AKTUÁLNÍ TRENDY AUTOMATIZACE VE VODÁRENSTVÍ Ing. Jiří Kašparec, Ing. Oldřich Hladký VAE CONTROLS, s.r.o. Ostrava Úvod Zvýšené nároky na ochranu životního prostředí vyvolávají potřebu nových objektů, technologií a zařízení v oboru čištění odpadních vod. To je rovněž provázeno novými požadavky na řízení provozu čistíren odpadních vod a stokových sítí. Řídící technika a její aplikace se však stále ještě nestaly neoddělitelnou částí uvažování všech osob zúčastněných při realizaci vodohospodářských děl. Právě nové aspekty řízení procesů v tomto oboru vyžadují do budoucna změnu dosavadního způsobu myšlení a z toho vyplývajícího přístupu. Vynutí si to zcela jistě nové provozní požadavky, které se promítnou do všech úrovní automatizace provozu ČOV a stokových sítí. Obecná charakteristika řídících systémů Vzhledem k výše uvedenému považují autoři za nezbytné uvést v této práci alespoň stručný obecný popis řídícího systému, v konfiguraci obvyklé pro vodárenství a čistírenství. Automatizovaný systém řízení umožňuje řízení technologických procesů téměř libovolné složitosti a navíc přináší možnosti dohledu nad jednotlivými procesy, sběru dat, jejich archivace a předání těchto dat ke zpracování dalším systémům (k čemu by byl rozsáhlý archiv dat, pokud by se s nimi dále nedalo pracovat?). Na základě těchto potřeb jsou vyvíjeny a implementovány tzv. systémy SCADA (z anglického Supervisory, Control And Data Aquisition dohled, řízení a sběr dat). Systém SCADA se skládá ze 3 základních částí: - telemetrické stanice, které jsou umístěny na jednotlivých technologických objektech (čerpací stanice, vodojemy, jímky, úpravny, ČOV, atd). Jejich úkolem je sběr dat z instalovaných snímačů, vyhodnocování případných alarmních stavů, odesílání požadovaných údajů na dispečink a příjem řídících a konfiguračních dat. - dispečink, kde probíhá vlastní zpracování dat z telemetrických stanic, jejich interpretace operátorům a dalším autorizovaným osobám (ve formě mimik, grafů, tabulek, reportů), archivace dat a případný export dat do dalších aplikací (podnikový informační systém, GIS, modelování, atd.). - komunikační kanály, které zajišťují přenos dat mezi telemetrickými stanicemi a dispečinkem. V našich podmínkách se jedná nejčastěji o rádiové nebo optické sítě, časté je i využití mobilních technologií GSM. Zde je nutné uvést, že systém SCADA tvoří nedílnou součást řetězce, který začíná u měřících sond a končí např. v podnikovém informačním systému. Tímto řetězcem probíhá velké množství dat a jedním z úkolů, je systematické využívání získaných dat. Podmínky pro zavádění nebo rozšiřování systémů řízení Pokrytí vodárenských systémů v ČR automatizačními prostředky je velmi vysoké. Při zavádění nebo rozšiřování řídícího systému je však nanejvýš žádoucí mít na paměti 187
alespoň následující základní předpoklady: - Brát řídící systém do úvahy již v projektové části stavební a technologické. Nedostatky v této první fázi mohou vést i k následným chybám v řízení způsobeným např. nevhodným dodatečným umístěním měřících sond, nesprávným popisem řízení technologického procesu apod. Tyto systematické chyby pak způsobují značné komplikace a prodlevy především ve fázi zkušebního provozu. - Výběr systému, který je modulární a nezávislý na dodavateli při jeho užívání a dalším rozšiřování. Může pak docházet k dalšímu zhodnocení investic vložených do tohoto systému v minulosti. - Výběr dodavatele, který disponuje kvalitním produktem a lidmi schopnými analyzovat potřeby uživatele už v počáteční fázi, zajistit správnou implementaci systému a také dlouhodobou následnou péči a řešení případných vzniklých problémů. Naprosto zásadním požadavkem by měla být rozšiřitelnost a otevřenost systému k uživateli a také k systémům jiných dodavatelů. Může se jednat např. o podnikový informační systém, GIS, modelovací nástroje apod. Dodavatel by měl být schopen prokázat dostatečné domácí i zahraniční reference. - Celému dílu by měla předcházet podrobná analýza systému odvodnění (generel). Ta musí řešit také problematiku diagnostiky poruch, priority při jejich odstraňování a také obsahovat požadavky na systém řízení podle Normy EN 12255, části 12 - Automatizovaný systém řízení. Tato norma stanovuje mimo jiné také způsob nakládání s technologickými daty určenými k přenosu na navazující ČOV nebo centrální dispečink. Největší význam této normy spočívá v účinnějším prosazení potřeb dokonalé součinnosti všech provozních souborů vodárenského nebo čistírenského objektu Nové provozní požadavky Zásadním požadavkem na řídící sytém je pochopitelně automatizace technologických procesů. Dnes se však tato funkce čím dál více jeví jen jako nezbytný základ a čím dál více získávají na důležitosti další funkce. Zejména se jedná o: - přístup operátora k datům v místě jejich vzniku tedy přímo na objektech - evidence provozních údajů - přenos provozních údajů z objektů na dispečink - zpracování provozních údajů do formulářů Všechny výše uvedené požadavky jsou zakotveny v již zmíněné normě ČSN EN 12255, část 12: Automatizovaný systém řízení. S touto normou byli účastníci čistírenských konferencí a seminářů v minulosti již seznámeni. Pro účely této konference jsou uvedené požadavky podrobněji popsány v následujících kapitolách. Informace operátorovi o provozu čistírenských objektů Operátor je běžně informován o provozu čistírny a stokové sítě pomocí mimik s technologickými schématy zobrazenými na monitoru nebo průmyslovém displeji. Jednotlivé obrazovky zpravidla zobrazují provozní soubory čistírny, jedna z nich je určena pro zobrazení celé čistírny. Pro celkový přehled o provozu se doporučuje tzv. servisní mimika, která zobrazuje hodnoty základních a kritických parametrů a další údaje jako je např. spotřeba el. 188
energie. Tato mimika může sloužit i pracovníkům údržby technických prostředků pro rychlý přehled o všech základních funkcích ČOV. U alternativních způsobů odkanalizování, které obvykle obsahují různé technické prostředky (čerpadla, jímky, vývěvy, apod.) je žádoucí znázorňovat na servisní mimice také stav a některé parametry těchto zařízení. Provozní evidence Požadavky na ni vyplývají ze zákona č.274/2001 Sb. Jsou uváděny v souvislosti s ČOV ca 5000 EO a týkají se: - výkresové dokumentace - plánu kontrol míry znečištění odpadních vod - provozního deníku - provozního řádu Požadované dokumenty specifikují podrobně vyhlášky k vodnímu zákonu a jejich přílohy. Možnosti současných technických prostředků používaných pro řízení ČOV dovolují výkresovou dokumentaci a plán kontrol míry znečištění odpadních vod zpřístupnit v potřebné podobě k užívání také na velínu čistírny. Uvedený zákon ani prováděcí vyhláška neukládá však podobu a formát provozního deníku, pouze předepisuje obsah a formu. Zde se tedy provozovatelům otevírají velké možnosti sladění požadavků a vlastních evidenčních potřeb. Kromě kontrolních a reportovacích funkcí a tak může provozní deník k sloužit i jako zdroj informací pro přípravu dalšího rozvoje provozu ČOV. V provozním deníku pro ČOV by měly být zaznamenávány tyto denní provozní údaje: - základní údaje o ČOV a stokové sítě v dané lokalitě - údaje o osobě odpovědné za provozování ČOV - datum zápisu, jméno zapisujícího, klimatické údaje- srážky, teplota vzduchu - provozní údaje - teplota odpadní vody na přítoku a odtoku, objem vytěžených hmot z technologických stupňů, množství recirkulované vody, množství recirkulovaného a přebytečného kalu, dávky a koncentrace používaných chemikálií, množství kyslíku v aktivaci a jiných částech provozu, množství vzduchu pro jednotlivé technologické procesy, chod čerpadel a dmychadel, spotřeba elektrické energie, množství kalu (surového, vyhnilého, odvodněného, vyvezeného), množství kalové vody, fugátu, filtrátu, teplota kalu v anaerobní části, chemické rozbory všech stupňů - záznamy o mimořádných událostech - opravy, havárie - zásahy v souvislosti se stavební činností - přetížení ČOV při mimořádných srážkových událostech - uvedení důsledků přetížení na ČOV - charakteristické údaje o čerpání odpadních vod - doba provozu čerpadel, spotřeba elektrické energie - údaje o manipulaci se strojním zařízením-údaje o proplachování stokové sítě a vliv na ČOV - výsledky měření obsluhou - rozbory - záznamy o odběrech pro chemickou kontrolu - záznamy o provozních kontrolách důležitých objektů, mechanizmů a jejich částípřepadové hrany, stěrací zařízení, čerpadla kalu, doby zdržení aj. 189
