Опыт эксплуатации и развитие системы мониторинга и анализа
режимов функционирования источников теплоты
В.Н. Бабенко,
м.н.с.,
Ф.Э. Гербек,
м.н.с.,
Р.С. Кузнецов,
м.н.с.,
С.И. Орлов,
вед. инж..,
В.И. Позняк,
вед. инж.,
В.П. Чипулис,
зав. лаб., д.т.н., проф.,
ИАПУ ДВО
РАН, г. Владивосток
Введение
Одним из первых этапов на
пути решения проблемы энергосбережения является внедрение на объектах
теплоэнергетики (ОТЭ) систем мониторинга, учета и регулирования потребляемых и
вырабатываемых ресурсов, анализа эксплуатационных режимов ОТЭ. В результате
этого повышается уровень оснащенности объектов средствами измерения параметров,
что является предпосылкой создания автоматизированных систем, обеспечивающих
энергосберегающие режимы ее работы.
Особо сложные и
функционально разнообразные задачи возникают при техническом обслуживании
источников теплоты – ТЭЦ, котельных, бойлерных. При этом не только в
значительной степени возрастает и усложняется информационная база результатов
измерений, обусловленная широким спектром и большим количеством измерительного
оборудования, устанавливаемого (иногда
на значительном расстоянии друг от друга) на объектах, но и возникает
еще один существенный, усложняющий разработку информационно-измерительных и
аналитических систем аспект. Он связан с необходимостью создания совокупности
автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций.
Естественно, что все эти АРМ должны быть объединены в локальную компьютерную
сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы
контрольно-измерительных приборов или контроллеров. Заметим, что для
обслуживающего персонала принципиально важно наблюдать за процессами изменения
параметров в реальном времени, что требует считывания данных в компьютер с малым периодом времени. Программное управление
такого рода системным объектом, включающем совокупность разнотипных
контрольно-измерительных приборов, коммуникационных средств – передачи данных в
базовый компьютер и распространения их по локальной сети, является, безусловно, нетривиальной задачей.
Задачи системы
Коллектив сотрудников ЗАО
ВИРА и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, г. Владивосток в
2002 г. завершил работы по созданию рабочей версии информационно-аналитической
системы источников теплоты – ИСМА. Система внедрена и эксплуатируется в
котельной Всероссийского детского центра «Океан» в пригороде Владивостока. При
этом постоянно наращиваются функциональные возможности системы, разрабатываются
и встраиваются новые программные модули. Задачи, решаемые системой,
концентрируются в двух направлениях – мониторинг, сопровождаемый выявлением
нештатных и критических ситуаций с оповещением персонала об их возникновении и
ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений.
Режим мониторинга
Система установлена на трех компьютерах – главного
инженера, начальника теплового цеха и оператора, объединенных в локальную сеть
(рис. 1). На каждом из компьютеров в реальном времени можно наблюдать динамику
функционирования объекта по каждому из имеющихся параметров.
рис.1. Локальная компьютерная сеть системы ИСМА – ОКЕАН
Кроме
того, на дисплее отражаются параметры, вычисляемые системой – уровни мазута и
воды в резервуарах, а также объемы их заполнения. Текущие значения величин
измеряемых и вычисляемых параметров указываются рядом с обозначениями
измерительных приборов или внутри отображаемого на схеме оборудования (резервуаров
с мазутом и водой).
Одна
из основных, наиболее ответственных функций системы – обнаружение нештатных и
критических ситуаций и своевременное оповещение об их возникновении.
Пользователю предоставлена возможность настройки диапазона нормативных и
допустимых значений для каждого из параметров. При выходе величины контролируемого параметра за
пределы нормативов включается предупредительная сигнализация – по желанию
пользователя либо статическая визуальная (обрамление красной рамкой), либо
динамическая (мигающая рамка). При возникновении критической ситуации, могущей
привести к аварии, включается аварийная
сигнализация – динамическая, сопровождаемая для усиления восприятия звуковой.
Режим
ретроспективного анализа
В
режиме ретроспективного анализа результатов измерений система предоставляет
пользователю ряд возможностей, основные из которых сводятся к следующему.
