Telemetria

Woda w sieci pełnej czujników

Budowa wodociągu

Systematyczne monitorowanie całej sieci wodociągowej pozwala lepiej zrozumieć zachodzące w niej zjawiska. W rezultacie możliwe jest zwiększenie pewności dostaw wody, ograniczenie kosztów utrzymania sieci oraz znaczna redukcja strat wody – w wyniku wczesnego wykrywania i usuwania wycieków. Dziesięcioletnie już doświadczenia Sądeckich Wodociągów pokazują, że inwestycja w rozwiązania telemetryczne współpracujące z automatyką i oprogramowaniem do modelowania pracy sieci, może przynosić bardzo konkretne korzyści lokalnej społeczności i przedsiębiorstwu wodno-kanalizacyjnemu.

 
Woda o wysokich parametrach jakościowych jest dziś dostępna w każdym domu. Traktujemy to jako coś normalnego, choć przecież nie zawsze tak było – sieci wodno-kanalizacyjne na terenie Polski mają historię sięgającą mniej więcej sto lat wstecz. Powstanie tych sieci było dużym krokiem cywilizacyjnym, podnoszącym jakość życia w miastach i ograniczającym ryzyko epidemii groźnych chorób. W ostatnich latach spółki wodne w całym kraju znów realizują duże inwestycje, ale ich podstawowym zadaniem, a jednocześnie wyzwaniem, pozostaje efektywne zarządzanie sieciami.

Zarządzanie służy w pierwszym rzędzie utrzymaniu ciągłości dostaw wody oraz zapewnieniu jej odpowiedniej jakości, zgodnie z ustawą o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i przepisami wykonawczymi. Polega na monitorowaniu oraz koordynacji pracy setek urządzeń aktywnych (pomp, hydroforów, wodomierzy, zasuw, zbiorników) podłączonych z podziemnym systemem rur i kanałów. W Nowym Sączu łączna długość sieci wodociągowej wynosi kilkaset kilometrów, zaś w przypadku większych ośrodków miejskich mówimy o tysiącach kilometrów.

Zarówno w sieciach wodociągowych, jak i ściekowych, nieustannie zdarzają się wycieki i awarie. W rezultacie powstają straty wody i zagrożenia środowiskowe, na które spółki wodne muszą na bieżąco reagować. Skala, rozproszenie i złożoność infrastruktury wodno-kanalizacyjnej wymuszają wykorzystanie w tym procesie nowoczesnych technologii – inżynierskich, telemetrycznych i informatycznych. W pewnym sensie, to dzięki nim woda dociera do odbiorców, ma odpowiednie ciśnienie i parametry jakościowe. Brak monitorowania sieci sparaliżowałby każde miasto w ciągu najdalej kilku dni.

Delikatna zmiana biegów

Sieci wodociągowe muszą działać w pewnym przedziale parametrów, by zachować stabilność. Woda nie jest ściśliwa, a wielkość poboru chwilowego jest wartością nieprzewidywalną, dlatego ciśnienie w sieci wodociągowej stale zmienia się, czasami gwałtownie. Skoki ciśnienia stanowią zagrożenie dla jej szczelności, zwłaszcza w miejscach połączeń między elementami. Nad ciśnieniem nieustannie czuwają systemy automatyki (SCADA), sterujące układami regulacyjnymi w ujęciach wody i hydroforniach. Niezależnie od nich, informacja o ciśnieniu, przepływach i innych ważnych parametrach jest rejestrowana przez bardzo czułe przepływomierze zainstalowane w sieci i przesyłana do centrum zarządzania siecią. Zainstalowaliśmy je w miejscach na granicach stref miejskiej sieci wodociągowej, których w Nowym Sączu jest siedem.

W normalnych warunkach automatyka spełnia swoją rolę, na bieżąco dostosowując nastawy urządzeń sieciowych. Na co dzień przepływomierze i inne urządzenia pomiarowe zainstalowane w szkielecie sieci miejskiej przesyłają więc dane raz na dobę. Jeśli jednak wielkość parametrów przekroczy ustalone progi, dyspozytor jest informowany natychmiast za pomocą wiadomości SMS. Na podstawie znajomości sieci i doświadczenia jest w stanie korygować automatyczne ustawienia układów regulacyjnych. Gdy ciśnienie gwałtownie rośnie, dyspozytor może spowolnić pracę pomp w ujęciach wody lub przymknąć przepusty na wyjściu ze zbiorników retencyjnych. Wszelkie zmiany parametrów realizowane są stopniowo, by amplitudy zmian ciśnienia były jak najmniejsze.


