Coraz więcej zakładów produkcyjnych wykorzystujących wodę oraz przedsiębiorstw wodno-kanalizacyjnych sięga po nowoczesne rozwiązania, wprowadzające je w świat cyfryzacji i czwartej rewolucji przemysłowej. Rewolucja ta napędzana jest przez rozwój zaawansowanych technologii, zwłaszcza takich, jak Internet Rzeczy, chmura obliczeniowa czy big data.
W ciągu ostatnich lat w wielu branżach dokonała się rewolucja technologiczna. Również branża wodno-kanalizacyjna odczuła wpływ nowych technologii teleinformatycznych i cyfrowych. Systemy komputerowe, zdalny odczyt i przesył danych to przykłady zmian, które zaszły i wciąż dokonują się w tym sektorze rynku. Dzięki nim możliwe jest monitorowanie i zbieranie większej ilości danych, szybsze ich przetwarzanie oraz generowanie raportów ułatwiających podejmowanie trafnych decyzji, przekładających się z kolei na optymalną eksploatację systemów.
Jak podkreśla Michał Boruta, menedżer ds. rozwoju biznesu w firmie Siemens, świadomość znaczenia wody w przemyśle w ostatnich latach stale rośnie. Ustawodawcy zaostrzają przepisy dotyczące zarówno wody pitnej, jak i wody dla produkcji oraz ścieków. Aby zapewnić dostęp do świeżej i czystej wody, zakłady uzdatniania muszą sprostać wysokim wymaganiom odnośnie jej parametrów. Oczyszczalnie ścieków są zobowiązane spełnić wymogi obowiązujących przepisów ochrony środowiska, a zakłady przemysłowe – zacząć szukać rozwiązań ograniczających i optymalizujących zużycie wody do celów produkcyjnych.
Odpowiedzią na postawione wyzwania może być rozpoczęty proces czwartej rewolucji przemysłowej. W branżach procesowych otwiera to nowe możliwości w optymalizacji procesów opartych na chmurze obliczeniowej (cloud computing), modelowaniu cyfrowym czy „wirtualnym bliźniaku instalacji”. Jednak zdaniem eksperta z firmy Siemens sektor wodno-kanalizacyjny prawdopodobnie będzie podlegał zmianom, jakie narzuca koncepcja Przemysłu 4.0, w najmniejszym stopniu w stosunku do innych branż. Wynika to z wysokiej kapitałochłonności i konieczności utrzymania wieloletniego horyzontu inwestycyjnego. Szanse dla tej branży to przede wszystkim wprowadzenie cyfryzacji instalacji oraz optymalizacja procesów – zarówno w zakresie energochłonności, jak i zmian w samej technologii.
Systemy automatyki
Do rozwiązań optymalizujących zarządzanie wodą i ściekami należą specjalistyczne systemy automatyki, na które składają się urządzenia pomiarowe oraz wykonawcze, jak również komputerowe systemy sterowania i nadzoru.
Jak wyjaśnia Michał Boruta, w cyfrowym świecie niezwykle ważną kwestią jest możliwość zarządzania rozproszonymi instalacjami, charakterystycznymi dla branży wodno-kanalizacyjnej, poprzez jeden, spójny system sterowania. Oczywiście system ten musi mieć możliwość komunikacji cyfrowej z urządzeniami i elementami obiektowymi. Dzięki temu mamy możliwość zdalnego projektowania, parametryzacji, uruchamiania, diagnostyki i serwisowania inteligentnych urządzeń obiektowych oraz elementów obiektowych. Warto w tym miejscu podkreślić, że Przemysł 4.0 i cyfryzacja niosą zmiany także dla samego człowieka, który staje się bardziej kontrolerem pracującej linii niż wykonawcą czynności produkcyjnych.
W tej sytuacji sprawdza się zdalny monitoring przy pomocy systemów informatycznych i automatyki ze zdalną transmisją danych pomiarowych i sterujących. Zdaniem Pawła Podsiadło, specjalisty ds. komunikacji przemysłowej w firmie ASTOR, rozwiązanie to pozwala połączyć rozproszone obiekty w jeden spójny system centralnego monitoringu i zdalnego sterowania. Jest to podejście zgodne z ideą Przemysłu 4.0 w zakresie smart maintenance, rozumianego jako zwiększenie autonomiczności obiektów, mocniejsza integracja urządzeń oraz – co najważniejsze – znaczące usprawnienie zarządzania utrzymaniem ruchu i wsparcia.
