System monitorowania i sterowania pracą obiektów
rozproszonych w trybie on-line z wykorzystaniem technologii GPRS i Internetu

1. Wstęp

Zwiększenie efektywności działania przedsiębiorstw działających w sektorze wodnokanalizacyjnym jest procesem wymuszonym przez zmiany zachodzące w naszej gospodarce w ciągu ostatnich 16 lat. Osoby odpowiedzialne za efektywne zarządzanie poprzez analizy funkcjonowania przedsiębiorstwa poszukują sposobów na ograniczenie kosztów ich działania. Niewątpliwie istotną przeszkodą w uzyskaniu pełnej wiedzy o rozkładzie kosztów jest brak wystarczającej informacji o sposobie eksploatacji urządzeń i obiektów tworzących typową infrastrukturę przedsiębiorstwa z branży wodno-kanalizacyjnej.

Cechą wyróżniająca opisywany segment przedsiębiorstw jest duża liczba posiadanych przez nie obiektów rozproszonych rozmieszczonych często na znacznym obszarze. Codzienna eksploatacja tych obiektów, polegająca na tzw. "objeżdżaniu" pochłania znaczne zasoby finansowe chociażby z tytułu konieczności zaangażowania zasobów ludzkich, jak i sprzętu. Co więcej trudna do przewidzenia awaryjność tych obiektów istotnie utrudnia planowanie wydatków na eksploatację.

W tej sytuacji logicznym rozwiązaniem, umożliwiającym obniżenie kosztów eksploatacji obiektów rozproszonych, jest stworzenie zintegrowanego, centralnego systemu monitorowania, pozwalającego na nadzorowanie ich pracy w trybie on-line przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów eksploatacji stworzonego systemu - monitorowania.

Wraz z rozwojem technik komunikacji bezprzewodowej trwała ewolucja systemów monitorowania. Bardzo popularne przez lata były systemy oparte o dzierżawione łącza radiowe. Istotnym, często trudnym do pokonania elementem było ukształtowanie terenu i obszary tzw. ciszy elektromagnetycznej utrudniające rozbudowę sieci o kolejne obiekty.

Dynamiczny rozwój sieci telefonii komórkowej, a szczególnie wprowadzenie przez operatorów usługi transferu danych w technologii GPRS pozwoliło na wykorzystanie tej platformy do tworzenia systemów monitorowania charakteryzujących się dużą funkcjonalnością przy zachowaniu niskich kosztów eksploatacji. Co więcej użytkownik systemu opartego o technologię GPRS nie musi ubiegać się o przydział pasma. Nie inwestuje również w sposób bezpośredni w utrzymanie infrastruktury sieci GSM. Z uwagi na praktycznie 100% pokrycie zasięgiem terenu Polski problem stref ciszy elektromagnetycznej praktycznie nie istnieje. Do systemu można włączyć zatem praktycznie dowolny obiekt rozproszony należący do przedsiębiorstwa.

Wykorzystanie technologii GPRS do monitorowania i zdalnego, z poziomu systemu zainstalowanego na stacji dyspozytorskiej, sterowania pracą urządzeń zainstalowanych na obiektach pozwala na pełną kontrolę w trybie rzeczywistym (on-line) realizowanych na nich procesów technologicznych. Użytkownik takiego systemu może więc odpowiednio wcześnie zareagować na nieprawidłowy przebieg procesu na obiekcie i podjąć odpowiednie działania w celu przywrócenia jego prawidłowego przebiegu. Co więcej odpowiednio szybka reakcja ze strony służb serwisowych w przypadku wykrycia nieprawidłowej pracy urządzeń na monitorowanym obiekcie pozwala na zredukowanie kosztów usunięcia awarii oraz istotnie zmniejsza ryzyko wystąpienia poważnych uszkodzeń w zainstalowanym sprzęcie.

2. Struktura systemu monitorowania i jego główne składniki

Na ekranie poniżej przedstawiono przykładową strukturę systemu monitorowania i sterowania w oparciu o technologię GPRS.

Usługa "GPRS" stwarza przesłanki do znaczącej redukcji kosztów przesyłania dużych ilości danych i jest podstawą prezentowanego, kompleksowego rozwiązania, dedykowanego nie tylko monitorowaniu, ale także sterowaniu, z możliwością wykorzystania Internetu włącznie. Na przedstawionym powyżej schemacie przedstawiono sposób dystrybucji zarejestrowanych danych zarówno w sieci wewnętrznej przedsiębiorstwa, czyli Intranecie, jak i możliwość dostępu do danych z zewnątrz za pośrednictwem Internetu. Dostęp do danych jest ograniczony do grona uprawnionych użytkowników. Każdorazowo dostęp do systemu "z zewnątrz" wymaga przejścia przez procedurę autoryzacji.