Platí, že vlastník nebo provozovatel ČOV stanovuje zpravidla v provozním řádu společnosti pravidla vedení provozních deníků včetně zacházení s daty získanými telemetrickými systémy (automaticky) a s provozními daty, která pořídily jiné než provozní útvary. Denní provozní záznamy se mohou nahradit průběžnými počítačovými výstupy automatizované soustavy řízení. Při velkém množství provozních údajů se tato možnost přímo nabízí. Většina údajů se dá totiž získat automaticky z řídícího systému v reálném čase bez nutnosti zásahu obsluhy. Ostatní údaje se vkládají ručně do počítače obsluhy na základě předcházejícího zjištění. K takto získávaným údajům je potřebné přiřadit dobu jejich zjištění nebo dodatečného stanovení (v případě chemického rozboru). Uvedený příklad je dostatečně vypovídající o nutnosti nového pohledu na provozní evidenci ve vztahu k potřebám vyplývajícím z rostoucích požadavků na provoz čistírenských objektů. Technické prostředky a možnosti, kterými disponuje obor automatizace převyšují výrazně požadavky přicházející od projektantů, technologů, investorů a provozovatelů v oboru čistírenství. Přenos provozních údajů z objektů na dispečink Přenos údajů o provozu vodárenských objektů má u nás již velmi dlouhou tradici, sahající do 70. let minulého století. Dnes nejčastěji používané jsou přenosy pomocí rádiových datových sítí a přenosy GSM. V posledních letech dochází k širšímu využívání možností internetu, zejména k monitorování řídících systémů a rychlému uskutečňování servisních zásahů na dálku. ČOV a stokové sítě mohou přenášet své provozní údaje na stávající vodárenské dispečinky [3]. To je umožněno právě u stávajících modulárních systémů díky snadnému začlenění nových objektů ať už vodárenských nebo čistírenských. Z hlediska řídícího systému toto rozdělení nehraje žádnou roli, pokud jsou splněny základní podmínky uvedené v příslušné kapitole této práce. Pak je možné budovat buď 2 nezávislé dispečinky - vodárenský a kanalizační nebo jen jeden centrální dispečink, který monitoruje a řídí obě soustavy. Současné trendy vedou spíše ke zřízení jednoho centrálního dispečinku, zejména z důvodu vyšší efektivity a nižších pořizovacích nákladů. Jedná se totiž obvykle o rozšíření již vybudovaného dispečinku a původní investice do něj se tím navíc opět zhodnocuje. Dosavadní praxe dálkového přenosu technologických schémat na ČOV je taková, že se přenáší na vodárenský dispečink veškeré údaje z místního řídícího systému. Tedy údaje zobrazované na mimikách, ale i další technologické a provozní údaje uložené v řídícím počítači, včetně dat vložených obsluhou ručně. Nezbytnou podmínkou komunikace je používání standardních komunikačních protokolů jednotlivými dodavateli. Dalším novým aspektem z pohledu automatizace stokových sítí je stále častější výstavba čerpacích stanic (ČS) na stokových sítích odvádějících odpadní vody na ČOV a potřeba monitorování jejich provozu. Na příslušnou ČOV jsou pak z ČS přenášeny jen základní údaje o chodu čerpadel, hladinách jímek, průtocích, informace o stavu napájení, popř. o otevření vstupních nebo jiných dveří. Na příslušné ČOV jsou tyto údaje opět zobrazeny v podobě mimik nebo grafů, popř. alarmů a může následovat přenos vybraných nebo všech údajů na centrální dispečink. Pro vyhodnocování provozních dat lze použít grafy s průběhy průměrného hodinového průtoku v týdnu, okamžitého denního, týdenního a měsíčního průtoku a další, opět podle požadavků provozovatele. 190
Zpracování provozních údajů do formulářů Vybrané údaje z provozní evidence jsou předávány vodoprávním úřadům pomocí předepsaného formuláře (viz. vyhláška Ministerstva zemědělství č. 428/2001 Sb). Vybrané údaje z provozní evidence vykazuje vlastník vodovodu nebo kanalizace odděleně pro: - rozvodnou vodovodní síť zásobující minimálně část obce - stavby pro úpravu vody - stokovou síť odvádějící odpadní vody a srážkové vody minimálně z části obce - čistírny odpadních vod Z vybraných údajů jsou zde uvedeny ty, které mají původ v řídícím systému ČOV a stokové sítě Jsou to: - vypouštěné odpadní vody do stokové sítě (tis.m³) - odpadní vody vypouštěné stokovou sítí přímo do vodního recipientu (tis.m³) - odpadní vody odvedené stokovou sítí na ČOV (tis.m³) - množství vypouštěných odpadních vod do vodního recipientu (tis.m³) - spotřeba elektrické energie (MWh) V podnikovém informačním systému vodohospodářské společnosti jsou uloženy pro stokovou síť a ČOV následující ekonomické a technické( provozní) údaje: - celkové poplatky za vypouštění odpadních vod (tis.kč) - náklady na 1 m³ odvedených odpadních vod (Kč/m³) - stočné celkem (tis.kč) - počet obyvatel