Ретроспективный
мониторинг. В ряде случаев возникает потребность интегрально
оценить ситуацию, сложившуюся в прошлом, по совокупности значений измеряемых
параметров. Для этого в системе предусмотрен режим ретроспективного мониторинга.
Он позволяет воспроизвести на экране монитора ход технологического процесса в
режиме прошедшего, “псевдо-реального” времени. При этом пользователю предоставляется
возможность задания масштаба времени, определяющего скорость воспроизведения
процесса.
Построение
и визуализация графиков. Графики подразделяются на стандартные и заказные.
Стандартные графики реализуются через
выпадающее меню, содержащее набор параметров и их сочетаний, подлежащих
графическому представлению. Формирование и отображение заказных графиков предполагает
предварительное задание функции (от параметров архивных переменных, констант и
времени), подлежащей программной интерпретации с последующим графическим
представлением.
Стандартные
графики подразделяются на две группы:
- графики параметров (и их сочетаний)
во времени;
- графики параметров,
усредненные за каждый час суток заданного интервала времени - «среднее по часам».
Моральный износ и проблемы масштабирования
системы
Длительный
опыт эксплуатации и сопровождения системы показал, что выбранные ранее простые
средства и архитектурные решения уже не соответствуют масштабам системы и
современным технологическим средствам разработки программ. Появилась
потребность в модернизации системы и создании аналогичных программных
средств для других источников теплоснабжения. Опыт развития и модернизации
аналогичных систем других разработчиков, а также собственные практические и
теоретические наработки показывают основные направления развития системы.
За время
после начала работы системы и ее эксплуатации накопилось достаточно большое
количество новых технических и программных средств для разработки и
эксплуатации автоматизированных программных комплексов. Значительно расширилась
номенклатура технических средств измерений, количество типов интеграторов и средств их связи с компьютером
(модемы, радиомодемы, сети сбора данных RS-485, RS-232, TCP/Ethernet сети).
Было разработано и реализовано большое количество дополнительных функциональных
и аналитических возможностей анализа, технической диагностики режимов функционирования
объекта теплоэнергетики, требующих изменения ранее принятых архитектурных
решений, накоплен опыт разработки и поддержки сложных программных комплексов
За время
эксплуатации системы также появилось много новых средств и возможностей
операционных систем, СУБД и средств поддержки коллективной разработки
программ. Смена версий операционных
систем и аппаратно-компьютерного оборудования приводит с одной стороны к
снятию поддержки производителями устройств и программ некоторых устаревших
технических и программных средств, что приводит к необходимости замены
подсистем использующих таковые средства, то есть перепрограммирования и
повторного тестирования системы. С другой стороны, повышение производительности
компьютеров позволяет вводить новые, более ресурсоемкие алгоритмы и функции по
сбору и обработке данных, например, такие как статистический анализ больших
накопленных массивов данных и построение статистических моделей поведения
объектов. Также возросли возможности и средства визуализации анализируемых
данных в различных аспектах и представлениях.
Таким
образом, появление систем автоматизации разработки программных систем АСУ-ТП,
как зарубежных, так и отечественных производителей, позволяет строить обширные
и разветвленные сети сбора данных, включая в них измерительные приборы
различных типов и обеспечивающих драйверами доступа к ним. Использование средств быстрой разработки
программных систем CAD/CAE исключает перепрограммирование модулей системы при
отсутствии новых типов измерителей, а при добавлении новых типов
устройств требует лишь написания дополнительных драйверов и включение их в
систему.
Принципы разработки новой версии системы
Ведущими
принципами при создании новой версии информационно-аналитической системы для
источников теплоты являются следующие:
1.
Поэтапность разработки программных средств в приоритетном порядке.
Приоритетность разработки определяется наличием реально используемых типов.
2.
Унификация форматов данных и протоколов обмена данными для различных
типов измерителей и средств связи подсистем, а также между подсистемами.
3.
Модульная организация, с обеспечением добавления новых и удаления
устаревших модулей из системы без ее полной перетрансляции. Возможность
модульной реализации системы, в частности, обеспечивается стандартизацией форматов
данных и интерфейсов взаимодействия модулей.
