Jak vyměnit systémy měření a regulace kotelen přes zimu…a nezmrznout!

V roce 2012 uspěla společnost PRONIX s.r.o. ve výběrovém řízení na dodávku a výměnu zastaralého systému měření a regulace (dále MaR) v objektech Magistrátu hlavního města Prahy (dále Magistrát). Tato zakázka byla specifická především dvěma kritérii. Prvním kritériem byla v případě státní správy cena, druhým doba realizace, která nesměla přesáhnout 80 dní. Minimalizace jakýchkoliv dopadů na zaměstnance a provoz Magistrátu byla považována za jistou samozřejmost. Této samozřejmosti ovšem neodpovídalo období realizace. Zakázka startovala počátkem října, kdy se teploty pohybovaly ještě kolem 10°C, v jejím průběhu ale klesly až k -12°C. „Celozávodní dovolená“ zaměstnanců Magistrátu bohužel nepřipadala v úvahu. Kompletní výměnu těchto systémů bylo tedy nutné zajistit současně s vytápěním budov a bezproblémovým chodem všech objektů Magistrátu.

Pražský Magistrát není jen jediná budova

Objednatelem kompletní výměny systémů měření a regulace bylo Hlavní město Praha zastoupené Magistrátem hlavního města Prahy, Odborem vnitřní správy. Zakázka se však netýkala jen jedné budovy, ale hned několika objektů v centru Prahy, jakými jsou budovy Nové radnice, Staroměstské radnice, Nové úřední budovy, Radničních bloků, budovy Městské knihovny a budovy v ulici Charvátova.

Aktuální stav

Řídicí systém WAGO v novém rozvaděči MaR

Budovy Magistrátu v okolí Mariánského náměstí jsou v současnosti vytápěny z jedné kotelny umístěné v 1PP Nové radnice. Tato kotelna disponuje výkonem cca 10MW, je plně zabezpečena a dále je vybavena automatickým doplňováním topného média do okruhu a udržováním předepsaného tlaku. Součástí této kotelny je hlavní rozdělovač s oběhovými čerpadly pro budovy v okolí. Distribuce topného média do okolních budov je zajištěna potrubím, vedeným v kolektorech.

V jednotlivých budovách jsou umístěny výměníkové stanice s rozdělovači topné vody a zásobníky TUV. Ve všech budovách je topná voda využívána i pro ohřev registrů VZT jednotek. V každém objektu jsou pro zajištění tepelné pohody instalovány výrobníky chladicího média a VZT jednotky vybaveny registry pro chlazení.

V budově v ulici Charvátova je kotelna s ohřevem TUV umístěna v 1PP. Kotelna disponuje výkonem cca 180kW, je opět plně zabezpečena a vybavena rozdělovačem topné vody a zásobníky TUV.

Stávající systém MaR byl řešen jako lokální, tzn. sběr signálů a ovládání je umístěno vždy v blízkosti ovládané technologie včetně silového napájení. Toto řešení se ukázalo jako vhodné i při kompletním zkoušení technologie v době oživování.

Původní systém a důvody pro změnu

Hlavním důvodem výměny komponent řídicího systému MaR byl jejich nevyhovující stav a končící servisní podpora. Teplofikace objektů Magistrátu probíhala v 1. polovině 90. let a některé komponenty řídicího systému byly dokonce původní. V roce 2002 byla navíc většina technologie zasažena povodněmi. Při zpracování dokumentace stávajícího stavu, byla projekční skupina PRONIX nucena vycházet pouze z několika stovek popisků umístěných přímo na každém z jednotlivých modulů. Tyto štítky s popisky zásah stoleté vody i následné čištění naštěstí přečkaly.

Pro řízení celé technologie byly v rozvaděčích MaR rozmístěny procesorové jednotky UNIGYR PRV1.x (postupem času nahrazovány výkonnějšími a kapacitnějšími PRV2.x). Rozmístění bylo voleno s ohledem na velikost paměti a velikost řízené technologie. K těmto procesorovým jednotkám byly připojeny I/O moduly pro sběr signálů z technologie a ovládání aktuátorů. Vzhledem k cenám procesorových jednotek byly využívány i vzdálené moduly I/O tak, že z jedné procesorové jednotky bylo řízeno více rozvaděčů MaR. Procesorové jednotky byly vzájemně propojeny do sběrnice typu ring a sběrnice zakončena v počítači dispečerského pracoviště.

