2. Elastyczność

Oczywistym jest fakt, iż nie jest możliwe określenie sztywnego modelu systemu kontroli i monitoringu procesów przemysłowych towarzyszących produkcji i dystrybucji ciepła, który pasowałby zarówno do systemu ciepłowniczego o obciążeniu rzędu kilku, kilkunastu MW jak i do systemu wyposażonego w kotły WP o mocy kilkudziesięciu MW każdy. Błędem byłoby jednak indywidualne tworzenie specyficznych implementacji dla poszczególnych odbiorców - takie rozwiązanie nie dość, że znakomicie podraża koszty pojedynczego wdrożenia, dodatkowo uniemożliwia wzajemną wymianę doświadczeń między użytkownikami. Z tych właśnie powodów firma PRATERM opracowała uniwersalny model o wydzielonych, niezależnych warstwach, komunikujących się między sobą w ściśle określony sposób. Implementacje tego modelu różniące się ze względu na wielkość obiektu jak i na finansowe zaangażowanie inwestorów od kilku lat funkcjonują z powodzeniem w systemach ciepłowniczych o różnych charakterystykach.

Poszczególne warstwy modelu od strony sprzętowej stanowią:

  1. Sterowniki przemysłowe i panele pomiarowe. Są to urządzenia automatyki montowane w bezpośredniej bliskości sterowanych urządzeń: kotłów, węzłów cieplnych itp.. Z zastosowania tego typu rozwiązania płynie szereg korzyści:

    • przewody pomiarowe są znacznie krótsze niż w przypadku stosowanych czasami komputerów wyposażonych w karty przetworników analogowo-cyfrowych, które znajdują się często w znacznej odległości od przyrządów pomiarowych - długie przewody to nie tylko wzrost kosztów montażu, ale także zmniejszenie niezawodności i odporności na zakłócenia

    • wizualizacja parametrów pracy i nastaw sterowania monitorowanych obiektów bezpośrednio przy nich znakomicie ułatwia obsługę

    • sterowniki wyposażone są we własne algorytmy sterowania, które pozwalają im skutecznie pracować nawet w przypadku awarii sprzętu (warto zwrócić tu uwagę na to, że przy tych założeniach same komputery jako takie nie są niezbędnie potrzebne do prawidłowego sterowania procesami technologicznymi, jednak mają ogromny wpływ na podniesienie efektywności tego sterowania)

    Oferowane przez firmę PRATERM sterowniki przemysłowe produkowane przez firmę Z-elektronik są w odróżnieniu od wielu produktów konkurencyjnych urządzeniami wyposażonymi w program sterujący przez samego dostawcę, stąd rola użytkownika sprowadza się do zadania nastaw kluczowych parametrów pracy - nie są to regulatory swobodnie programowalne. Popularna u niektórych producentów reklama możliwości zaprogramowania praktycznie wszystkiego, w rzeczywistości sprowadza się do tego, że na użytkowniku spoczywa nie tylko naturalny w tym przypadku obowiązek znajomości procesów technologicznych, ale także obowiązek znajomości zasad programowania, który wydaje się zupełnie nieuzasadniony i w praktyce oznacza znaczne podrożenie tego typu automatyki.

    Rysunek 3. Wygląd panela regulatora firmy Z-elektronik

    Sterowniki Z-elektronik mają trzy wyświetlacze numeryczne (Rysunek 3). Czteropozycyjny prawy pokazuje w sposób ciągły wartość kluczową dla procesu sterowania, natomiast dwa lewe tworzą parę, w której lewy dwupozycyjny wyświetla kod, a prawy czteropozycyjny wartość parametru wybranego przez użytkownika za pomocą klawiatury. Możliwe jest dodanie modułu z dodatkowymi 4 wyświetlaczami czteropozycyjnymi. Łączność ze światem zewnętrznym zapewnia 8 optoizolowanych wejść logicznych, 12 konfigurowalnych wejść analogowych (m.in. 0÷20mA, 0÷24V, PT100 zakresy -30÷70°C, 0÷200°C, 0÷400°C), 16 wyjść logicznych, 3 wyjścia prądowe 0÷20mA (możliwe jest dodanie elementu rozszerzającego wyposażonego w dalszych 56 wejść logicznych i 16 wejść analogowych lub 4 wyjścia prądowe) i dwa przełączane złącza RS mogące pracować w trybie RS-232 lub RS-485. Jedno z tych łącz może być przeznaczone do komunikacji z innym sterownikiem, zaś drugie jest zwykle wykorzystywane do połączenia z komputerem centralnym - drugą warstwą modelu uniwersalnego.

