NAGYKITERJEDÉSŰ ENERGIAELLÁTÓ HÁLÓZATRA TELEPÍTETT MÉRŐ ÉS ADATFELDOLGOZÓ RENDSZER MONITORING SYSTEM FOR LARGE WATER-STEAM NETWORK. Pandur Béla Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki Kar, Műszaki Informatika Tanszék, 7624 Pécs, Rókus u.2.university of Pécs, Department of Information Technology, H-7624 Pécs, Rókus u.2. Összefoglaló Tanszékünk befejezte egy nagyméretű energiaelosztó hálózatok optimalizálására irányuló projekt (GVOP-3.1.1-2004-05-0125/3.0) kidolgozását. A projekt bázisrendszeréül a Pécs városi vízgőzhálózat szolgál. A hálózat csomópontjaiban és végpontjain mérőrendszert telepítettünk. A mérőrendszer kialakításánál felhasználtuk az elszámolási céllal telepített eszközöket, és új mérőállomásokat is létrehoztunk. A mérőrendszer adatait GSM/GPRS rendszer továbbítja a diszpécserközpontba, és a kutatás adatgyűjtő központjába. A kialakítandó rendszer felügyeletét ellátó számítógépen modellezni, és optimalizálni kívánjuk a hálózat áramlási és energetikai viszonyait. A mérő/irányítórendszer önmagában is kutatási feladat, melyben különböző ipari szabványú rendszerekhez való illesztést és táv-adatátvitelt valósítunk meg. A kutatási eredményeket az oktatásban is hasznosítani kívánjuk a laboratóriumi gyakorlatok során. Az adatátviteli rendszerben felhasználjuk a városi számítógép hálózat adta lehetőségeket. Kulcsszavak gőz, hálózat, GSM, adatátvitel Abstract The steam network of city Pécs serves as a basis-system for the project. We set up measuring sites at the nodes and the end points of the network. During the construction of the measuring system we use the measuring devices already installed for accounting purposes, and we build up additional measuring points, too. The measured data is transmitted to the dispatcher-center and the data collecting center of the research team by means of GSM/GPRS system. We intend to model and optimize the thermodynamic and energetic behavior of the network on the supervisor computer. The establishment of the measuring / control system is a decent research task in itself with various remote data-transfer and standard-adaptation problems within its frame. The results of the research are planned to be utilized in the education during laboratory lessons. In the data-transfer system we make use of the urban computer network facilities. Keywords steam, network, GSM, data-transfer 1
1. Bevezetés A PTE Műszaki Informatika Tanszéke az új információs és kommunikációs technológia regionális hasznosítása témakörben jelentős támogatást nyert el a GVOP pályázatán. A projekt (GVOP-3.1.1-2004-05-0125/3.0) alapvető célja, hogy módszereket alakítsunk ki egy nagykiterjedésű gőz, melegvíz hálózat működésének optimalizálására. A módszerek legyenek általánosíthatók, és alkalmazhatók más hálózatok optimális irányítására is. A méréstechnika és az adatátviteli rendszer a projektben egyrészt kiszolgáló jellegű, és az volt a feladata, hogy megfelelő hátteret biztosítson az identifikációhoz, másrészt a mobil kommunikáció önmagában is az egyik jelentős fejlesztési terület a nagykiterjedésű technológiák irányításában. Nem elhanyagolható szempont, hogy az intézetben folyó oktató munkában is felhasználhatók a kialakított mérési és adatátviteli rendszerek. A konzorciumi partnerekkel létrejött együttműködés az eredmények gyakorlati hasznosítását valószínűsítette. Ebben az előadásban elsősorban a projekt méréstechnikai és adatátviteli kérdésével kívánok foglalkozni. Az irányítási rendszer létrehozása több, jól elkülönülő feladatcsoportot jelent: a mintarendszeren eddig mért adatok és mérési módszerek elemzése új mérőhelyek és mérőberendezések létrehozása matematikai modell létrehozása irányítási, felügyeleti rendszer kidolgozása. 2
2. A rendszer topológiája. 1. ábra. Gőzhálózat topológiája. A zölddel, illetve rózsaszínnel jelzett pontokon (04,06,09,11,15,23,25,29,30,31,34,K,Ny,D) hőmérséklet, nyomás, tömegáram mérés, továbbá hőmennyiség számító és távadó egység van telepítve. A hőszolgáltató által telepített mérőrendszer kialakításánál csak az elszámolási szempontokat vették figyelembe, és a mérőhelyek száma nem elegendő egy identifikációs vizsgálathoz. A nagyfogyasztóknál szűkítő-elemes mennyiségmérés, hőmérséklet és nyomásmérés, a kis fogyasztású helyeken csak hőmérsékletmérés van. A kis fogyasztók az identifikációt gyakorlatilag nem befolyásolják, elhanyagolható a hatásuk. Az identifikációhoz létrehozott új mérőhelyeket M-el (M1- M5) jelöltük. A diszpécser központot (DK) és a felügyeleti rendszert (FR) kék folttal jelöltük. A legtávolabbi mérőhelyek távolsága a diszpécser központtól mintegy 5 km. A mérési adatok bérelt telefon-vonalakon, illetve GSM alapú adatátviteli rendszeren keresztül kerülnek a központba. 3. Új mérőhelyek kialakítása. A gőzhálózat előzetes vizsgálata alapján nyilvánvalóvá vált, hogy meg kell határoznunk a vezeték keresztmetszetéhez az áramlási viszonyokat, mert helyenként víz is lehet a gőzvezetékben, és az áramlási profil jelentősen eltérhet az ideálistól. A mérőhelyek gyakorlati kialakításánál figyelembe kell vennünk a további szempontokat is. 3
A vezetékek jórészt olyan helyen vannak, ahol villamos energia nem áll rendelkezésre. Kis fogyasztású mérőberendezésre van szükség a telepes üzem megvalósításához. A rádiós adatátviteli rendszer fogyasztása is minimális lehet az adás szüneteiben. (A korábban használt mérőállomás fogyasztása 90W.) Több elem egyedi gyártása is szükség volt, hogy a kutatási feladatban kitűzött adatok mérhetők legyenek. (Jó hatásfokú 12V DC- 24V/50 Hz átalakító, speciális mérőelem a gőzvezetékben, stb..) A mérő/távadó egységek ne legyenek feltűnőek, és tokozásban megközelítsék a vandál-biztos kivitelt. A távvezeték mentén nem biztosítható a folyamatos felügyelet. A berendezések megrongálását a valós sérülés és életveszély sem gátolja meg. A beépítés minél kevesebb üzemállást igényeljen, vagy nyomás alatt is szerelhető legyen. Ez a követelmény a szűkítő elemes áramlásmérési módszereket eleve kizárta. Az alkalmazott szondák viszonylag könnyen szerelhetők. Mindössze egy karimás csőcsonk beépítése szükséges. A hőszigetelés megbontása és helyreállítása így is jelentős munka, de a szigetelés már nem jelent üzemállást. A mennyiség (tömegáram) mérésére a klasszikus Pitot csöves megoldáshoz hasonló elven működő szenzort alkalmazunk. A mérőtesten több furat van, és több bemeneti érzékelő, így a cső keresztmetszetének több pontján mérhetünk. Így a valóságot jobban közelítő eredményt kaphatunk. Az áramlási profil megmérhető, nem kell feltételezésre hagyatkozni. A mérőtest kör vagy négyszög keresztmetszetű. A négyszög keresztmetszet csökkenti a mérés függését a Reynolds számtól. A szondák gyártását és kalibrálásokat a GAMMA-DIGITAL Kft laboratóriumaiban végezték. A mérőátalakítók tervezésénél és az adatátviteli feladatoknál igyekeztünk szabványos megoldásokat választani, vagy a lehető legtöbb kész elemet felhasználni. Ahol elektronikai fejlesztés vált szükségessé, a fejlesztést modul-szintről indítottuk (rádió-modul, A/D konverter modul, programozható számító modul, stb..). Így tervezhető idő alatt voltak létrehozhatók a mérőállomások. 4. Adatátviteli rendszer. Az adatátviteli rendszer kialakításánál törekedtünk arra, hogy a központi adatgyűjtő és feldolgozó egység tetszőleges helyen legyen telepíthető. A központ GSM modemmel csatlakozik a terepi egységekhez, így gyakorlatilag a GSM szolgáltató lefedettségi területén bárhol lehet az adatgyűjtő- irányító számítógép. Az adatátviteli rendszer üzemeltetésére egyedi szerződést kötöttünk a GSM rendszer szolgáltatójával. Az adatgyűjtő felhasználja a városi ETHERNET hálózatot is. A Hőszolgáltató diszpécserközpontja és kutatási célú rendszerek közötti adatcserében a városi informatikai hálózatot használjuk. 4
2. ábra. Informatikai rendszer vázlata. A felügyeleti rendszer ebben a struktúrában csak elemző, irányító, optimalizáló feladatot lát el. A felügyelő rendszer kikapcsolása nem jár adatvesztéssel, vagy a közvetlen irányítási feladatok kiesésével. Az elosztott rendszerben lévő a lokális modulok önmagukban is képesek az üzemállapotok rögzítésére és szabályozására, csak a hálózat egészének optimalizálása marad el. A rendszer adatainak fizikai védelme és a megfelelő kutatási körülmények létrehozása érdekében a rendszer központi elemeit külön helyiségben építettük fel. A rendszer a 4. ábrán látható módon 3 számítógépet tartalmaz. Egy gép a működő rendszert felügyeli, másik kettő fejlesztési feladatokat lát el. A központ fejlesztésében felhasználtuk az elérhető, készen kapható modulokat, így a terepi egységekre, a mérési feladatokra lehetett koncentrálni az erőforrásokat. 5
5. Terepi mérőhelyek. 3. ábra. Terepi mérőhely logikai vázlata. A távadókkal mért adatok gyűjtésére és továbbítására a Honeywell XL-50 jelű terepi készülékét alkalmaztuk. A működtető programok CARE programozási környezetben készültek. A logikai vázlat alapján követhető az alrendszer működése. A távadók jelét egy 10 bit felbontású A/D konverter digitalizálja. A távadók abszolút pontossága 0,5% -nál nem jobb, de a stabilitásuk lehetővé teszi kis relatív változások mérését, ezért célszerű a 10 bites felbontás. A jelfeldolgozó processzor 3 másodpercenként kérdezi le a bemeneteket, és az így kapott pillanatértékekből számolja a hosszabb időre vonatkozó átlagokat. A hosszabb időintervallumra (10 perc, 30 perc) vonatkozó adatok így valódi átlagot jelentenek. Az adatokat a helyszíni megjelenítéshez és az adattovábbításhoz is átszámítja mérnöki egységekre, mint Cº, bar, stb.. Ez megkönnyíti a helyszíni leolvasást. Az egység alkalmas szabályozási feladatok megoldására is, ha a modell alapján be akarunk avatkozni a rendszerbe. Minden analóg kiment használható PID szabályozóként is, vagy időprogramok is futtathatók. Az egységben, egy időben több program is lehet letöltve, melyből az aktuális kiválasztható (egy programváltoztatás után pl. a korábbi verzió néhány gombnyomással, vagy távvezérléssel visszaállítható). Fizikailag nem, de logikailag külön egység a MODEM vezérlő rész. A modemvezérlő ismeri a központ hívószámát és a bejelentkezéshez szükséges jelszavakat. Parancsokat is csak a központ azonosítása után fogad el. A modemek DATA módban üzemelnek. A kapcsolat felépítésénél a szoftver rövid válaszidőt, és transzparens modemeket tételez fel. Ez jó adatátviteli hatásfokot eredményez. A modemek kiválasztásánál ügyelnünk kell a lehetséges üzemmódokra, mert a GSM modemek 6
jelentős része DATA módban nem transzparens. A DATA üzemmódot alacsonyabb üzemeltetési költségei miatt választottuk. A sok helyen alkalmazott GPRS mód üzemeltetési költsége kevés végpont esetén jelentősen meghaladja a DATA üzemmód költségeit, mert szükség van egy központ oldali szerverre a szolgáltatónál, melynek jelentős bérleti díja van. (Az árazás jelenleg egyedi megállapodás alapján történik). Egy üzemszerűen működő rendszerben, 20-30 végponttal, egyértelműen a GPRS a gazdaságosabb. Sok mobil állomás esetén létre lehet hozni a szolgáltató és a felhasználó LAN hálózata között közvetlen összeköttetést is. Ezek a megoldások sem a terepi mérőrendszert, sem a központi feldolgozást nem érintik, elsősorban gazdaságossági megfontolások alapján választunk a lehetséges rendszertechnikai megoldások között. Az adatátvitelt kezdeményezheti a terepi egység, kritikus vészjelzés esetén, vagy üzemszerűen a központi egység kérdezi le a terepi egységek adatait. Hasznos apróság, hogy rögzítjük a mérőhelyet tápláló akkumulátor feszültségét is. A központban így látható, hogy mikor kell akkumulátort cserélni. 