Projektování a důkladné přípravy na výměnu

V době přípravy zakázky měl PRONIX k dispozici pouze dokumentaci skutečného provedení budovy Městské knihovny z doby rekonstrukce v roce 1997. Dokumentace k ostatním budovám však chyběla. Bylo proto nutné ze všech rozvaděčů MaR a jejich popisků sestavit tabulky I/O. Z této tabulky a schémat na dispečerském pracovišti bylo potřeba odhadnout funkce ve stávajících procesorových jednotkách. Vzhledem ke zkušenostem projekční skupiny PRONIX byla shoda mezi odhadem sestavené pracovní dokumentace a skutečnými algoritmy stávajících PLC (Programmable LogicController) téměř 95 %. Zbývajících 5 % tvořily různé úpravy, které vznikaly v průběhu provozu a nebyly nikde dokumentovány ani zapsány na štítky. Celá architektura stávajícího systému MaR byla řešena jako distribuovaná s omezeným počtem procesorových jednotek, které byly v době realizace nákladné. Cílový stav po výměně měl disponovat procesorovou jednotkou v každém rozvaděči MaR a zároveň zahrnovat dostupnost všech těchto míst přes LAN rozhraní. Navržené procesorové jednotky s LAN rozhraním pracují s napájením 24VDC. Bylo proto nutné mimo jiné připravit do všech rozvaděčů MaR nový jištěný silový vývod pro zdroj 230VAC/24VDC. V některých místech nebylo možné, z důvodu památkové ochrany objektu, připravit nový silový vývod ve stávajícím rozvaděči MaR. V těchto místech bylo zvoleno řešení s oddělovacím transformátorem 24VAC a usměrňovačem 24VDC. Následkem toho bylo nutné provést výpočet spotřeby pro napájecí napětí 24VAC, případně nahradit stávající transformátor 230VAC/24VAC jiným, s vyšším výkonem.

Vzhledem k požadavku na minimalizaci případných omezení při užívání budovy, bylo zvoleno řešení, kdy výroba připraví kompletně osazený (PLC, svorky,…) panel vhodných rozměrů. Svorky na nových panelech byly připraveny tak, aby nahradily připojovací místa stávajících modulů PLC. Toto řešení minimalizovalo čas potřebný k fyzickému přepojení kabeláže ze starých modulů na nově dodávaný systém.

Kompletní výměna za chodu

Minimalizace omezení užívání budov při výměně stávajícího systému MaR byla jednou z hlavních podmínek celé výměny. Veškeré práce tak musel PRONIX uskutečnit mimo pracovní a otevírací dobu. V úvahu přicházely pouze dvě varianty – práce přes noc a o víkendech. Souhrou okolností byla vybrána varianta výměny o víkendech a dnech pracovního klidu. Finální výměna byla již pověstnou špičkou ledovce, která byla nejvíce viditelná pro obsluhu velínu a zástupce investora.

Použité technologie – polní instrumentace

Pro výměnu komponent řídicího systému MaR zvolil PRONIX modulární, volně programovatelné PLC automaty výrobce WAGO. Výhodou tohoto řešení je mimo jiné i možnost volby z velké škály programovacích jazyků. Programování se provádí z prostředí CoDeSys, které poskytuje volbu jazyka dle standardu IEC 61131-3 . Další velkou výhodou modulární architektury tohoto výrobce je obsáhlý sortiment procesorových jednotek s podporou většiny dnes standardních komunikačních protokolů (BACNET, KNX, LonWorks, Ethernet, MODBUS atd.). V případě potřeby rozšíření počtu komunikačních rozhraní je pak možné použít i přímo komunikační moduly na PLC sběrnici.

Všechny procesorové jednotky PLC jsou vybaveny vlastní vizualizací, dostupnou přes webové rozhraní. Tato vizualizace je plně funkční a umožňuje obsluze plnohodnotné ovládání technologie při výpadku LAN konektivity na dispečerské pracoviště. Zabezpečení vizualizace před neoprávněným ovládáním technologie je zajištěno přes řízení uživatelských přístupů. PRONIX dbal také na to, aby používané grafické prvky byly stejné jako v původní aplikaci s ohledem na uživatelsky příjemné prostředí.

Grafická vizualizace technologií, dispečerské pracoviště

Pro potřeby dispečerského pracoviště byla navržena přehledná grafická aplikace vyvinutá společností PRONIX s.r.o. Její vzhled a uspořádání byly připraveny také v souladu se specifickými požadavky samotného zadavatele. Zvláštní pozornost byla věnována výstrahám (vizuálním i zvukovým) v případě alarmových stavů.