    Do sterowania węzłami ciepłowniczymi firma Praterm wprowadza sterowniki serii SK-2000 i SK-4000 produkowane przez firmę Sterkom. Są to nowoczesne, a przy tym tanie, projektowane i produkowane w całości w Polsce urządzenia.

  2. Komputer centralny. Komputer, do którego spływają informacje z jednostek niższej warstwy jest sercem systemu zbierania, archiwizacji i prezentacji danych SZARP (zwany serwerem SZARP-a). Zwykle w systemie występuje tylko jedna taka maszyna, co z powodzeniem pokrywa zapotrzebowanie na moc obliczeniową, aczkolwiek w kilku implementacjach firma PRATERM użyła więcej niż jednego serwera. Regułą jest, iż sterowniki i panele znajdujące się w odległości nie większej niż 100m od serwera (czyli praktycznie wszystkie jednostki na ciepłowni) połączone są w sposób 1-do-1 przez RS-232 przy pomocy terminala wieloportowego, natomiast jednostki odległe (rozmieszczone na węzłach cieplnych) w sposób 1-do-wielu: w przypadku łącz dzierżawionych, przez RS-485, zaś w przypadku wydzielonego pasma przez modemy radiowe. Ponieważ zapewnienie komunikacji na długich dystansach jest stosunkowo drogie i kłopotliwe (w przypadku łącz dzierżawionych przeszkodą jest nienajlepszy, czasami wręcz skandaliczny stan przewodów telekomunikacyjnych, przy komunikacji radiowej konieczna jest kontrola synchronizacji nadajników i odbiorników oraz takie umiejscowienie anten, aby nie tylko zapewniały one prawidłową transmisję, ale także były niedostępne dla złodziei czy zwykłych chuliganów), firma PRATERM udostępnia też opcję wolnej, jednostronnej (od serwera do sterowników) ale za to relatywnie taniej i niezawodnej łączności z wykorzystaniem magistrali ciepłowniczej.

    System jest też otwarty na inne technologie. Możliwe jest wykorzystanie do komunikacji z węzłami dzierżawionych i publicznych linii telefonicznych zarówno analogowych jak i ISDN, sieci bezprzewodowych WLAN, modemów GSM/GPRS czy dowolnego łącza do Internetu.

    Takie podejście daje odbiorcy możliwość doboru praktycznie dowolnej konfiguracji sterowników, z którymi komunikuje się komputer centralny. Jedynym (górnym) ograniczeniem jest ilość portów wejściowych serwera, która nie może przekroczyć 128, co w praktyce oznacza podłączenie maksimum 128 sterowników i paneli do jednego serwera w sposób 1-do-1 i oczywiście znakomicie większą ilość w sposób 1-do-wiele.

    Sterowniki mikroprocesorowe i panele przemysłowe dostarczane przez firmę PRATERM są wyposażone w protokoły komunikacyjne przystosowane do współpracy z systemem komputerowym. Nie oznacza to jednak bynajmniej, iż system komputerowy firmy PRATERM może komunikować się tylko z jednostkami oferowanymi przez tę firmę - wręcz przeciwnie. Opracowanie hierarchicznej struktury programów z wydzieloną warstwą odpowiedzialną za komunikację z urządzeniami peryferyjnymi umożliwiło zaimplementowanie i wdrożenie obsługi protokołów transmisji danych ze sterowników innych firm.

    Dostępne są w tej chwili sterowniki między innymi do liczników energii Alstom M301 i DataPaf,sumatorów KWMS, przeliczników FP-2001, ciepłomierzy Kamstrup Multical, wiatromierzy LB-746. W razie potrzeby możliwe jest napisanie sterownika dla praktycznie dowolnego urządzenia pomiarowego udostępniającego dane w postaci cyfrowej.

    Podobnie jak modularyzacja w sferze zastosowanego sprzętu, hierarchiczna budowa oprogramowania umożliwia dostosowanie systemu komputerowego do potrzeb indywidualnego odbiorcy bez opracowywania specyficznych implementacji. System zbierania, archiwizacji i prezentacji danych stanowią:

    1. Demony linii odpowiedzialne za bezbłędną transmisję w obrębie jednego kanału komunikacyjnego. W zależności od typu kanału (1-do-1 lub 1-do-wiele) nadzorują one pojedyncze urządzenie lub grupę jednostek podrzędnych (sterowników i paneli).

    2. Program koncentrujący dane z demonów linii, uśredniający, filtrujący, wyliczający parametry pośrednie i udostępniający tak przetworzone dane aplikacjom użytkowym w postaci współdzielonej tablicy.

    3. Program uśredniający, odczytujący średnie 10-cio minutowe przez mechanizm dzielonej pamięci i zapisujący je do bazy danych.

    4. Programy do edycji, wizualizacji i wydruku raportów o stanie nadzorowanego systemu.

    5. Program przeglądający, prezentujący w postaci wykresów wszystkie zebrane dane.

    6. Program sygnalizacji przekroczeń dozwolonych zakresów parametrów.

    7. Program ekstraktor odczytujący wybrane dane z bazy i zapisujący je w formacie akceptowalnym przez arkusze kalkulacyjne.

    8. Program wizualizacji schematu technologicznego systemu ciepłowniczego z prezentacją monitorowanych parametrów (odpowiednik tablicy synoptycznej).

    9. Program backup'ujący na taśmę streamer'a lub inne medium wymienialne dane zapisane w bazie.

    10. Programy optymalizacji (sterowania nadrzędnego) pracy systemu.

    11. Specyficzne programy pomocnicze (np. program do rejestracji analiz węgla i żużla, program do wyliczania bilansu energetycznego kotła będący implementacją algorytmu opracowanego przez dr. Rusinowskiego z Politechniki Śląskiej w Gliwicach).

    Podstawa systemu, tzw. szkielet, składa się z programów 1, 2, 3, 4 i 5, gdzie trzy pierwsze jako procesy pracujące w tle stanowią jądro niewidoczne dla użytkownika (są bezobsługowymi procesami nie prowadzącymi dialogu z użytkownikiem), zaś dwa ostatnie są podstawowymi narzędziami komunikacji z systemem. W zalecanym przez firmę PRATERM trybie wdrażania przez odbiorcę systemu komputerowego, w pierwszej kolejności powinien on zainstalować wspomniany szkielet oprogramowania, zaś w miarę wzrostu zapotrzebowania i biegłości obsługi (charakteryzują się one podobnym, intuicyjnym interfejsem) rozbudowywać swój system o kolejne komponenty.

    Ten model (zbiór niezależnych programów pracujących współbieżnie i komunikujących się ze sobą na tej samej maszynie) wymusił wybór systemu operacyjnego charakteryzującego się prawdziwą wielozadaniowością, wielodostępnością jak i standardowymi mechanizmami komunikacji międzyprocesowej. Od 1997 roku firma PRATERM w swoim systemie komputerowym stosuje opracowywany przez tysiące programistów na całym świecie system operacyjny z otwartym kodem źródłowym (Open Source) Linux. Jego architektura należy do najbardziej rozbudowanych i elastycznych na rynku: obsługuje większość dostępnego na rynku urządzeń peryferyjnych, oferuje wysokie bezpieczeństwo. Wsparcie ze strony takich firm jak HP, Novell czy IBM zapewnia przyszłość tego systemu.