Oczywiście system musi funkcjonować w oparciu o sprzęt umożliwiający zarówno wykorzystanie technologii GPRS do transmisji danych, jak i pozwalający na realizację algorytmu sterowania procesem na obiekcie. W opisywanym w artykule jako sprzętową podstawę rozwoju oprogramowania wybrano nowoczesną rodzinę telemetrycznych urządzeń "GSM/GPRS" opracowanych i oferowanych przez polską firmę "ABMICRO" Sp. z o.o. Najbardziej popularny na rynku model to telemetryczny moduł o nazwie handlowej MT-101, pełniący funkcję sterownika PLC, rejestratora, konwertera protokołów komunikacyjnych i modemu GSM/GPRS. Urządzenie to, uzupełnione o nowoczesne oprogramowanie pełni funkcję terenowego sterownika obiektowego.

W opisywanym systemie zapisane w pamięci modułu MT-101 oprogramowanie umożliwia nie tylko lokalne sterowanie procesem na obiekcie, lecz pozwala również na zdalne oddziaływanie na przebieg procesu z poziomu systemu zainstalowanego na stacji dyspozytorskiej. Dzięki tej funkcji możemy np. zdalnie:

Wymienione atuty funkcjonalne przekładają się na znaczne oszczędności ekonomiczne. Użytkownicy opisywanego systemu zgodnie potwierdzają i podkreślają, że oferowany system spełnia ich oczekiwania.

3. Użytkownik docelowy, obiekt docelowy, analiza potrzeb

Opisywany system dedykowany jest jak już wspomniano na początku artykułu przedsiębiorstwom z branży wodno-ściekowej. Praktycznie każda miejscowość o liczbie mieszkańców > 10.000 posiada ujęcie + stację uzdatniania wody i/lub oczyszczalnię ścieków. W ostatnich 5 latach obserwujemy istotny wzrost wielkości środków finansowych przeznaczanych na szeroko pojętą ekologię, a w następstwie wzrost ilości inwestycji w tym sektorze. Przystąpienie Polski do UE znacznie wzmocniło ten trend. Zgodnie z zaleceniami UE do roku 2010 każda miejscowość powyżej 2000 mieszkańców powinna posiadać własną oczyszczalnię. Wybudowanie oczyszczalni wiąże się z utworzeniem sieci kanalizacyjnej, której nieodłącznym elementem są przepompownie ścieków, a te trzeba regularnie nadzorować. Nadzorowi podlegają również inne obiekty, takie jak:

Podsumowując system monitorowania i sterowania zrealizowany w oparciu o technologię GPRS i oferowany potencjalnemu użytkownikowi, wyróżnia się następującymi cechami:

Na zrzucie ekranu powyżej przykład ekranu obrazującego pracę stacji wodociągowej.

Na zrzucie ekranu powyżej przykład analizy czasu pracy pomp na stacji uzdatniania wody.

4. Podsumowanie

Opisywany system w różnych dedykowanych wariantach jest sukcesywnie wdrażany na rynku od ponad 3 lat. Do chwili obecnej w jego strukturze monitorowanych jest ponad 650 punktów rozproszonych należących do ponad 50 przedsiębiorstw. Zwiększająca się sukcesywnie funkcjonalność systemu oraz uwzględnianie w przyjętych rozwiązaniach uwag użytkowników sprawia, że jest on coraz bardziej dopasowany do oczekiwań użytkowników.

Bardzo istotnym argumentem przemawiającym za wdrożeniem systemu jest drastyczne obniżenie kosztów usuwania skutków awarii. Możliwość przystąpienia do naprawy natychmiast po stwierdzeniu nieprawidłowości w działaniu urządzeń na obiekcie, to praktyczna realizacja tezy "zapobiegajmy awarii przed jej wystąpieniem". Z uzyskanych od użytkowników naszego systemu informacji wynika, że po wdrożeniu systemu uzyskano oszczędności od 500,- zł do 3.000,- zł netto/miesiąc na jeden obiekt. Tak szybki zwrot wydatków poniesionych na wdrożenie systemu sprawia, że zaledwie już po kilku miesiącach eksploatacji system zaczyna przynosić użytkownikowi wymierne korzyści finansowe. Zatem eksploatacja systemu pozwala odzyskać pieniądze dotychczas przeznaczane na nieefektywne "objeżdżanie" nadzorowanych przepompowni.

Posiadanie efektywnego systemu pracującego w trybie "ON-LINE" w technologii GPRS zmienia styl pracy służb serwisowych. Zamiast nieefektywnego sprawdzania stanu obiektów służby serwisowe zajmują się ich planowymi przeglądami i konserwacją, a zatem mogą być wykorzystane do innych zadań w ramach struktury firmy.

Na koniec zacytujmy stwierdzenie jednego z użytkowników systemu: "Wykorzystanie technologii GPRS do transmisji danych z obiektów rozproszonych pozwalana na uzyskanie nowej jakości, a aplikacje realizowane w oparciu o tą technologię cechują się otwartością i bardzo korzystnym stosunkiem możliwości do kosztów eksploatacji".