MONITORING, CONTROL AND DATA ACQUISITION SYSTEMS (SCADA)

USED IN WASTEWATER TREATMENT PLANTS

Abstract:The implementation of the SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system has a positive impact on the operations, maintenance, process improvement and savings for the wastewater treatment plants. This paper will discuss the system's evolvement, the external/internal architecture, and the human-machine-interface graphical design. Finally, it will demonstrate the system's successes in monitoring the sewage and sludge collection/distribution systems, wet-weather facilities and wastewater treatment plants, complying with the NTPA requirements on the discharge, and effectively reducing the operations and maintenance costs.

1. Generalităţi

Acronimul SCADA provine din limba engleză şi corespunde termenilor “Supervisory Control and Data

Acquisition” respectiv control de supervizare şi achiziţii de date. În general, se face referire la un sistem de control industrial, de regulă un sistem de calcul bazat pe un computer care monitorizează şi controlează un proces. Procesul poate să fie din domeniu industrial, sau din domeniul infrastructurii.

Componentele generale ale sistemului

De regulă, un sistem SCADA conţine următoarele subsisteme:

� Interfaţa om-maşină, sau modulul operator. Acest element se prezintă sub forma unui dispozitiv care permite afişarea datelor de proces către un operator, totodată oferindu-i acestuia şi posibilitatea de control asupra procesului.

� Unitatea centrală de calcul – este reprezentată de un calculator care rulează aplicaţia SCADA şi care realizează achiziţia datelor de proces, precum şi controlul procesului prin trimiterea comenzilor specifice către elementele de acţionare.

� Unităţile Terminale Comandate la Distanţă (RTU – Remote Terminal Unit) care realizează conectarea senzorilor la proces şi care transpun semnalele electrice de la ieşirile senzorilor în semnale electrice digitale. De asemena, unităţile terminale îndeplinesc şi funcţia de transmisie a acestor semnale către sistemul SCADA.

� Controler logic programabil (PLC - Pogrammable Logic Controller), folosit ca şi element de proces, poate îndeplini funcţia de unitate terminală periferică (RTU), şi prezintă faţă de acestea avantajul unei mai bune versatilităţi şi flexibilitate în configuraţie, la un cost mai scăzut.

� Infrastructura de comunicaţii, care asigură interconectarea elementelor sistemului SCADA.

2. Studiu de caz. Aplicaţii SCADA la Staţia de epurare de la S.C. COMCEH S.A. Călăraşi

Un exemplu de implementare a unui sistem SCADA complex şi performant este cel al staţiei de epurare de la uzinele COMCEH, jud. Călăraşi. În cele ce urmează, se va face referire la principalele elemente componente ale sistemului şi la funcţionalitatea lor ca parte integrantă a procesului de epurare, urmând ca mai apoi să se scoată în evidenţă modul în care sistemul SCADA implementat contribuie la creşterea performanţelor generale ale procesului de epurare.

2.1 Schema de principiu şi structura sistemului SCADA

Din punct de vedere structural, sistemul SCADA implementat la S.C. COMCEH S.A. reprezintă un sistem de generaţia a treia, de tipul structurat în reţea. La realizarea părţii de comunicare, s-a apelat la tehnologii moderne şi performante prin folosirea unei infrastructuri de fibră optică la transportul semnalelor de date conforme protocolului TCP/IP. De asemenea, s-a folosit şi protocolul PROFIBUS pe suport RS485, pentru realizarea comunicării între elementul principal de control al procesului (Camera de comanda) şi Unităţile Terminale Comandate la Distanţă

(RTU). Sistemul prezintă o configuraţie ierarhizată şi distribuită, conform schemei de interconectare prezentată în figura 1.

Figura 1. Schema bloc a sistemului de comunicaţii SSDC – SCADA server şi display client; PLCC1 – Automat programabil central în cutia de automatizare; PLCL1 – Automat programabil local în cutia de comandă locală 1; SM1-3 – Sisteme de măsură parametri proces; MC1-3 – Media convertoare; T1-n – Traductoare

2.2 Monitorizarea locală a parametrilor de funcţionare, funcţiile sistemului SCADA

Dintre funcţiile principale ale sistemului SCADA implementat, putem aminti următoarele: � Conducerea automată a procesului tehnologic în scopul optimizării parametrilor de ieşire şi al

eficientizării; � Afişarea în timp real a stării procesului tehnologic; � Afişarea grafică a datelor de proces, în scopul elaborării unor strategii de exploatare performante; � Gestionarea eficientă a istoricului mărimilor de proces, a stării echipamentului, precum şi a situaţiei

alarmelor; � Generarea periodică de rapoarte de funcţionare; � Posibilitatea intervenţiei directe în proces a utilizatorului în funcţie de drepturile de acces pe care

acesta le are; � Posibilitatea supravegherii de la distanţă a procesului prin utilizarea de staţii client SCADA