4.
Иерархическое, многоуровневое построение, которое в сочетании с
модульностью позволяет формировать автоматизированные рабочие места (АРМ) с
различной функциональностью.
5.
Многоуровневое протоколирование работы системы с различной степенью
подробности и с возможностью полного сохранения данных, полученных из внешних
источников для повторного ввода сохраненных исходных данных при необходимости.
6.
Полное тестирование подсистем на стендах и в период внедрения и опытной
эксплуатации - то есть на самом подробном уровне протоколирования с
регулярным анализом функционирования системы по этим протоколам и накоплением
статистических данных по быстродействию, объемам данных и отказам всех
устройств, функций, подсистем.
7.
Возможность тиражирования системы. Упрощение настройки и реконфигурации
системы для установки на новый объект эксплуатации без изменения и перепрограммирования
и перетрансляции исходного кода, дает возможность введения новых типов приборов
и их включение в систему по возможности без изменения существующего.
8.
Использование мощной СУБД для хранения накопленной информации.
Увеличение объема хранимых
данных, как в связи с увеличением числа обслуживаемых объектов и числа
измерителей на них, так и удлинением хранимой истории измерений приводит к
обработке значительного объема данных и выборке
по разнообразным запросам для
фильтрации и анализа данных. Многопользовательский доступ к данным с нескольких
компьютеров локальной сети или для удаленного доступа, а также распределенная
архитектура системы сбора, хранения и отображения информации на нескольких
компьютерах требует применения современных СУБД с обеспечением соответствующих
функциональных возможностей контроля и разграничения доступа пользователей к
тем или иным массивам информации, развитого языка построения запросов на
выборку данных. Повышение надежности хранения данных обеспечивается как
средствами СУБД , так и техническими средствами повышения отказоустойчивости
устройств хранения данных (RAID массивы накопителей данных), поддерживаемые
средствами операционной системы.
Развитие аналитических возможностей системы
Проектно-нормативная
основа расчета работы источника или потребителя теплоснабжения не может
абсолютно точно отражать все значимые параметры функционирования системы. Более
того, даже если рассматривать идеальный случай, когда объект рассчитан
абсолютно точно и построен в точном соответствии с проектом, в процессе
эксплуатации объекта его характеристики меняются и теоретическая модель
перестает быть адекватной реальному состоянию и функционированию объекта.
Это приводит
к построению и рассмотрению феноменологических моделей объекта, основанных на
реально полученных данных и отражающих его состояние на всем интервале
имеющихся измерительных данных, в том числе и историю изменения его
функциональных параметров и характеристик. Современные методы математической
статистики и анализа ("добычи") данных (OLAP и Data-Mining) уже давно
используются в области финансов, маркетинга, медицине, системах поддержки принятия
решений и имеют разнообразные средства для построения и анализа таких моделей
по фактическим рядам данных различного вида. Имеется несколько программных
пакетов как отечественных (пакет СТАТИСТИКА от StatSoft) так и зарубежных
разработчиков.
Из
многообразных методов статистического анализа данных для задач мониторинга и
ретроспективного анализа объектов теплоэнергетики в системе используются
в основном методы регрессионно-статистического анализа по нескольким
параметрам, а также сравнение поведения объекта на рассматриваемом интервале
времени с таковым же поведением этого или аналогичного объекта в прошлом
при достаточном совпадении внешних параметров. С одной стороны для
текущих эксплуатационных нужд каждого из объектов накопление исторических
данных, а также таких же данных по другим объектам, не представляется
необходимым, но для более полного анализа функционирования объекта и получения
репрезентативной статистики объединение данных по всем объектам весьма
желательно. Кроме того, централизованное хранение данных по всем объектам
делает возможным групповой мониторинг и анализ их поведения при объединении в
группы по различным критериям, а также выдачу итоговой информации
по группе объектов на указанном интервале времени.
