odečtů některých médií přes SMS.

Schéma řídicího okruhu v kotelně pro spalování biomasy

Řešení s ohledem na budoucnost
Zákazník, Služby pre bývanie, s. r. o., měl jasný cíl: propojit spravované objekty sítí, která bude vyhovovat jeho požadavkům nejen současným, ale i budoucím – ty ovšem nejsou dnes ještě známy. Jisté ale je, že robustní IP infrastruktura s vysokou propustností, navíc schopná upgradu, je dobrou volbou. Toto řešení podpořil i fakt, že na dispečink byla před rekonstrukcí připojena pouze část objektů – pevnou kabeláží (sériovými linkami) a vytáčeným telefonickým připojením. Telefonické připojení (dial-up) byla v 90. letech jediná možnost pro dálkovou správu. Z dnešního hlediska má ale značné nevýhody: nese s sebou provozní náklady za uskutečněná spojení (spojení je účtováno v čase), datová propustnost je relativně nízká a navíc dnešní telefonní spojovací systémy často analogové modemy nepodporují. Stále větším problémem je i sehnat v současnosti náhradní prvky (modemy s rozhraním RS232). Nevýhodou je také to, že pokud není centrála vybavena více modemy (linkami), může být v jeden okamžik spojena pouze s jedním subsystémem.

Proto bylo rozhodnuto připojit všechny uzly na vysokorychlostní IP síť. Protože se jedná o více než 50 objektů, nebylo by praktické využívat služeb jednotlivých poskytovatelů připojení k internetu. Všichni poskytovatelé by museli nabízet služby stejného standardu, zabezpečení by se muselo řešit softwarově (VPN) a jednání s řadou subjektů by komplikovalo správu sítě. Byl tedy vybrán hlavní dodavatel, firma Slovanet, která již ve městě působí. Tento dodavatel pak navrhl a realizoval autonomní síť bezdrátových pojítek, založenou na 5GHz přístupových bodech Motorola Canopy, dosahujících přenosové rychlosti až 14 Mbps. Infrastruktura obsahuje pět přístupových bodů s desítkami klientů a aktivních prvků v jednotlivých objektech. V síti je kladen vysoký důraz na zabezpečení, servisní přístup zvenčí je možný pouze přes VPN. Infrastruktura má dostatečnou přenosovou kapacitu na připojení dalších zařízení, kterými v budoucnu mohou být zabezpečovací a kamerové systémy atd. Společnost Služby pre bývanie se totiž zabývá nejen výrobou a prodejem tepla, ale i správou bytů a dalšími technickými službami.

Správa přenosové sítě je tedy přenechána subdodavateli, což pro provoz sítě centrálního zásobování teplem představuje stálé a plánovatelné provozní náklady, smluvní jistotu funkčnosti komunikační sítě a možnost soustředit se na svou hlavní činnost podnikání.

Integrace měřičů spotřeby tepla
Součástí zadání byla i integrace patních měřičů spotřeby tepla v objektech, kalorimetrů ve zdrojích i dalších měřičů energií. Některé stávající měřiče byly podle potřeby nahrazeny měřiči novými, vybavenými komunikací M-Bus. Jiné starší měřiče s impulsními výstupy budou integrovány na M-Bus převodníky. Pro M-Bus nebyla budována zvláštní infrastruktura, procesní podstanice integrují M-Bus přes místní rozhraní a kumulované hodnoty se přenášejí spolu s hodnotami z regulace na centrální dispečink. Hlavní důvod byl ten, že měřiče s rozhraním M-Bus mohou kromě kumulovaných hodnot poskytovat i některé žádané okamžité hodnoty: výkon, průtok, teplotní spád apod. Tyto veličiny mohou být využity pro optimální regulaci, a proto je dobré je mít k dispozici již v příslušných procesních stanicích.

Někdy tomu tak ovšem není a pro měření pak vzniká samostatná M-Busová síť. Důvodem je obvykle rozložení měřičů a podstanic, které by vyžadovalo příliš velký počet převodníků M-Bus a podstanic s možností integrace, čímž by došlo k navýšení ceny řešení. V některých případech je vhodnější doplnění již existující sítě M-Bus (nebo jejích fragmentů) nebo se počítá s heterogenní měřicí sítí – kombinací ručních odečtů, M-Busu, odečtů pomocí GSM modulů apod. Dalším důvodem bývá nezávislost projektu regulace a měření – tyto dvě úlohy nejsou řešeny jako celek.

V Trenčíně do jisté míry k podobné situaci došlo: v některých vzdálených objektech, kde není instalován regulační systém, jsou měřiče, k nimž by bylo přivedení M-Busového vedení investičně náročné a technicky velmi složité. Proto i zde byly využity již instalované GSM moduly pro zasílání odečtů pomocí SMS. Na centrále se dokončuje modul pro příjem těchto odečtových zpráv a jejich zápis do databáze, takže všechny odečty budou přivedeny na jednotnou platformu.