Figura 2. Interfaţa principală a aplicaţiei SCADA

Structura internă a programului de aplicaţie se bazează pe rularea simultană a patru servere care vor gestiona

fiecare sarcini specifice. Este posibil ca aceste servere să fie configurate astfel încât să ruleze pe unităţi de calcul diferite, dar în cazul de faţă acest lucru nu este necesar întrucât încărcarea sistemului de calcul permite ca toate cele patru servere să ruleze simultan pe acelaşi calculator.

Aceste patru servere sunt: � Serverul de alarme – gestionează alarmele după priorităţi bine stabilite şi le afişează prin intermediul

display-client-ului; � Serverul de rapoarte – controlează şi administrează generarea automată de rapoarte de activitate a

procesului; � Serverul de grafice – controlează şi administrează acumularea şi arhivarea datelor necesare reprezentării

grafice a mărimilor de proces sau a altor grafice definite; � Serverul de intrări-ieşiri (I/O server) – este un server dedicat schimbului de date între dispozitivele din

câmp, de tip PLC sau RTU şi clientul SCADA Arhitectura descrisă anterior este prezentată în figura 3.

Figura 3. Arhitectura software a sistemului SCADA

La pornirea aplicaţiei principale, pe ecranul modulului operator (în acest caz, monitorul unităţii centrale de calcul), va fi afişată o schemă sinoptică animată a părţii principale a procesului de epurare, prin intermediul căreia se afişează starea şi parametri locali. În partea de sus a interfeţei principale, se află o bară de navigare care permite accesul la sectoarele secundare ale procesului şi anume instalaţiile de preparare şi dozare a soluţiilor de reactivi, sectorul subprocesului de tratare a apei recirculate, precum şi accesul către interfaţa de conectare a utilizatorilor la proces.

Fiecare dintre secţiunile enumerate mai sus prezintă posibilitatea accesării de informaţii şi funcţii specifice.

2.3 Monitorizarea la distanţă a parametrilor de funcţionare ai staţiei de epurare

Un avantaj major pe care un sistem SCADA de generaţia a treia îl aduce utilizatorilor constă în mobilitatea şi

versatilitatea dată de conceptul de staţie client. Staţia client este în esenţă un alt sistem de calcul pe care rulează o versiune de software derivată din programul principal de aplicaţie SCADA. Conceptul de client elimină existenţa locală a celor patru componente principale pe care un server SCADA le conţine. Datele necesare pentru gestionarea informaţiilor specifice sunt accesate de pe serverul principal, prin intermediul protocoalelor de transport a datelor specifice (în cazul de faţă TCP/IP). Folosind acest concept, un utilizator se va putea conecta la serverul SCADA în orice punct al reţelei interne a sistemului. Utilizând conceptul de extindere a reţelelor locale prin intermediul reţelelor private virtuale (VPN), este posibilă conectarea unui client la sistem din orice punct de acces la internet de pe mapamond.

2.4 Reprezentarea şi analiza parametrilor de funcţionare

În funcţionarea sistemului SCADA, pe lângă funcţiile principale de control şi comandă a elementelor, un aspect

esenţial în partea de analiză de proces constă în interpretarea datelor înregistrate. În cadrul sistemului de faţă, instrumentul principal de realizare a acestor obiective a fost funcţia specifică de analiză a datelor de proces (PAV - Process Analyst View). Prin intermediul acesteia, se poate reprezenta grafic, în mod selectiv, evoluţia funcţie de timp a valorilor mărimilor de proces precum şi analiza parametrilor de funcţionare.

Modurile de reprezentare pot fi salvate şi accesate conform necesităţilor. Un exemplu tipic de interfaţa îl putem observa în figura 4.

Se observă cum, datorită influenţei caracterului acid a soluţiei de dozare precum si a calităţii apelor de intrare, valoarea pH-ului înregistrată va avea anumite fluctuaţii funcţie de acest factor influent. În cazul în care pH-ul va scădea sub pragul minim admis, sistemul va declanşa o alarmă de proces care va fi semnalizată corespunzător. Figura 4. Variaţia pH-ului în treapta de epurare fizico-chimică pe parcursul unui interval de o săptămână

Una dintre situaţiile în care sistemul oferă posibilitatea de intervenţie de la nivel ierarhic superior, pentru corecţia parametrilor de proces, este cea a debitului suflantelor funcţie de cantitatea de oxigen dizolvat în apă. În acest caz, la nivel local , funcţionarea în buclă de reacţie PID pentru menţinerea optimă a turaţiei suflantelor este asigurată de către controlerul logic programabil din cutia de automatizare, care comandă invertoarele suflantelor. De la un nivel ierarhic superior, sistemul SCADA poate optimiza procesul prin faptul că parametrii de funcţionare ai buclei PID vor putea fi modificaţi de către operatorul cu drepturi de acces corespunzătoare, după ce acesta a preluat controlul sistemului.

O altă situaţie în care sistemul SCADA acţionează de la un nivel ierarhic superior asupra procesului este cazul treptei biologice. În cadrul etapei de tratare biologică a apelor uzate, în bazinul biologic au loc două faze ale procesului secvenţial: una de aerare şi alta de decantare a nămolului rezultat. Pentru îndeplinirea acestor funcţiuni, s-a implementat o schemă de funcţionare secvenţială bazată pe două etape. În cadrul etapei de aerare, un traductor de turbiditate

măsoară în mod continuu valoarea acestui parametru, valoare care este prelucrată de către automatul programabil. În funcţie de această valoare, se va lua decizia pornirii pompelor de recirculare a nămolului, pentru a realiza transportul nămolului în exces în treapta de epurare fizico-chimică. Prin intervenţia în sistemul SCADA, se poate modifica, de către operatorul care are privilegiile de acces corespunzătoare, condiţia de pornire a pompelor de nămol în funcţie de nivelul turbidităţii prescris.

Ca exemplu de vizualizare a acestui tip de secvenţă, putem considera graficul funcţie de timp al nivelului de turbiditate din bazinul decantor al treptei biologice, cumulat cu graficul de funcţionare a pompelor de recirculare a nămolului, conform figurii 5.

Prin utilizarea acestor instrumente specifice, se poate realiza o analiză de proces eficientă, chiar şi pe perioade extinse de funcţionare. Avantajul dat de metoda de implementare în cauză constă şi în faptul că există posibilitatea ca aceste date să fie exportate în formate standard care să poată fi utilizate şi prelucrate ulterior şi de către alte medii software.

Figura 5 Evoluţia turbidităţii apei

în treapta de tratare biologică

2.5 Rapoarte de funcţionare

Rapoartele de funcţionare se prezintă sub forma unor tabele în care sunt prezentate valori orare ale parametrilor de proces, precum şi valori de timp cumulat de funcţionare al echipamentelor, pe intervalul ultimelor 24 de ore. Din punct de vedere grafic, raportul de funcţionare se prezintă conform figurii de mai jos:

Figura 6 Raport de

funcţionare

2.6 Pagina de setări

Pagina de setări oferă posibilitatea modificărilor parametrilor de funcţionare ai statiei de epurare, în condiţiile în care utilizatorul înregistrat are dreptul de acces corespunzător. Pagina de setări se prezintă sub forma unei interfeţe grafice de tip listă care conţine, pe lângă rubrica de setări şi evidenţa timpilor de funcţionare a echipamentelor.

Figura 7 Pagina de setări

2.7 Pagina de istoric alarme şi avarii

Pagina de istoric alarme oferă posibilitatea de vizualizare, interpretare şi filtrare a tuturor evenimentelor apărute în trecut. Din punct de vedere al navigării, accesul la această secţiune se face prin activarea butonului de navigare din pagina de alarme şi avarii.

Figura 8 Pagina de istoric alarme şi avarii

2.8 Concluzii

Implementarea unui sistem SCADA asupra procesului tehnologic de funcţionare a unei staţii de epurare este un

aspect esenţial în ceea ce priveşte asigurarea calităţii apelor epurate. Configurat corespunzător, sistemul este un instrument puternic în ceea ce priveşte atât gestionarea datelor de proces cât şi optimizarea funcţionării.

În ceea ce priveşte managementul datelor de proces, avantajul major constă în versatilitatea funcţiilor specifice de arhivare, prelucrare, analiză şi vizualizare a acestora. Astfel, există posibilitatea ca un tehnolog să realizeze analize specifice bazate pe datele reale preluate din câmp şi să propună metode de optimizare pe termen lung. Acest aspect este mai relevant dacă luăm în considerare faptul că procesul tehnologic de epurare a apelor uzate este un proces lent, a cărui periodicitate se extinde pe durate de ordinul orelor sau a zecilor de ore.

Un alt avantaj major al implementării unui sistem SCADA constă în posibilitatea optimizării funcţionării procesului. În primul rând, monitorizarea parametrilor de ieşire a apei epurate, dar mai ales a evoluţiei acestora pe perioade extinse de timp va permite aplicarea unor corecţii la nivel de proces tehnologic. Scopul acestor corecţii va fi acela de a obţine o calitate a apei epurate conform normativelor, cu un consum energetic cât mai redus. Acest aspect

este capital, având în vedere cantităţile mari de energie electrică consumată de către elementele din proces, cum ar fi de exemplu suflantele care realizează aportul de oxigen în treapta biologică.

Aceste optimizări se pot realiza prin intervenţia de la nivel ierarhic superior a sistemului, în zona subproceselor. Nu în ultimul rând ca importanţă, este necesar să amintim şi impactul pe care implementarea sistemului o are asupra securităţii procesului. Prin modul de gestionare a alarmelor de proces, este posibilă transmiterea informaţiilor necesare, într-un mod foarte eficient, acolo unde este nevoie de ele. De asemenea, anumite decizii pot fi luat de către sistem, în concordanţă cu informarea şi acceptul operatorului. Putem spune că implementarea de sisteme SCADA aduce, în cadrul tehnologiilor de epurare a apelor uzate, un instrument deosebit de puternic şi flexibil, a cărui avantaje se răsfrâng direct asupra performanţelor şi a eficienţei procesului tehnologic de epurare. Bibliografie:

1. Virginia Ivanov Sisteme integrate de monitorizare si control pentru echipamente

electrice, Editura Universitaria, Craiova, 2008

2. Stuart A. Boyer Scada : Supervisory Control and Data Acquisition, ISA 1999 3. Jeff Weigant Creating HMI/SCADA Industrial Applications Using Microsoft Access 4. L.T. Amy Automation Systems for Control and Data Acquisition 5. L.M. Thompson Industrial Data Communications: Fundamentals and Applications – Editia a 2-a, 1997 6. J.C. Huber Industrial Fiber Optic Networks 7. Babbitt, H. E. Sewerage and sewage treatment. Ed. John Wiley, New York, 1954. 8. Caraman, S., Sbarciog, M., Barbu, M. Predictive Control of a Wastewater Treatment Process, International

Journal of Computers, Communications & Control Vol. II, No. 2, pp. 132-142, 2007 9. Cosmin, I., Vernescu, M. Instalaţii şi construcţii pentru epurarea apelor uzate industriale. Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1959. 10. Fair, G. M., Geyer, J. C., Okun, D. A. Water purification and wasterwater treatment and disporsal. Ed. John

Wiley, New York, 1966. 11. Ionescu, M., Vlad, G. contr. de cercetare nr. 174/2006 Program MENER , Cercetări teoretice şi

experimentale asupra sistemelor expert de exploatare optimă a proceselor tehnologice de epurare a apelor

uzate din staţiile de epurare orăşeneşti şi industrii.

12. Robescu, D., Epurarea apelor uzate, Editura BREN, ISBN 973-9493-13-0, Bucureşti, 2000 13. Rickles, R. Pollution control. Noyes Corporation, New York, 1950. 14. Vlad, G., Crăciun, M., Ionescu, M. Monitorizarea si reglarea automata a concentratiei de oxigen dizolvat din

bazinele de aerare ale statiilor de epurare a apelor, Revista Ecoterra, nr. 6/2005. 15. Vlad, G., Contr. de cercetare nr.414/2004, Program MENER, Sistem inteligent de optimizare a parametrilor

de proces din treapta biologică a staţiilor de epurare.

16. Vlad, G., Contr. de cercetare nr. 30/2007, Program INOVARE, Sistem informatic de monitorizare şi control a

staţiilor de epurare a apelor uzate prin utilizarea sistemelor de distribuţie multi-agent şi a unor algoritmi

avansaţi de reglare automată.

17. Negulescu, M. Epurarea apelor uzate industriale. Ed. Tehnică, 1968. 18. Negulescu, M. Epurarea apelor uzate orăşeneşti. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1978.

Negulescu, M., Secară, E. Exploatarea instalaţiilor de epurare a apelor uzate. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1977.