BC/NW 2017 № 1 (30):9.3
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АНАЛИЗА ДАННЫХ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ
Левушкина Я.Г.
Залогом качества водопроводной воды города Москвы является организация автоматизированной системы управления водопроводной сетью (АСУ ВС), в которой выделены функции:
· хранение и распределение воды;
· мониторинг параметров состояния сети;
· управление водопроводной сетью.
Система водоснабжения Москвы – сложный комплекс сооружений различного назначения [1].
Залогом качества водопроводной воды является организация системы контроля. Воду проверяют на всем пути ее следования. Для этого ежесуточно осуществляется контроль качества воды в более чем 600 контрольных точках, расположенных на водопроводных сетях по всему городу. Организованы посты автоматического контроля качества питьевой воды, что позволяет оперативно корректировать технологические режимы. Так же на распределительной сети подачи воды в город установлено более 300 датчиков контроля давления, на основе показаний которых функционирует автоматизированная система обнаружения неисправностей водопроводной сети.
Все данные сводятся в единую автоматизированную систему управления водопроводной сетью.
Она позволяет осуществлять:
-хранение и распределение воды;
-мониторинг параметров состояния сети;
-управление водопроводной сетью.
Для достижения высокого уровня автоматизации водоснабжения города Москвы необходимо постоянное развитие АСУ ВС. Одним из направлений развития системы автоматизации водопроводной сети является усиление контроля над работой ее оборудования.
В соответствии с этой целью необходимо проанализировать сигналы, получаемые с оборудования системы автоматизации ВС и на основании этого разработать алгоритмы анализа данных. Данные алгоритмы в дальнейшем будут реализованы в модуле автоматизированной системы управления водопроводной сетью для мониторинга и анализа работы оборудования.
Основой АСУ ВС является SCADA-система. Она позволяет поддерживать бесперебойную транспортировку воды к потребителю через автоматическое поддержание с высокой точностью задаваемых технологических параметров: значение давления в сети в реальном времени; анализ качества и расхода воды; уровень в резервуарах.
Однако наблюдение за данными параметрами не всегда автоматизировано. На экран диспетчера выводятся данные, которые он просматривает и исходя из текущих значений и поведения сигнала принимает решения о состоянии объектов водопроводной сети. В настоящий момент отсутствует система четкого контроля над существующими объектами автоматизации, оборудованием, установленном на них, а также над производимыми работами. Одним из способов контроля работы водопроводной сети был выбран анализ сигналов, получаемых с оборудования систем автоматизации. Решением данных проблем является более глубокий анализ получаемых данных.
Сигналы, получаемые с оборудования.
Рассмотрим ситуации, которые могут потребовать вмешательства специалистов и проведения технического обслуживания.
Для начала рассмотрим тренд, как сигнал, передаваемый с датчика:
(1) «Нормальный режим работы»
(2) «Выход за уставки»
(3) «Нет данных»
(4) «Зависание оборудования»
(5) «Скачкообразный сигнал»
Рисунок 1 – Виды сигналов, получаемых с оборудования систем автоматизации водопроводной сети
1) Нормальный режим работы. В данном примере оборудование и режим работы трубопровода соответствуют оптимальным показателям.
На рисунке видно, что показания, передаваемые с датчика, не выходят за установленные границы. Сигнал с течением времени изменяется плавно. Резкие скачки обусловлены режимом работы трубопровода.
2) Выход за уставки. В случае исправной работы оборудования нередки ситуации, при которых показания с приборов выходят за заданные уставки. Такое происходит при повышении или понижении показателей работы трубопровода. Например, на рисунке отображено превышение давления на трубопроводе. Следовательно, SCADA-система должна сформировать аварийный сигнал на мнемосхеме для диспетчера. В дальнейшем сотрудниками предприятия будут приняты меры по предотвращению аварийной ситуации на трубопроводе, согласно полученным данным.
3) Нулевые показатели. Рассмотрим ситуацию, при которой на SCADA-сервер продолжительное время приходит сигнал, равный нулю. Чаще такие ситуации происходят при выходе из строя оборудования систем автоматизации либо при сбое в системе передачи данных. Требуется замена, вышедшего из строя оборудования, либо перезагрузка элементов системы передачи данных.