Vizualizace – kompletní přehled topných větví

Aplikace je v základu členěna na 3 rámy, přičemž nejdůležitějším prvkem je pravá část obrazovky, kde se nachází stěžejní informace o aktuálně přihlášené obsluze, stavu jednotlivých komponent, případných alarmových hlášení a zobrazení režimů ve všech PLC (automatický, manuální, ruční).

Důležitým cílem bylo také umístění co největšího množství informací o ÚT v každé budově na jedinou obrazovku. Důvod je zřejmý. V případě potřeby má obsluha, v jeden okamžik, přehled o celé výměníkové stanici najednou (chod/porucha čerpadel, žádaná teplota stoupačky, měřená teplota stoupačky,…). Kýženým výsledkem je tedy minimalizace času, který je potřeba pro orientaci při případném výskytu havárie výměníkové stanice.

Pro potřeby budoucího servisu systému MaR sestavil PRONIX navíc unikátní panel s kompletním přehledem kotelen, oběhových čerpadel a všech větví ÚT. Tento vizuální komplet byl zpočátku obsluhou kritizován právě pro svůj „značný přehled“ (jednalo se o zcela nový grafický panel, na který obsluha nebyla zvyklá), ale po bližším seznámení se, byl naopak přijat velmi kladně. Obsluha Magistrátu ocenila propracované grafické řešení a především snadnou orientaci pro řešení případných krizových situací.

Grafická aplikace – Schéma VZT jednotek

Podobné grafické řešení bylo realizováno i pro přehled všech VZT jednotek v budově. Zde má uživatel v jeden moment přehled o teplotách: žádané, teplotě na přívodu, odtahu a jejich případném mixu, dále o chodu/poruchách čerpadla, ventilátoru a chladicího stroje. Připraveny jsou i rozšiřující panely pro přehledný stav kotelny (kotle, tlak a hladina topného média), výrobníku chladu, zásobníku média a oběhová čerpadla.

Algoritmy grafické aplikace zajišťují zpracování nově vzniklých alarmů (uložení do logu, zobrazení v pravém přehledovém pruhu a zobrazení červeného pop-up okna v popředí s výpisem vzniku, místa a popisem alarmu, obsluha musí potvrdit zobrazení tohoto okna a tato operace je zapsána jako parametr kvitace k položce alarmu). Zároveň je rozsvícena kontrolka na signalizačním panelu na velínu. Ta svítí do doby odeznění příčiny alarmu, nebo kvitace alarmu v pop-up okně (dle toho, co trvá déle). Grafická aplikace je vybavena i komponentami pro upozorňování obsluhy pomocí SMS nebo e-mailu.

Součinnost zadavatele je pro úspěšnou výměnu klíčová

Při realizaci zakázky podobného rozsahu je vždy nezbytná úzká spolupráce řešitele a zadavatele. Magistrát hl. m. Prahy a všichni zúčastnění pracovníci poskytovali PRONIXu maximální podporu. Stanovený harmonogram a rozsah prací tak bylo možné bez větších problémů dodržet. Některé změny v plánech však i zkušeným specialistům PRONIX připravily někdy opravdu horké chvilky.

Výměna systému MaR probíhala většinou v době pracovního klidu. Vyskytli se ovšem podstatné výjimky – sály a divadlo v budově Městské knihovny. V tomto případě byla pro úspěšný průběh nutná pečlivá logistická příprava. Stěžejním úkolem bylo nejprve najít v nabitém programu vhodný termín pro výměnu a následně minimalizovat dobu samotné výměny (čas vyhrazený na výměnu, kompletní test a zaregulování byl cca 12h) tak, aby bylo možné VZT jednotky další den znovu plně využívat a návštěvníci nezaznamenali jakýkoli diskomfort v podobě chladného či vadného vzduchu v sálech.

Samotná výměna tak byla naplánována zhruba s 3týdenním předstihem a jako jediná se odehrávala ve všední den. V den výměny však došlo k neočekávané situaci, kdy bylo zcela náhle potřeba Malý sál v odpoledních hodinách znovu zpřístupnit veřejnosti. V průběhu předchozích prací však získal PRONIX nejen dostatek zkušeností v daných prostorách, ale i důvěru Magistrátu, a výměna se tak uskutečnila i v tomto rekordně krátkém čase a to se stoprocentní úspěšností. Sál byl v odpoledních hodinách s plným komfortem znovu připraven pro další návštěvníky a to i přesto, že jej bylo nutné vyhřát na žádanou teplotu při teplotě nasávaného vzduchu 2°C.