Jak wyjaśnia Paweł Podsiadło, tradycyjne metody nadzoru w rozproszonych obiektach infrastruktury krytycznej, np. w branży wodno-kanalizacyjnej, obejmują codzienny objazd obiektów przez służby techniczne w celach kontrolnych lub pomiarowych oraz lokalną obsługę. Takie działanie może powodować wiele trudności w lokalizowaniu miejsc wystąpienia awarii oraz długie przestoje. Alternatywnie da się jednak zastosować scentralizowany system, który bez potrzeby wyjazdu w teren pozwoli: precyzyjnie diagnozować miejsca wystąpienia usterek, skrócić czas obsługi awarii, zwiększyć bezpieczeństwo obiektów przed nieuprawnionym dostępem oraz podnieść ich samoobsługowość. Ponadto, dzięki dostępowi do bieżących i historycznych danych ze wszystkich obiektów i urządzeń, pomoże zminimalizować czasy przestojów i pozwoli precyzyjnie planować modernizację obiektów.
Strukturę systemu monitoringu i zdalnego sterowania tworzą trzy warstwy: aplikacyjna, sterowania i komunikacji.
Warstwa aplikacyjna budowana jest w oparciu o sprzęt komputerowy z oprogramowaniem odpowiedzialnym za gromadzenie, wizualizację i przetwarzanie danych obiektowych w czasie rzeczywistym oraz za ich archiwizowanie. Najczęściej stosuje się tu oprogramowanie zgodne z wytycznymi dla systemów klasy SCADA oraz HMI, w połączeniu z modułami raportowania i analizy danych.
Jeśli chodzi o warstwę komunikacji, jej trzon stanowi transmisja bezprzewodowa – najczęściej stosowane są tu radiomodemy, modemy gsm lub routery wi-fi oraz inne urządzenia uzupełniające, takie jak: switche, routery przemysłowe czy konwertery komunikacyjne.
Z kolei warstwa sterowania budowana jest w oparciu o kompaktowe i modułowe sterowniki PLC, układy wejść/wyjść, panele operatorskie oraz przemienniki częstotliwości. Zapewnia wydajną pracę obiektów technologicznych i maszyn oraz gromadzi kluczowe dane dotyczące procesu.
Podstawowymi rozwiązaniami informatycznymi, wdrażanymi w przedsiębiorstwach wod.-kan., są: systemy GIS (Geographical Information System) generujące mapy numeryczne sieci wodociągowej i kanalizacyjnej; wspomniane systemy SCADA, monitorujące podstawowe parametry charakteryzujące działanie stacji poboru wody, sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz oczyszczalni ścieków; systemy bilingowe do rejestracji ilości sprzedawanej wody, a także modele hydrauliczne sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.
Jeśli chodzi o systemy informacji geograficznej typu GIS, wspomagające komputerową ewidencję danych branżowych, ich zastosowanie pozwala na zintegrowanie wszystkich rodzajów informacji i aplikacji z geograficznymi komponentami w jeden spójny system. Technologia GIS umożliwia gromadzenie, przechowywanie, integrowanie, analizę informacji oraz wizualizacje danych geograficznych odniesionych przestrzennie do powierzchni ziemi. W ramach zintegrowanego systemu zarządzania przedsiębiorstwem system ten stanowi wspólną platformę dla innych systemów informatycznych, mających zastosowanie w przedsiębiorstwie wodno–kanalizacyjnym.
Ogólnie można powiedzieć, że inteligentne systemy wyposażone są w narzędzia, które przyspieszają i usprawniają działanie, przy jednoczesnym zmniejszeniu poniesionego nakładu pracy. Korzystanie z nowoczesnych systemów informatycznych umożliwia zautomatyzowanie większości czynności, które powinny być wykonane. Są one skutecznym narzędziem wspierającym funkcjonowanie zakładu z branży wodno-kanalizacyjnej, zarówno w zakresie zarządzania ekonomicznego, jak i zarządzania infrastrukturą techniczną. Systemy te informują o średnim zużyciu na danym liczniku, a także umożliwiają prowadzenie odczytów, wystawianie faktur na podstawie odczytanych danych, drukowanie zestawienia sprzedaży oraz informacji o zadłużeniach i nadpłatach. Wiele korzyści wynika z integracji danych ekonomicznych, technicznych i technologicznych, z różnych jednostek organizacyjnych i obiektów technologicznych przedsiębiorstwa. Można do nich zaliczyć np.: racjonalizację gospodarki wodno-kanalizacyjnej, poprawę jakości usług oraz zmniejszenie kosztów działalności firmy. Dzięki zastosowaniu systemów informatycznych można osiągnąć szereg korzyści w obszarach związanych z aktywną kontrolą wycieków, zarządzaniem ciśnieniem w sieciach wodociągowych, odnową oraz wymianą rur i armatury, a także szybkością i jakością napraw. Nowoczesne rozwiązania informatyczne pozwalają również na dokładną inwentaryzację obiektów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, poprawę jakości wody, a także sterowanie operacyjne siecią wodociągową i kanalizacyjną.