4) Зависание оборудования. Ситуации, при которых сигнал показывает одно и тоже значение происходят редко. Чаще такие ситуации происходят при зависания программного логического контроллера. ПЛК запоминает последнее полученное значение и непрерывно передает его в SCADA-систему. Такие случаи опасны тем, что значение может не выходить за заданные аварийные уставки. Отсутствие достоверных данных может привести к аварии на водопроводной сети. Для решения данной проблемы необходима перезагрузка оборудования системы автоматизации водопроводной сети.
5) Скачкообразный сигнал. Скачкообразный сигнал – сигнал, размах которого слишком велик для нормального режима работы трубопровода. Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени[2].
Такой сигнал возникает при засорении врезки (участка трубы, к которому крепится датчик).
Значение сигнала изменяется резко и не отражает достоверных показателей работы трубопровода.
Алгоритмы анализа данных
Для разработки алгоритмов необходимо учесть некоторые особенности работы SCADA-системы. Она работает в режиме реального времени. Драйвер опрашивает контроллер с заданной частотой (раз в 1 минуту). Полученные данные записываются в базу данных, что позволяет работать с ними, как в режиме реального времени, так и делая выборки данных за определённый период. Каждый алгоритм отражает работу программы в одном цикле анализа данных. Цикл анализа данных может включать обработку текущего значения (полученного с датчика), а также обрабатывать архивные данные.
Выделим два типа алгоритмов, используемых при разработке модуля:
– Первый тип анализирует полученные с контроллера данные в определенный момент времени.
– Второй тип анализирует характер поведения сигнала в периоде.
Таблица 1
Таблица 1
Алгоритмы анализа данных
|
«Выход за уставки» |
«Нет данных» |
«Зависание оборудования» |
«Скачкообразный сигнал» |
|
|
|
|
|
Первый тип алгоритмов:
«Выход за уставки» Цикл работы алгоритма начинается с поступления в SCADA-систему анализируемого значения. Так как в SCADA-системе уже заранее устанавливаются аварийные уставки программа сверяет полученное значение с ними. При выявлении переходя за установленные границы значений программа подает аварийный сигнал диспетчеру.
«Нет данных» Если драйвер, опросив контроллер получает пустое значение, то счетчик увеличивается на 1. Это означает что зафиксирован 1 случай потери данных. Так как единичные случаи не влияют на общую картину работы водопроводной сети, то сигнализировать о каждом из них не нужно. Опытным путем был выбран период в 1 час (60 выборок с интервалом в 1 минуту). Это оптимальный период для восстановления связи. Однако если через час ситуация не изменится, то диспетчеру поступит сигнал тревоги. Это особенно актуально для жизненно важных объектов водоснабжения, так как потеря связи с ними может привести к аварии на трубопроводе.
«Зависание оборудования» В редких случаях при зависании программируемого логического контроллера драйвер начинает получать значение, которое было записано в его память последним. Такие случаи трудно обнаружимы, так как значение может не выходить за аварийные уставки. Если в течении длительного периода котроллер посылает одно и тоже значение, то на рабочем месте диспетчера появляется сигнал тревоги.
«Скачкообразный сигнал» Переходим к следующему типу сигнала. Скачкообразный сигнал. Он является самым трудно определяющимся. Суть метода обработки данных заключается в вычислении отклонения предыдущего значение (X1) от текущего (X2).
Плюсом является простота и наглядность вычислений.
Минусом является необходимость проведения вычислений при каждом обращении SCADA-сервера к контроллеру.
В результате, рассмотрев основные типы поведения сигналов, получаемых с оборудования систем автоматизации водопроводной сети , мы разработали алгоритмы обработки сигнала. Таким образом, мы повысим уровень управления водопроводной сетью, автоматизировав процесс анализа и мониторинга работы оборудования в SCADA-системе организации.
Литература
1. Хренов К.Е., Стратегия развития водоснабжения и водоотведения в Москве до 2020 года, 2006 №6
2. ГОСТ 16465-70. Государственный стандарт. Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения.