STRUKTURA I FUNKCJE SYSTEMÓW
DYSPOZYTORSKICH
" Struktura systemów dyspozytorskich
" Zadanie operatora sieci polega na dostarczeniu odbiorcy
określonej ilości gazu, przy dotrzymaniu parametrów
ilościowych i jakościowych dostawy, określonych w umowie.
" Określenie operator oznacza tu osobę lub osoby
bezpośrednio sterujące procesem.
" System dyspozytorski przedstawia zespół środków
technicznych i programowych przeznaczonych do
sterowania procesem technologicznym.
" SCADA (Supervisory Control snd Data Acquisition - System
Nadrzędnego Sterowania i Przetwarzania Danych).
1
Ogólna struktura systemu dyspozytorskiego (SCADA),
zorientowanego na potrzeby gazownictwa, ma zazwyczaj
strukturÄ™ hierarchicznÄ….
Struktura ta obejmuje:
" poziom nadrzędny, np. Krajowa Dyspozycja Gazem,
Dyspozytornia Ogólnopolska w przypadku Systemu
Gazociągów Tranzytowych (SGT),
" poziom zakładu, np. Regionalny Oddział Przesyłu, tłocznia z
przylegającymi odcinkami gazociągów w przypadku SGT,
" poziom instalacji, np. tłocznia, rozdzielnia, podziemny
magazyn gazu, Zakład Odazotowania.
2
" fizycznie system dyspozytorski składa się z sieci lokalnych
(LAN- Local Area Network), połączonych w sieć rozległą
(WAN - Wide Area Network) za pośrednictwem systemu
telekomunikacyjnego.
" na poziomie instalacji system dyspozytorski obejmuje
przetworniki pomiarowe, stanowiÄ…ce z
ródło informacji o
procesie, połączone ze sterownikami procesowymi (PLC -
Programmed Logic Controllers) lub stacjami pomiarowymi
telemechaniki (nazywanymi często RTU - Remote Terminal
Unit).
3
Funkcje systemów dyspozytorskich
i sposoby realizacji
Odpowiednio do poziomu hierarchii system może być stosowany
przez operatora do wspomagania, między innymi, następujących
funkcji.
Na poziomie nadrzędnym
" długo, średnio i krótkoterminowego planowania wydobycia,
zakupu i dostaw gazu, na podstawie prognoz
zapotrzebowania, przy wykorzystaniu programów do
symulacji i optymalizacji,
" monitorowania przebiegu procesu technologicznego na
terenie całego kraju,
" sterowania pracą sieci gazociągów przesyłowych,
" optymalnego rozdziału obciążeń pomiędzy tłocznie gazu
ważne dla pracy całego systemu,
" koordynacji działania zakładów na niższym poziomie
hierarchii,
4
" koordynacji działania zakładów w przypadku awarii, co jest
szczególnie ważne w przypadku zakładów powiązanych za
pomocÄ… sieci,
" nadzoru nad przebiegiem realizacji kontraktów na zakup i
dostawÄ™,
" optymalizacji zakupu i dostaw, w przypadku możliwości
wyboru dostawcy,
" nadzór nad przebiegiem realizacji programu ruchu,
ewentualnie korektÄ™ tego programu,
" sporządzania planów remontów obiektów o znaczeniu
systemowym w oparciu o dane archiwalne dot. eksploatacji
obiektów (czas pracy, remonty, awarie),
" sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji
finansowych, np. fakturowania i płatności.
5
Na poziomie zakładu
" planowania ruchu przy wykorzystaniu programów do
prognozowania i symulacji, przy uwzględnieniu wartości
zadanych przekazywanych z poziomu nadrzędnego,
" optymalizacji pracy tłoczni (dobór optymalnej liczby
agregatów i parametrów ich pracy),
" wyznaczania wartości zadanych i nastaw regulatorów,
" monitorowania przebiegu procesu technologicznego na
obszarze działania zakładu i fragmentów sąsiednich
zakładów,
" bezpośredniego sterowania przebiegiem procesu transportu
gazu, przy wykorzystaniu stacji pomiarowych telemechaniki
i sterowników procesowych,
" sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji
finansowych, np. fakturowania i płatności.