„Nad ciśnieniem nieustannie czuwają systemy automatyki (SCADA). Niezależnie od nich, ciśnienie i inne parametry rejestrowane są przez urządzenia pomiarowe zainstalowane w szkielecie sieci miejskiej. Jeśli wielkość parametrów przekroczy ustalone progi, dyspozytor dowiaduje się o tym natychmiast i może korygować nastawy automatyczne”


Zdalne monitorowanie całości sieci wodno-kanalizacyjnej pozwala nam zapobiegać awariom, ale ponieważ sieć ma swoje lata, nie zawsze jest to możliwe. W razie awarii priorytetem staje się zmniejszenie jej negatywnych skutków dla sieci, a z punktu widzenia odbiorców – ograniczenie jej zasięgu i czasu trwania. Wykorzystujemy system zawierający model matematyczny naszej sieci powiązany z mapą cyfrową. Możemy za jego pomocą symulować różne zachodzące w sieci zjawiska, w postaci wielkości przepływów, ciśnień, poziomu zapełnienia zbiorników, wielkości odbioru itp. Dzięki temu lepiej rozumiemy działanie sieci i wiemy, co należy zrobić, gdy zdalna aparatura nadeśle alerty.

Pasywne radio u klienta, GSM na magistrali

Do odczytu danych z wodomierzy odbiorców wykorzystujemy pasywne technologie radiowe małego zasięgu. Samochód z nadajnikiem przejeżdża wolno obok posesji i odpytuje niewielkie urządzenia do transmisji danych mające formę nakładek na wodomierze. To technologia prosta, niemniej bardzo skuteczna i tania.

W trakcie wybierania technologii transmisji danych dla systemu monitoringu sieci proponowano nam rozwiązania oparte na technologii GPRS. Testy nie wypadły pomyślnie, dlatego zdecydowaliśmy się na własną sieć radiową opartą na radiomodemach pracujących w paśmie 400 MHz i wykorzystujących protokół MODBUS RTU. Z perspektywy trzeba powiedzieć, że wybraliśmy dobrze. Technologia GPRS szybko straciła potencjał przychodowy i operatorzy zaczęli traktować ją jako mało istotną. Obecnie priorytet dla transmisji GPRS w sieciach operatorów komórkowych jest niższy, niż dla usług SMS. Tymczasem nasza sieć działa bez zarzutu.

Możliwość odczytu danych online z wodomierzy u odbiorców ma pewien potencjał, szczególnie z punktu widzenia operacyjnego zarządzania siecią oraz wykrywania wycieków. Nie można jednak zapominać o stronie kosztowej. Urządzenia wykorzystujące sieci LTE są z naszej perspektywy interesujące, ale na póki co zbyt drogie. Przynajmniej na razie pozostaniemy przy sprawdzonych rozwiązaniach. Z sieci GSM korzystamy tylko w przypadku transmisji danych z przepływomierzy strefowych zainstalowanych w granicach stref na sieciach magistralnych oraz rozdzielczych.

Połączenie monitorowania z modelowaniem sieci przyniosło wymierne rezultaty. W ciągu ostatnich 10 lat Sądeckim Wodociągom udało się znacznie ograniczyć liczbę poważnych awarii i związanych z nimi kosztów prac remontowych. Kluczowe znaczenie miała koordynacja pracy urządzeń sieciowych w taki sposób, by zminimalizować liczbę nagłych uderzeń hydraulicznych. W skali całej sieci udaje się nam utrzymać ciśnienie na poziomie, który nie przekracza wartości optymalnej w danej porze dnia o więcej niż 0,25 bar.

Szczelniej, czyli taniej

Zdalny monitoring w połączeniu z modelowaniem sieci pozwolił nam ograniczyć wycieki wody z sieci. Utrata wody z powodu wycieków to dla spółek wodnych duże koszty – tym większe, im dłużej wyciek pozostaje niezauważony. Produkcja wody wymaga inwestycji w infrastrukturę ujęcia i uzdatniania wody, systematycznej wymiany filtrów i substancji aktywnych, energii elektrycznej, oraz ludzi nadzorujących proces produkcji. Żadna sieć wodociągowa nie jest stuprocentowo szczelna. W Polskich warunkach średnio 30% wyprodukowanej wody pitnej wycieka do środowiska, ale zdarzają się sieci, w których wycieki sięgają powyżej 50%. Nam, dzięki monitoringowi i optymalizacji udało się zejść do 10-12%.

Gromadzone przez nas systematycznie dane o ciśnieniu, przepływach, obrotach pomp, poziomie zapełnienia zbiorników, poborze energii oraz innych parametrach, pozwoliły nam ustalić ich wzajemne współzależności. To z kolei umożliwia firmie dostarczanie wody zgodnie z oczekiwaniami klientów i wymogami przepisów, przy najmniejszych możliwych kosztach całkowitych. Oszczędności wynikają z koordynacji pracy wszystkich pomp w sieci i maksymalnego wykorzystania do stabilizacji ciśnienia metod, które nie wymagają poboru energii (zbiorniki retencyjne, zasuwy, śluzy). Dopiero gdy ciśnienie zmienia się gwałtownie, obroty pomp są zwiększane lub zmniejszane.