bydlících v katastrálních územích odkanalizovaných na ČOV (tis.) - počet obyvatel připojených na ČOV (tis.) - celkové poplatky za vypouštění odpadních vod z ČOV (tis.m³) - využití a zneškodnění kalu (t sušiny/rok) Sloučením údajů z řídícího systému a podnikového informačního systémů mohou být elektronicky, převážně zcela automaticky sestavovány formuláře podle vyhlášky č.428/2001 Sb. Údaje v nich obsažené jsou určeny dalším útvarům vodárenské společnosti. Mechanismus tvorby takových formulářů včetně náležité verifikace vstupních a výstupních údajů musí být vypracován dodavatelem automatizovaného systému řízení ve spolupráci s provozovatelem. Systém vzájemného řízení stokové sítě a ČOV Vzájemné řízení stokové sítě a ČOV nabízí nové možnosti využití stávajících řídících systémů, které mohou bez problémů splnit přibývající požadavky na rozsah monitorování a řízení technologických procesů. Základním požadavkem je pochopitelně řízení procesů v reálném čase a k tomu přistupují ještě potřeby cíleného zpracování datových souborů o průběhu technologických procesů a stavu zařízení. Získaná data mohou (možno říci měly by) být využity pro dosažení optimálního režimu při uvádění nových nebo rekonstruovaných objektů do provozu. To se týká i možností průběžného zjišťování opotřebení strojních částí nebo určování spolehlivosti celého vodohospodářského díla ze získaných technologických datových souborů. ASŘ se používá k podpoře činnosti pracovníků obsluhy při řízení procesů, k dokumentování procesů a jako pomůcka k obsluze a údržbě čistírny. Všeobecné požadavky provázející návrh systému řízení jsou následující: 191
- ASŘ musí být navrhován v počátečním stádiu návrhu všech procesů v plném rozsahu - Při navrhování ASŘ musí být zohledněny požadavky vedení společnosti na informace. Ty mohou být přenášeny na vzdálené útvary společnosti rádiem nebo po internetu. - Koncepce ASŘ musí být navrhována speciálně pro každou čistírnu s ohledem na proces čištění a odbornou kvalifikaci obsluhy. - ASŘ mají být vybudovány jako síť několika podsystémů s jedním nebo více řídícími středisky. ASŘ má podporovat komunikaci přes internet s cílem prezentovat data online a archivní informace kompatibilní s webovými stránkami. Dosavadní poznatky z rekonstrukcí a staveb nových ČOV nepotvrzují dosud plnění ve všech bodech všeobecných požadavků. ASŘ nestojí v počátečním stádiu návrhu vždy jako zcela rovnocenná část ostatním částem čistíren. Jednou z příčin může být menší informovanost zainteresovaných pracovníků oboru o způsobech, možnostech a významu řídících systémů. Přetrvává také dodatečné předkládání požadavků na zpracování provozních dat a propojení s informačními systémy vodárenské společnosti. Závěr Nové podmínky vycházející z potřeby urychlené výstavby ČOV a stokových sítí si vynucují účinná opatření a změny postupů v oblasti projektování, výstavby a provozovaní rekonstruovaných a nových čistírenských objektů. Nutným se stává požadavek na informování obsluhy o provozních údajích, jako jsou průběžná spotřeba elektrické energie, spotřeba chemických látek nebo kvalita odpadních vod na odtoku do recipientu a další. Stále nezastupitelná pochopitelně zůstává role obsluhy pozůstávající z vizuální kontroly provozu všech stupňů čistírny a správné interpretaci zjištěných odchylek v řízení. Ta může být usnadněna uložením podrobného slovního popisu možných problémů, jejich pravděpodobných příčin a řešení do řídícího počítače. Provozní evidence vedení v provozním deníku může být obsluze a dalším uživatelům k dispozici v elektronické podobě. Obsah deníku je stanoven provozním řádem, jeho forma je odsouhlasená s provozovatelem a má být součástí dodávky řídícího systému. Je velmi efektivní a žádoucí začleňovat nově budované čistírenské do stávajících vodárenských dispečinků. Systém musí nabízet snadnou rozšiřitelnost dispečinků o nové objekty bez ohledu na to, zda se jedná o vodárenské nebo čistírenské. Je možné využít už stávající rádiovou síť, přenosy sítí GSM anebo přenos dat po internetu, který už je často k nově budovaným objektům přiveden. Literatura [1] Příručka provozovatele čistírny odpadních vod, SOVAK, ISBN 80-239-2528-8 [2] Příručka provozovatele stokové sítě, SOVAK, ISBN 80-238-9947-8 [3] Kašparec J., Hladký O.: Řízení stokové sítě a jeho integrace do systému řízení ČOV, AUTOMA 11/2007, str.12-14 192