    Oczywiście z punktu widzenia odbiorcy istotniejszymi cechami systemu są jego przyjazność, łatwość obsługi. Trendy światowe i doświadczenia użytkowników wskazują na celowość stosowania robiącego od kilku lat furorę graficznego interfejsu użytkownika, znanego przede wszystkim z bezapelacyjnego przeboju rynkowego firmy Microsoft - systemu Windows. Interfejsem graficznym zastosowanym w Linux jest osadzony na platformie XWindows. Aplikacje wykorzystują działające na jego bazie biblioteki graficzne Motiff i wxWidgets. Interfejsy budowane z ich pomocą mogą być obsługiwane tylko myszką, co znakomicie usprawnia proces szkolenia pracowników obsługi - klawiatura jest na tyle zbędna, iż niektórzy użytkownicy dobrowolnie z własnej inicjatywy zrezygnowali w ogóle z jej używania (choć z drugiej strony dla użytkowników doświadczonych możliwe jest podejście zupełnie odwrotne, tzn. operowanie systemem tylko przy pomocy klawiszy, co jest trudniejsze, lecz za to szybsze).

  3. Terminale graficzne. Każde przedsiębiorstwo energetyki cieplnej posiada szereg działów zazwyczaj znajdujących się w różnych budynkach. Poczynając od pracowników bezpośredniej obsługi przez nadzór techniczny aż do dyrektora - wszyscy są zainteresowani tym, co dzieje się w systemie ciepłowniczym. Naturalnym więc jest, że istnienie jednego tylko komputera centralnego, na którym dostępne są wszystkie dane o monitorowanych procesach technologicznych jest niewystarczające - powstaje konieczność umożliwienia pełnego dostępu do komputerowego systemu zbierania, archiwizacji i prezentacji danych. Najlepszym rozwiązaniem okazała się sieć lokalna typu Ethernet łącząca komputery spełniające rolę terminali graficznych podłączonych do komputera centralnego. Są to klasyczne komputery klasy PC wyposażone w specjalne oprogramowanie emulujące Xterminal (współpracujące z systemem XWindows). Jest to znacznie lepsze rozwiązanie niż zastosowanie sprzętowych Xterminali, które co prawda często są tańsze i nieco szybsze, lecz jako urządzenia specyficzne mają mały obszar zastosowania, a poza tym użytkownik komputera PC może prócz korzystania z systemu zbierania danych wykonywać na swojej maszynie także inne prace (np. związane z księgowością), której to możliwości jest pozbawiony w przypadku Xterminala sprzętowego.

    Standardowo komputery dostosowywane przez firmę PRATERM do funkcji terminali graficznych wyposażane są w oprogramowanie XFree86/Cygwin rozwijane przez programistów z całego świata, które charakteryzuje się małymi wymaganiami sprzętowymi, dużą wydajnością działania i wreszcie tym, że jego obsługa jest identyczna z obsługą systemu operacyjnego działającego na komputerze centralnym - użytkownik praktycznie nie może odróżnić, czy siedzi przy serwerze z systemem Linux, czy przy terminalu z XFree86/Cygwin.

    Unikalną możliwością jest dostęp do danych historycznych dowolnej ilości instalacji systemu SZARP za pomocą komputera PC podłączonego do Internetu, także w trybie off-line - użytkownik łączy się tylko na czas ściągnięcia danych które zmieniły się od czasu ostatniego połączenia. Funkcjonalność taka jest chętnie wykorzystywana przez członków kadry zarządzającej ciepłowni, którzy mogą kontrolować pracę swojego obiektu i porównywać z innymi ciepłowniami także za pomocą komputera domowego czy notebooka.

W komputerowym systemie zbierania, archiwizacji i prezentacji danych oferowanym przez firmę PRATERM przy zastosowaniu identycznego szkieletu oprogramowania możliwe jest stworzenie systemu z 3 serwerami, 6 terminalami oraz kilkudziesięcioma sterownikami i panelami, jak również systemu z jednym serwerem i dwoma sterownikami, a obsługa programów z punktu widzenia użytkownika jest w obu tych przypadkach identyczna.