6. Központi egység. A központi egység Windows szerver, SQL adat-báziskezelővel. A gép a GSM modemhez soros vonalon, a belső hálózathoz ETHERNET kártyával csatlakozik. A szerver gafikus felületén keresztül minden funkció elérhető. Az ETHERNET hálózat bármely pontjáról elérhetők a szerver funkciói, ha a gépen telepítjük a másodlagos konzol programokat. Ezzel a megoldással a szerver és a terepi egységek minden paramétere lekérdezhető távolról is. A kísérletek alatt mód volt a terepi egység programjának átírására is a távoli terminálról. Éles üzemben a távolról kiadható parancsok szűrése és a lehetőségek korlátozása szükséges. A leggyakoribb módosítás a mintavételi időket érintette. A helyszínen, kézzel végzett mérések ideje alatt a kézi mérésekkel szinkronban is rögzítettük az egyébként szabályos időközökben tárolt adatokat. A központi szerverre átvisszük a hőszolgáltató által mért adatokat is. Ezzel a rendszerre vonatkozó valamennyi ismeret egy adatbázisba kerül, és felhasználható az identifikációra. Az adatok rendezése időbélyeg alapján történik. Az időbeli együttfutást illető aggodalmaink a gyakorlatban nem igazolódtak. Minden terepi mérőhely összehasonlítja a saját óráját a szerver órájával, és 1 percet meghaladó eltérés esetén automatikusan, egy hibajelzés kíséretében szinkronizálja magát. A kezelőfelületet két olyan ábrával mutatom be, ami a belső működésről is szolgál információval. 7
4. ábra. Point-szerver A belső adatfeldolgozó rendszer Point-Server en keresztül kapcsolódik az adatátviteli csatornákhoz. A feldolgozó rendszer így minden adatot a Point Server én keresztül lát, és ez a feldolgozás számára elfedi az adatátvitellel kapcsolatos jellemzőket, függetlenítve ezzel a feldolgozást végző szoftver elemeket az adatátviteli megoldásoktól. 8
5. ábra. Hibajelzések A hibajelzések szűrhetők a forrás, a fontosság, vagy idő szerint. A hibajelzések külön nyomtatóra, hibanaplóba irányíthatók. Az ábra első sorában lévő hiba egy jellegzetes probléma. A tömegáram negatív értékű, ami a valóságban nem fordulhat elő. A hibát a szondában kondenzálódó folyadék okozta. Telített vízgőz mérésénél a folyadék fázis megjelenése jelentős hibákat okoz. A klasszikus mérőperemes megoldásnál sokszor a mérőperem nyílásáig áll a víz a csőben, ami jelentősen torzítja a mérési eredményeket. A megfelelő geometria kialakítása, és ebben a tartományban is jól működő, folyamatos mérés létrehozása további kutatásokat igényel. A mért adatokat a rendszer tetszőleges időintervallumra skálázva, a felhasználó által paraméterezhető módon, grafikusan vagy numerikusan megjeleíti. A feldolgozás szempontjából fontos, hogy az ismertebb formátumokban exportálni is tudja amegjelenített elemeket. Az adatok elérhetők direkt módon, az SQL adatbázis lekérdezésével is. A mért adatok feldolgozásával nyert megállapításokat és modelleket önálló előadás keretében mutatják be a konferencián a tanszék kutatói. Oktatási szempontból az a jelentősége a projektnek, hogy bemutathatunk egy működő felügyeleti szoftvert, és a hozzá kapcsolódó hálózati megoldásokat. Hallgatóink diákköri munkáikban már felhasználták a GSM-re alapozott adatátvitelben szerzett tapasztalatokat. 9
Köszönetnyilvánítás Az alkalmazott kutatás a Nemzeti Fejlesztési Terv Gazdasági Versenyképesség Operatív Program Infokommunikációs technológia kidolgozása és hasznosítása az energiaelosztás területén című pályázat keretében valósult meg. Levelezési cím (Corresponding author): Pandur Béla Pécsi Tudományegyetem, Pollack Mihály Műszaki Kar, Műszaki Informatika Tanszék, 7624 Pécs, Rókus u. 2. Tel.: +36-72-503-605/3754 Fax: +36 72 501 534 E-mail : bpandur@morpheus.pte.hu Department of Information Technology, University of Pécs, Rókus u. 2, H-7624 Pécs, Hungary Tel.: +36-72-503-605/3754 Fax: +36 72 501 534 E-mail : bpandur@morpheus.pte.hu 10