Centrální dispečink
Centrální dispečink je umístěn v sídle společnosti. Obsahuje tři pracovní stanice: dispečerskou, která slouží pro každodenní běžnou práci se systémem, kontrolu hodnot, nastavování provozních parametrů, příjem alarmů apod. Dále stanici servisní, která byla využívána hlavně při uvádění systému do provozu pro přidávání nových zařízení, aby práce při rozšiřování systému nerušily běžný provoz dispečinku. Po dokončení prací funguje jako záložní nebo doplňková konzole a její hlavní úkol bude při dolaďování a optimalizaci parametrů systému. Třetí stanice je u vedoucího výroby, který potřebuje mít přehled o okamžitých i historických hodnotách.

Jako vizualizační software byl instalován osvědčený SCADA systém RcWare Vision, v němž bylo jen potřeba doplnit některé funkce pro podporu více monitorů. Díky výkonným podstanicím a širokopásmovému spojení jsou hodnoty aktualizovány v řádu vteřin. Celkem je v systému přes 7000 datových bodů, přičemž každá kotelna obsahuje 100 až 250 proměnných; předávací stanice asi 50 proměnných. Hodnoty se vzorkují každou minutu. Tento datový tok se zpracovává s použitím databázové nadstavby (RcWare DB), která pracuje jako konektor mezi vizualizací a databází SQL a zajišťuje kompresi dat a efektivní přístup k nim.

Dálkový přístup
Pro online přístup k dispečinku je možné využít i webový server, z internetu ovšem dostupný z bezpečnostních důvodů pouze přes VPN připojení. U řady jiných realizací takový důraz na bezpečnost kladen není a přístup je zabezpečen pouze jménem a heslem přes otevřené webové spojení (http). Vždy je to ovšem otázka kompromisu mezi pohodlím pro uživatele (možnost přistupovat z libovolného místa, ochrana pouze jednoduchým heslem, netřeba instalovat žádné certifikáty atd.) a požadavky na síťovou bezpečnost (při přístupu pouze z definovaných IP adres není například možné připojit se ze zahraničí, heslo se pravidelně mění a je nezapamatovatelné, používají se hardwarové pomůcky pro přístup do VPN, jako RSA SecurID apod.). Pokud uživatel vyžaduje nekomplikovaný přístup, měl by být vždy srozumitelně na možná bezpečnostní rizika upozorněn. To, že technologická zařízení zatím nejsou hromadně napadána kybernetickými útoky, je dáno především jejich různorodostí („security by obscurity“) a nevelkou mírou rozšíření. Přísnější přístup ze strany správce sítě je tedy naprosto v pořádku a vítáme ho, i za cenu zmíněného nepohodlí.

Budoucí modifikace
Důležitým požadavkem při výběru dodavatele byla možnost dodatečných úprav v softwaru pro řízení zdrojů i spotřebičů – příprava pro dlouhodobou optimalizaci a nasazení pokročilých řídicích algoritmů, které však bude možné definovat až po získání dostatečného množství dat z provozu sítě. Z tohoto zadání je jasné, že podstanice musely být volně programovatelné. I volně programovatelné zařízení by si ale mělo udržet vlastnosti důležité pro spolehlivý provoz po řadu let. Program by měl být čitelný i po několika letech a pro jiné osoby než jeho autora (srozumitelná struktura podle IEC1131-3).

Důležitá je i snadná aktualizace záloh programu hodnotami z procesu, aby při přehrání programu byly zachovány poslední nastavené hodnoty a ne hodnoty několik let staré. Inženýrské prostředí (programovací software) by mělo být podporované i budoucími operačními systémy a pokud možno bez složitého licencování. Vhodné je dokumentování programu komentáři ve schématech a používání standardních funkčních bloků, jako jsou ekvitermní křivky, střídání agregátů, PI regulátory apod. Nemělo by se opomenout ani snadné zálohování a archivace projektů, možnost verzování, přestože je v těchto případech výhodnější pracovat s jedinou – platnou – verzí než spravovat osm záloh dva roky zpět.

Uvedení do provozu
Software a uvádění do provozu zajišťovala firma se sídlem v Trenčíně, ISSU, s. r. o., za podpory systémového inženýra z bratislavské pobočky dodavatele řídicího systému. Místní partner byl velmi vhodnou volbou, protože rekonstrukce probíhaly za provozu a montážní práce měření a regulace bylo třeba operativně přizpůsobovat harmonogramům ostatních profesí – topenářů, izolatérů atd. Díky dálkovému přístupu do sítě a možnosti přehrát software i na dálku (z libovolného bodu v síti) bylo možné uvádět do provozu jednu až dvě předávací stanice týdně, aniž by odběratelé byli postiženi výpadky.

Ing. Jan Vidim
Foto: Domat Control System
Recenzoval: Ing. Ondřej Hojer, Ph.D.

Autor působí ve společnosti Domat Control System, s. r. o.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.