6
Na poziomie instalacji
" określania wartości zadanych regulatorów o działaniu P, PI,
PID (indywidualnych lub realizowanych przez sterowniki
procesowe),
" realizacji różnych algorytmów sterowania agregatami i
aparatami, głównie przy zastosowaniu sterowników
procesowych, stacji pomiarowych telemechaniki i układów
bezpośredniego sterowania cyfrowego,
" sekwencyjnego załączania i wyłączania instalacji na
polecenie operatora lub automatycznie w przypadku sytuacji
awaryjnej,
7
" kontroli przekroczeń wybranych parametrów procesu i ich
sygnalizacji, kontroli wpływu instalacji na środowisko,
" monitorowania pracy instalacji,
" sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji
finansowych.
Wymienione funkcje, w zależności od ich rodzaju, realizowane są
w sposób ciągły, lub inicjowane okresowo (z różną częstością, na
żądanie) oraz doraz
nie jako działania planistyczne. Funkcje te
realizowane są, współbieżnie z procesem (w tzw. czasie
rzeczywistym) lub z wyprzedzeniem w stosunku do przebiegu
procesu.
8
Przetworniki pomiarowe
Przeznaczenie przetworników
Sygnały z przetworników pomiarowych przekazywane są do:
" sterowników pomiarowych,
" stacji pomiarowych telemechaniki,
" komputerów pracujących w układach DDC (ang. Direct
Digital Control),
" bezpośrednio do wskaz
ników analogowych i cyfrowych oraz
rejestratorów.
9
Klasyfikacja przetworników
Podział ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego:
" przetworniki elektryczne (elektroniczne) w których
sygnałem wyjściowym jest natężenie prądu elektrycznego
(4...20 mA), lub napięcie prądu elektrycznego (0...5 V),
" przetworniki pneumatyczne w których sygnałem
wyjściowym jest sygnał ciśnienia powietrza o zakresie od 0.2
do 1.0 at.
Podział ze względu na rodzaj przetwarzanej wielkości
Najczęściej stosowane są przetworniki
" ciśnienia,
" różnicy ciśnień,
" temperatury,
" gęstości
10
" Cyfrowy przetwornik inteligentny
tzw. Smart
"
" Dokładność przetwornika różnicy ciśnień zależy między
innymi od ciśnienia i temperatury. Wielkości te zmieniają się
w trakcie procesu, a wraz z nimi zmienia się i dokładność
przetwornika.
" Dokładność przetwornika zależy także od indywidualnej dla
każdego egzemplarza charakterystyki elementu
pomiarowego.
Pracą całego przetwornika typu smart steruje mikroprocesor
minimalizując błędy od p,T oraz charakterystyki elementu
pomiarowego.
11
 Przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C)
Stosowane aktualnie systemy SCADA, są w większości
urzÄ…dzeniami cyfrowymi, opartymi na zastosowaniu techniki
mikroprocesorowej.
Jednym z ważniejszych elementów tych systemów są przetworniki
analogowo-cyfrowe.
W przetwornikach tych dokonuje się przetworzenia sygnałów
analogowych na sygnały cyfrowe.
Jeżeli chwilowa wartość określonej wielkości W(t) odwzorowana
jest za pomocą całkowitej liczby kwantów
½(t)"W d" W(t) d" [½(t) + 1] "W
gdzie: ½ (t) jest liczbÄ… kwantów, a "W wagÄ… kwantu,
to mówi się, że wielkość W(t) odwzorowana jest w sposób
cyfrowy.
12
Przetworniki w strefie zagrożonej wybuchem
Ze względu na występowanie, w przemyśle gazowniczym, w
budynkach i ich strefach zewnętrznych atmosfery zagrożonej
wybuchem mieszaniny gazu z powietrzem, należy w nich stosować
przetworniki pomiarowe w wykonaniu iskrobezpiecznym.
Przetworniki zasilane sÄ… za pomocÄ… zasilaczy iskrobezpiecznych
poprzez bariery (iskrobezpieczny przetwornik separujÄ…cy)
umieszczone poza strefą zagrożenia wybuchem.
13
Sterowniki procesowe
Przeznaczenie sterowników
Sterowniki procesowe (PLC - Programmed Logic Controllers) i
stacje pomiarowe telemechaniki (RTU - Remote Terminal Unit)
stanowią bardzo ważny element systemów dyspozytorskich.
" sterowniki instaluje siÄ™ w nadzorowanych obiektach. (od
strony procesu technologicznego połączone są z
przetwornikami pomiarowymi, elementami
sygnalizacyjnymi oraz elementami wykonawczymi - od
strony systemu dyspozytorskiego, za pośrednictwem sieci
LAN lub WAN i modułów telekomunikacyjnych, połączone
są z procesorami komunikacyjnymi lub bezpośrednio z
serwerami systemów telemechaniki (SCADA).
" stacje pomiarowe telemechaniki różnią się od sterowników
procesowych tym, że z reguły wyposażone są w moduły
telekomunikacyjne przeznaczone do transmisji danych na
większe odległości.
14
Funkcje sterowników
" Przetwarzanie na postać cyfrową sygnałów analogowych
pochodzących z przyłączonych do sterownika
przetworników pomiarowych.
" Odczytywanie stanów elementów sygnalizacyjnych.
" Transmisja wymienionych wyżej sygnałów do lokalnego lub
odległego serwera.
" Lokalne przetwarzanie sygnałów z przetworników
pomiarowych i sygnalizatorów zgodnie z programami
znajdującymi się w pamięci sterownika (np. układy regulacji
ze sprzężeniem zwrotnym, programowe układy regulacji,
funkcje przelicznika natężenia przepływu itp.).
" Uruchamianie i zatrzymywanie (w trybie planowym lub
awaryjnym) agregatów i urządzeń, zgodnie z określoną w
programie kolejnością, przy spełnieniu uwarunkowań
technologicznych.
15
Struktura programowa systemu
dyspozytorskiego
" System operacyjny,
" System ZarzÄ…dzania BazÄ… Danych Czasu Rzeczywistego
(ang. RTDB Real Time Data Base),
" System ZarzÄ…dzania BazÄ… danych Archiwalnych,
" Interfejs użytkownika.
16
 System operacyjny
System operacyjny jest to pewien minimalny zestaw
oprogramowania niezbędny do pracy systemu komputerowego,
podstawowe zadania systemu operacyjnego:
" efektywne wykorzystanie sprzętu,
" koordynowanie pracy sprzętu, programów i użytkowników,
" ułatwienie użytkownikom korzystania z komputera.
System operacyjny kontroluje niemal wszystkie czynności
komputera i podłączonych do niego urządzeń. Decyduje w jaki
sposób są wykonywane programy, przechowywane dane,
drukowane wyniki obliczeń, wyświetlane obrazy na ekranie itp.)
17
System ZarzÄ…dzania BazÄ… Danych Czasu
Rzeczywistego
" RTDB jest jednym z najważniejszych elementów
oprogramowania systemów dyspozytorskich, pracujących w
czasie rzeczywistym.
" Wszystkie informacje przesyłane do systemu
dyspozytorskiego (ze sterowników pomiarowych lub
wprowadzane ręcznie z klawiatury), zanim zostaną w
jakikolwiek sposób przetworzone i udostępnione
operatorowi, trafiajÄ… najpierw do Bazy.
" W Bazie są one przechowywane przez określony czas,
zależny od liczby informacji i pojemności pamięci.
" Podstawową cechą Bazy, jest szybkość dostępu do danych
zapisanych w bazie. (w systemie dyspozytorskim
stosowanym w gazownictwie, czas jaki upływa od momentu
pojawienia siÄ™ informacji w Bazie do momentu jej
udostępnienia na ekranie stacji roboczej operatora nie
przekracza 0,5 sek.)
18
Najważniejsze moduły funkcyjne Bazy
" kalkulator,
|
" interfejs aplikacji,
" program zarzÄ…dzania zbieraniem danych (skaning),
" program zarzÄ…dzania bazÄ…,
" program raportowania.
19
System ZarzÄ…dzania BazÄ… Danych
Archiwalnych
" W nowoczesnych systemach SCADA do archiwizacji danych
stosowane sÄ… rozproszone, hierarchiczne, relacyjne bazy
danych, ściślej System Zarządzania Bazą Danych (SZBD,
RDBMS -Relational Data Base Management System).
" w skład takiej bazy wchodzą bazy danych na poszczególnych
poziomach hierarchii systemu SCADA.
y
ródłem informacji dla bazy danych archiwalnych jest baza
danych czasu rzeczywistego. Serwer bazy danych archiwalnych, w
zadanym cyklu np. 5 min, 1h, 2h, 24h, odczytuje dane z bazy
danych czasu rzeczywistego i zapisuje je w bazie. Zapis może być
dokonywany w różny sposób np. jako średnia odczytów z 5 min,
ostatnia wartość odczytu z 5 min cyklu itp. Ta sama dana może
być archiwizowana w różnych cyklach np. 5 min i 2h.
W bazie danych archiwalnych przechowywane sÄ… dane
(parametry urządzeń oraz archiwalne dane ruchowe) z których
korzystać mogą różne programy użytkowe np.:
20
" programy do sterowania i wizualizacji parametrów
ruchowych,
" program identyfikacji parametrów części liniowej gazociągu,
" program obliczania masy gazu w gazociÄ…gu,
" program symulacji z rekonstrukcjÄ… stanu, program
symulacji wyprzedzajÄ…cej,|
" program śledzenia rozprzestrzeniania się fali gazu o
określonym składzie,
" program do symulacji wymiany ciepła między gazem w
rurociÄ…gu a otoczeniem,
" programy prognozowania zapotrzebowania na gaz.
21
W bazie danych mogą być przechowywane dane:
" będące funkcją czasu i archiwizowane w określonym cyklu
tzw. dane cykliczne,
" dane zawierajÄ…ce informacje o urzÄ…dzeniach, kontraktach,
harmonogramach dostaw i zakupów gazu itp. nazywane
ogólnie danymi niecyklicznymi.
Interfejs użytkownika
jeden z najważniejszych pakietów programowych składających
siÄ™ na oprogramowanie systemu SCADA to Interfejs Operatora
nazywany też Interfejsem Operator-Maszyna (. MMI Man
Machine Interface).
Oprogramowanie Interfejsu Operatora, pracuje pod systemem
operacyjnym UNIX, opiera się przeważnie na wykorzystaniu
oprogramowania X-Window(sieciowy system okienkowy)
22
Oprogramowanie użytkowe
Prognozowanie
Wielkości wpływające na zapotrzebowanie na gaz
Czynniki wpływające na zapotrzebowanie na gaz można podzielić
na trzy grupy.
Wpływ polityki przedsiębiorstw użyteczności publicznej i polityki
energetycznej państwa
Wpływ ten określają:
" ramowe warunki rzÄ…dowej polityki energetycznej,
" program dostaw i cele działalności przedsiębiorstw
dystrybucyjnych w zakresie dostaw do sektorów
gospodarstw domowych, handlu, przemysłu i produkcji
energii elektrycznej,
" polityka cenowa i taryfowa
Wymienione czynniki wpływają na długoterminowe
zapotrzebowanie na gaz. Mają zatem wpływ na zawierane
23
kontrakty jak również na program inwestycji w transporcie,
dystrybucji i magazynowaniu gazu.
Wpływ odbiorcy i rynku
Wpływ odbiorcy i rynku na przebieg prognozy jest widoczny w
postaci:
" zmiany godzinowego zapotrzebowania w ciÄ…gu doby, w
wyniku oddziaływania cyklu produkcyjnego, zwyczajów
odbiorców (rytm dnia), techniki ogrzewania np.
ograniczenia ogrzewania w nocy,
" zmiany średniodobowego zapotrzebowania w zależności od
dnia tygodnia np. niedziele, święta, dni robocze (w
prognozach uwzględnia się wagę dnia niezależnie od wpływu
zmian temperatury),
" zmiany sezonowe niezależne od zmian temperatury,
" racjonalizacji zużycia energii np. oszczędności energii.
24
Wpływ czynników meteorologicznych
Następujące czynniki meteorologiczne wpływają na zużycie gazu:
" temperatura zewnętrzna,
" nasłonecznienie,
" wiatr, jego szybkość i kierunek,
" wilgotność powietrza.
Rodzaje prognoz i metody prognozowania
Prognoza długoterminowa
Celem prognozy długoterminowej jest przewidywanie
średniodobowego zapotrzebowania na gaz, w poszczególnych
dniach roku, dla całego systemu, fragmentów systemu, lub
poszczególnych sektorów.
25
 Prognoza wykorzystywana jest do:
" dostosowania systemu do przewidywanego zużycia,
" sporządzania planów dostawy i optymalizacji sposobu
pokrycia zapotrzebowania.
Prognoza krótkoterminowa
Prognoza krótkoterminowa określa przewidywane
zapotrzebowanie na gaz w poszczególnych godzinach na dzień lub
kilka dni naprzód. Prognozę sporządza się dla całego systemu,
jego fragmentów lub poszczególnych węzłów (punkty dostawy
gazu do sieci dystrybucyjnych, większych odbiorców itp.)
Prognozy wykorzystywane sÄ… do sprawdzenia czy przy danej
konfiguracji sieci oraz określonych dostawach do sieci, gaz
dostarczony zostanie do odbiorców w ilości i o parametrach
zgodnych z kontraktami
26
Programy do symulacji
Oprogramowanie do symulacji zalicza siÄ™ do podstawowego
oprogramowania użytkowego systemów dyspozytorskich.
Stosowane jest w trybie on-line i off-line do rozwiÄ…zywania
wymienionych niżej zagadnień.
" Formułowania krótko i długoterminowych programów
ruchu sieci gazociągów w oparciu o plany sprzedaży i
dostaw, z uwzględnieniem możliwości przesyłowych sieci.
" Prowadzenia planowych prac remontowych.
" Planowania rozbudowy i modernizacji sieci.
" Wykrywania nieszczelności.
27
" Optymalizacji rozmieszczenia aparatury kontrolno -
pomiarowej w sieci.
" Śledzenia rozprzestrzeniania się fali zmian składu gazu.
" Przewidywania kształtowania się rozkładów ciśnień i
przepływów w sieci w oparciu o prognozy zapotrzebowania
i/lub plan sterowania.
" Weryfikacji programów sterowania siecią.
" Szkolenia personelu dyspozytorskiego.
" Elementy sieci gazowej:
28
Odcinek rurociągu odcinek rurociągu o stałej średnicy i
chropowatości, bez odbioru.
Zawór element o zerowej długości, który
może przyjmować dwa stany (otwarty
i zamknięty).
Zawór regulacyjny element bierny realizujący zadana
wartość (ciśnienie wlotowe, ciśnienie
wylotowe, natężenie przepływu,
stosunek ciśnień).
Stacja mieszania zbiór połączonych ze sobą zaworów
regulacyjnych i sprężarek
sterowanych w taki sposób aby
uzyskać określony skład gazu.
Stacja sprężarek dowolna liczba różnych sprężarek
(tłokowych, wirnikowych z napędami
i chłodnicami) połączonych szeregowo
lub równolegle.
Magazyn gazu element o zerowej długości i zerowym
oporze o określonej pojemności.
Opór miejscowy reprezentuje opór kształtki lub
częściowo zamkniętego zaworu.
29
Warunki brzegowe mogą przedstawiać kombinację:
" zmian dostaw i poborów w węzłach sieci,
" zmian parametrów gazu,
" zmian położenia zaworów,
" zmian wartości zadanych zaworów regulacyjnych,
" zmian konfiguracji stacji sprężarek, trybu ich pracy lub
wartości zadanych,
" zadania wartości przepływu lub ciśnienia w dowolnym
punkcie sieci,
" wskazania pęknięcia gazociągu w dowolnym punkcie sieci.
30
Wybrane funkcje symulacji
" rekonstrukcja stanu,
" symulacja wyprzedzajÄ…ca.
Wykrywanie nieszczelności
Modelowanie nieustalonych procesów umożliwia wykrycie i
lokalizację nieszczelności drogą porównania wielkości
zmierzonych i obliczonych w wyniku symulacji. Wielkość
wykrywanych nieszczelności zależy od dokładności
opomiarowania, gęstości rozmieszczenia aparatury wzdłuż
gazociągów, częstości odczytów oraz warunków przepływu
(ciśnienia i natężenia przepływu).
31
Åšledzenie rozprzestrzeniania siÄ™
zmian składu gazu
Skład gazu wpływa m.in. na wartość kaloryczną i liczbę Wobbego.
Wartości te określone są w warunkach dostawy gazu i celem
operatora sieci jest ich dotrzymanie. Dlatego program śledzenia
składu gazu ma duże znaczenie praktyczne.
Skład gazu w sieci może zmieniać się w wyniku:
" zmian natężenia przepływu i składu dostarczanego gazu,
" zmian wartości zadanej w stacjach mieszania.
32
Symulacja procesu izotermicznego
i nieizotermicznego
" stała temperatura gazu w gazociągu,
" zmienna temperatura gazu w gazociÄ…gu.
W przypadku przepływów nieizotermicznych, model procesu
zostaje rozszerzony o równanie energii a program symuluje
proces wymiany ciepła z otoczeniem uwzględniając:
" temperaturę otaczającego ośrodka,
" gęstość otaczającego ośrodka,
" współczynnik wymiany ciepła pomiędzy rurociągiem i
ośrodkiem,
" ciepło właściwe ośrodka.
33
Identyfikacja charakterystyk sprężarek
W wyniku eksploatacji charakterystyki ulęgają zmianie co ma
wpływ na dokładność doboru, przez operatora, parametrów
pracy sprężarek. i konfiguracji tłoczni, w zależności od warunków
pracy gazociÄ…gu.
Konieczne jest oprogramowanie, które na podstawie zbioru
danych pomiarowych z odpowiednio długiego okresu umożliwiają
aktualizację charakterystyk sprężarek.
Modelowanie stacji sprężarek
Modelowanie stacji sprężarek stanowi ważna funkcję programu
symulacji, szczególnie w przypadku złożonych układów tłoczni w
których gaz zasysany jest z wielu kolektorów i tłoczony jest
również do wielu kolektorów.
34
Model stacji sprężarek buduje się z następujących elementów:
" sprężarek wirnikowych,
" sprężarek tłokowych,
" turbin gazowych napędzających sprężarki,
" silników spalinowych napędzających sprężarki tłokowe,
" silników elektrycznych napędzających sprężarki tłokowe,
" chłodnic.
Wymienione elementy mogą być łączone w dowolne konfiguracje
określone przez rodzaj elementów, sposób ich połączenia oraz
zasadę sterowania. Zasada sterowania określa udział
poszczególnych jednostek w obciążeniu oraz sposób sterowania
poszczególnymi jednostkami (np. regulacja obrotami, martwym
kieszeniami, dławieniem itp.).
35
Wartości zadane mogą dotyczyć:
" ciśnienia wlotowego,
" ciśnienia wylotowego,
" wydajności,
" stopnia sprężania,
" maksymalnej mocy,
" prędkości obrotowej.
36
Programy do optymalizacji
" lokalna optymalizacja parametrów pracy tłoczni,
" optymalizacja statyczna sieci przesyłowej,
" optymalizacja dynamiczna systemu,
" optymalizacja wykorzystania zdolności przepustowej sieci.
37