Skoro szumi, to jest wyciek

Identyfikacja wycieków jest czynnością na pograniczu rzemiosła, nauki i sztuki. Każdego ranka w Sądeckich Wodociągach analizowane są raporty, w których bieżące dane pomiarowe porównywane są z historycznymi danymi o odbiorze w poszczególnych strefach. Dane w raportach tylko sugerują możliwość powstania wycieku. Aby go dokładnie zlokalizować, trzeba wysłać w teren ekipę diagnostyczną. Każdy wyciek generuje ciche dźwięki, swoisty szum, który można usłyszeć przy pomocy specjalistycznej aparatury nasłuchowej.

Dla podniesienia skuteczności poszukiwań, w nocy, gdy ogólny poziom dźwięków w środowisku jest niższy, w sieci prowadzone są nasłuchy za pomocą specjalistycznych urządzeń akustycznych, tzw. loggerów, wyposażonych w bardzo czułe mikrofony. Rozum podpowiada, że przejmować należy się głównie dużymi wyciekami, to jednak nie do końca prawda. Wbrew logice – mniejsze wycieki są lepiej słyszalne, niż większe. Bieżące usuwanie drobnych wycieków jest ważne dlatego, że wiele drobnych wycieków tworzy łącznie szum zagłuszający większe, z natury cichsze wycieki.

W sieci wielkości takiej jak nasza, łączne oszczędności z tytułu zmniejszenia zużycia energii, redukcji poboru wody ze środowiska, ograniczeniu zużycia urządzeń i materiałów sumują się w skali roku do setek tysięcy złotych. Aby oszczędzić, trzeba zainwestować, ale zwrot z inwestycji pojawia się dopiero przy pewnej skali. Z tego powodu mniejsze gminy oddają zarządzanie sieciami wodociągowymi spółkom takim jak nasza. Właśnie jesteśmy w trakcie przejmowania zarządzania sieciami w kilku gminach w okolicy Nowego Sącza. Do końca 2015 r. podłączymy do naszej sieci ok. 20 tysięcy nowych klientów.

Przejmując sieci innych gmin, Sądeckie Wodociągi obejmą je swoim sprawdzonym systemem monitorowania i sterowania. Początki nie są łatwe. Pozyskujemy sieci słabo opomiarowanie, z wysokim poziomem wycieków – zwykle powyżej 30%. Dzięki telemetrii, z biegiem czasu wycieki i inne koszty zostaną obniżone do poziomu podobnego jak w naszej sieci miejskiej. Mieszkańcy okolicznych gmin zyskają wodę o lepszych parametrach, większą pewność dostaw, ale dzięki oszczędnościom wynikającym z efektywności oraz dzięki korzyściom skali, cena metra sześciennego wody nie zmieni się.

Wymowne liczby

Zintegrowany system zarządzania i monitorowania sieci w Sądeckich Wodociągach budowany był stopniowo w latach 2005-2009. Inwestycje objęły budowę stacji pomp II stopnia oraz włączenie ich do systemu sterowania oraz monitorowania. Sumaryczny koszt przedsięwzięcia wyniósł 609 000 zł. Dzięki tym nakładom we wspomnianym okresie pięciu lat udało się nam ograniczyć straty wody o 18 punktów procentowych – z niecałych 30% do 10-12%.


„W okresie 5 lat po inwestycji udało się nam ograniczyć straty wody o 18 punktów procentowych – z niecałych 30% do 10-12%. W liczbach absolutnych oznaczało to sumaryczne zmniejszenie ilości pompowanej wody o ponad 3 008 970 m3. Zakładając utrzymanie się strat wody na niezmiennym poziomie, każdy następny rok przynosi z tego tytułu 1 203 583 m3 x 0,295 zł/m3 = 355 057 zł korzyści”


W liczbach absolutnych oznaczało to sumaryczne zmniejszenie ilości pompowanej wody o ponad 3 008 970 m3. Koszt zmienny produkcji i pompowania wody (energia, chemikalia , opłaty za środowisko) wynosi 0,295 zł/m3 wody. Zaoszczędzona kwota na koniec 2009 r. wyniosła 3 008 970 x 0,295 = 887 646 zł. Tak więc, po zakończeniu okresu rozliczenia inwestycji, poniesione nakłady na system monitoringu i sterowania zwróciły się „z górką”. Zakładając utrzymanie się strat wody na niezmiennym poziomie, każdy następny rok przynosi z tego tytułu 1 203 583 m3 x 0,295 zł/m3 = 355 057 zł korzyści.

Krzysztof Głuc, Dariusz Kosakowski, Andrzej Wójsik, Sądeckie Wodociągi Sp. z o.o.
Od lewej: dr Krzysztof Głuc, wiceprezes w Sądeckich Wodociągach Sp. z o.o. w Nowym Sączu, Dariusz Kosakowski, główny informatyk w Sądeckich Wodociągach Sp. z o.o. w Nowym Sączu, Andrzej Wójsik, kierownik Zakładu Monitoringu w Sądeckich Wodociągach Sp. z o.o. w Nowym Sączu.

Autorem fotografii jest Kazimierz Fałowski.

 

Evention

 

Artykuł ukazał się w raporcie po konferencji M2M Summit zorganizowanej przez firmę Evention. Konferencja odbyła się 30.09.2014 r. w Centrum Nauki Kopernik w Warszawie.