Drony: inspekcja kanalizacji
Mówiąc o rozwiązaniach wpisujących się w koncepcję Przemysłu 4.0, warto wspomnieć o zastosowaniu innowacyjnej technologii inspekcji sieci kanalizacyjnej przy pomocy dronów. Co ciekawe, wdrożenie to, nowatorskie na skalę światową, miało miejsce w Wodociągach Miejskich w Radomiu, a przedmiotem prac było sprawdzenie stanu technicznego połączeń w kolektorze kanalizacji deszczowej.
Inspekcja za pomocą dronów może być przeprowadzona praktycznie przez jedną osobę i nie wymaga wejścia do kanału czy studzienki kanalizacyjnej. To doskonałe rozwiązanie w przypadku przewodów, które znajdują się w bardzo złym stanie technicznym – ponadto eliminuje się ryzyko związane z możliwością występowania gazów niebezpiecznych w przewodach.
Zdaniem przedstawicieli firmy, która rozwija rozwiązania dotyczące inspekcji dronami, prowadzone inspekcje sieci kanalizacyjnej stanowią jedynie przedsmak tego, czego możemy spodziewać się po tej technologii w najbliższych latach. Obecnie w opracowaniu jest geolokalizacja drona w sieci, budowanie modelu 3D w oparciu o technologie laserowe, pobieranie próbek wody z trudno dostępnych miejsc, inspekcja sieci w poszukiwaniu wycieków itd. Drony dopiero zaczynają swoją przygodę w świecie wod.-kan., jednak wszystko wskazuje na to, że mają dużą szansę zagościć w nim na stałe.
*****
Cyfryzacja i automatyzacja – główne motory innowacji i zmian
Dzięki cyfryzacji i automatyzacji procesów, przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjne mogą obniżać koszty działania, poprawiać jakość dostarczanych usług i zwiększać poziom bezpieczeństwa osób pracujących w obiektach wod.-kan.
Kluczowymi czynnikami wpływającymi na cyfryzację gospodarki, również w obszarze branży wod.-kan., są – oprócz automatyzacji i robotyzacji – m.in.: Internet Rzeczy (Internet of Things – IoT), wszechobecna łączność, aplikacje i usługi oparte na chmurze obliczeniowej (cloud computing), a także analityka dużych zbiorów danych (big data).
Nowoczesne oprogramowanie analityczne, korzystające z zasobów big data, cechuje się szybkością generowania raportów, łatwością dostosowania ich do indywidualnych potrzeb, możliwością swobodnego zagłębiania się w dane oraz rozbudowanymi możliwościami analizy i wizualizacji. Umożliwiają one współpracę online oraz gwarantują mobilność.
Wszystkie wyżej wymienione czynniki leżą u podstaw koncepcji Przemysłu 4.0, oznaczającej zmiany zachodzące w sektorze przemysłowym w czasach kształtowania nowej fazy rozwoju, którą określa się mianem czwartej rewolucji przemysłowej.
Pod względem technologicznym IoT pozwala na szybsze i bardziej elastyczne operacje w sieci, ułatwia efektywne wdrażanie środowiska chmur obliczeniowych oraz nowoczesnych systemów komputerowych. Niezbędnym elementem świata zintegrowanego za pośrednictwem sieci internetowej są niewątpliwie czujniki, które mogą być wykorzystywane na wiele sposobów. Jeśli chodzi o branżę wod.-kan., przykładem praktycznych wdrożeń IoT są m.in. sensory i mikrokontrolery montowane na rurach wodociągów i sieci kanalizacyjnych, pomagające kontrolować jakość wody i wykrywać nieszczelności.
Dzięki wprzęgnięciu czujników w sieć Internetu Rzeczy otwierają się nowe możliwości, czego przykładem może być diagnostyka pomp. Analiza przepustowości, składu chemicznego wody, przewidywanie z wyprzedzeniem awarii pompy i przesyłanie stosownego komunikatu bezpośrednio do komputera zarządzającego siecią to niektóre z zalet związanych z wykorzystaniem czujników w pompach wodnych.
Co istotne, zastosowanie rozwiązań IoT nie wymaga dysponowania własnymi zasobami oraz infrastrukturą IT, ponieważ opierają się one głównie na danych w chmurach i systemie subskrypcyjnym. Chmura obliczeniowa stanowi model rozproszonego przetwarzania danych, oparty na użytkowaniu usługi dostarczonej przez zewnętrzne podmioty, dostępnej na żądanie w dowolnej chwili oraz skalującej się w miarę zapotrzebowania. Jest to alternatywa dla własnego centrum danych (data center), niewymagająca poniesienia znaczących kosztów inwestycyjnych związanych z wybudowaniem odpowiedniej infrastruktury IT.
Autorka: Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii, od wielu lat związaną z branżą dziennikarską i wydawniczą.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