Групповой
мониторинг и обследование объектов позволяет получать обобщенную информацию о
работе группы объектов, что необходимо в частности для
финансово-административного анализа работы нескольких объектов. Эта задача с
одной стороны приводит к распределенной архитектуре системы, когда отдельные
подсистемы мониторинга конкретных объектов должны поставлять данные в
один или несколько административных и контролирующих органов, а с другой
стороны требуются разнообразные средства отбора
данных по разнообразным критериям выборки.
Надо
отметить, что имеется расхождение интересов и задач непосредственного учета и
мониторинга объектов с задачами научного исследования и разработки методов
технической диагностики поведения объектов теплоэнергетики. Понятно, что для
задач научного исследования должны применяться более глубокие и ресурсоемкие
методы математической статистики и другие аналитические средства. Таким образом
массив многолетних данных по достаточно большому числу объектов имеет самостоятельную
ценность для задач научного исследования и анализа.
Выбор технических и программных средств
разработки
Система
разделяется на несколько подсистем по характеру использования и реализации
необходимого набора функциональных возможностей:
- подсистему сбора данных
(ввод данных с измерителей),
- подсистему хранения (базу
данных),
- подсистему отображения
(пользовательский интерфейс АРМ),
- подсистему анализа
результатов измерений.
Для
повышения надежности и уменьшения затрат на разработку АСУТП для источников
теплоснабжения среднего и малого классов было решено ориентироваться на
программы с открытым кодом. Для управления разработкой системы используется CVS
(Control/Code Version System) широко применяемая при реализации проектов систем
с открытым кодом.
На нижнем
уровне для работы непосредственно с измерительными приборами подсистема сбора
данных при помощи драйверов ввода/вывода обеспечивает управление счетчиками и
контроллерами коммуникационной сети передачи данных, а также отображением
полученных данных в реальном времени. В качестве средства разработки подсистемы
сбора данных была выбрана SCADA-система TRACE-MODE, интегрированная система для
разработки АСУТП отечественного разработчика AdAstra. Основные отличия ее от
технологий, реализованных в старых SCADA-системах, сводятся к следующим трем
ключевым позициям:
1.
Единые инструментальные средства, как для разработки операторских
станций, так и для программирования контроллеров. Единая база данных реального
времени для операторских станций и контроллеров;
2.
Разработка распределенной АСУ ТП как единого проекта. Единая
распределенная база данных реального времени;
3.
TRACE-MODE полностью поддерживает стандарт OPC-2 , что
позволяет подключать к системе OPC-серверы любых контроллеров.
Кроме того, через встроенный OPC-сервер TRACE-MODE можно подключать
любые пользовательские функции и внешние приложения. Она является первой
и пока единственной программной системой на российском рынке, прошедшей
сертификацию Госстандарта РФ. Кроме того TRACE-MODE стала первой в СНГ системой,
разработка и техническая поддержка которой сертифицирована на
соответствие ISO 9001:2000.
Вариант
пилотного проекта мониторинга котельной ВДЦ Океан, выполненный на выбранных
средствах разработки, показан на рис 3. По информационной насыщенности этот
мониторинг превосходит старую систему, но для его разработки требуется на
порядок меньше времени.
Рис 3. Экран мониторинга пилотного проекта.
Заключение
Опыт разработки и
эксплуатации системы ИСМА показал ее востребованность и адекватность с одной
стороны, и необходимость усиления мета-функциональности, то есть возможности
быстрой настройки на различные объекты и источники теплоэнергии среднего
масштаба и облегчения применения новых типов измерителей без
перепрограммирования системы. Решение этой задачи позволит повысить тиражируемость
системы и поддержку модернизации уже установленных систем при изменении
технических и/или коммуникационных средств. Однако для надежного обеспечения
решения этих задач необходимо применение более развитых средств разработки и
реализации программных систем. В качестве перспективных программных средств
были выбраны программные продукты с открытыми кодами и по возможности
отечественных производителей, что должно обеспечить надежную техническую
поддержку со стороны разработчиков при не очень большом увеличении стоимости
разработки. Стандарты открытых систем, помимо прочего, являются фактором надежности
вложения инвестиций, поскольку в случае ухода с рынка одной из фирм-поставщиков
остается большой набор совместимых программно-аппаратных средств, выпускаемых
альтернативными поставщиками.