Jedním z největších adrenalinových zážitků se však stala výměna MaR na paradoxně nejmenší výměníkové stanici. Demontáž původního a montáž nového systému proběhla v pořádku. Vážné zdržení však nastalo až při zkoušení komponent v ručním režimu. Jednotlivé komponenty napájené silově z 230VAC zcela nefungovaly. Při bližším zkoumání bylo zjištěno, že PEN je řešeno jako svorkovnice 2,5mm2 a propojení jednotlivých svorek je vodičem CY 1,5mm2 – velký počet vodičů do svorek, dlouhá doba provozu a prostředí výměníkové stanice způsobil špatně vodivý spoj. Bylo nutné instalovat přímo PEN můstek a nahradit popisovanou PEN svorkovnici. Hledání závady a úprava zabralo cca 1,5h navíc oproti původnímu plánu. Výměna se odehrávala v sobotu, venkovní teplota se pohybovala kolem -5°C. V neděli však bylo nutné budovu opět zpřístupnit včetně vyhřátí na žádanou teplotu. Po úpravě PEN můstku a oživování technologie byl ale zaznamenán významný rozdíl mezi měřenou teplotou v PLC a na ručkových teploměrech na jednotlivých topných větvích. Po bližším zkoumání bylo zjištěno, že základní nastavení nových modulů pro RTD (odporové teploměry) je Pt1000 (používané teploměry jsou Ni1000). Jako poslední bylo nutné vyzkoušet vzdálené ovládání z webové vizualizace a grafické aplikace ve velínu. V neděli však byla budova knihovny opět plně funkční.

Spojení všech technologií do jediného dohledového místa

Součástí instalace nového systému MaR bylo samozřejmě i propojení všech procesorových jednotek do jednoho místa - počítače dispečerského pracoviště velínu kotelny Nové radnice. Zákazník tak získal kompletní přehled o všech technologiích na jediném místě.

Jádro grafické aplikace společnosti PRONIX je vybaveno modulem pro zasílání emailů (zasílání reportů, logů, alarmových hlášení aj.), univerzálním komunikačním modulem (připojení HW modulu pro zasílání SMS o alarmových stavech), komunikačním modulem protokolu SNMP (vyhrazená MIB, zasílání trap zpráv), komunikačními moduly protokolů MODBUS RTU/TCP, BACnet/IP, KNX,… Tato rozšíření mohou být v budoucnu využita pro začlenění technologie vytápění a VZT do nadřazeného systému BMS (Building Management System), případně pro zajištění včasného upozornění servisní organizace na vznik alarmu/poruchy. Komunikační protokol SNMP implementovaný do non-IT technologie je unikátní řešení PRONIX s.r.o. a zákazník tak dostává možnost provádět sledování non-IT technologie na jednom dohledovém pracovišti spolu s IT technologií, což výrazně šetří náklady na vybudování a provozování samostatného dispečerského pracoviště. Jádro grafické aplikace navíc umožňuje přidávat programové i komunikační moduly v průběhu provozování. Tyto moduly mohou být vytvořeny přímo „na míru“ dle specifických potřeb zákazníka.

Co vše Magistrát prostřednictvím PRONIXu získal?

• Stabilní systém MaR včetně nových komponent s LAN rozhraním
• Komplexní dohled a regulace topné technologie navržené s ohledem na potřeby zadavatele
• Neustálý monitoring klíčových technologií a přehled celého systému na jediném místě
• Včasné informace pro rychlý zásah servisních techniků či jiných pověřených osob (SMS, email, vzdálený přístup)
• Grafická vizualizace stavu technologií i jednotlivých částí pro snadnější přehled v případě havarijní události
• Úspory spojené s efektivním vytápěním a chlazením objektů, které lze temperovat podle jejich aktuální využitelnosti. V této chvíli probíhá sběr dat o spotřebě plynu v obou kotelnách tak, aby bylo možné na dostatečně velkém souboru dat provést analýzu spotřeby plynu a vyčíslit zcela přesně dosažené úspory.
• Minimalizace rizik a následných ztrát (technologické, finanční)
• Vypracování podrobného pracovního harmonogramu s krizovým scénářem
• Audit a komplexní zkouška technologie
• Výměnu technologií mimo pracovní dobu -> minimalizace vlivu na provoz budov
• Optimalizace budoucích nákladů na servis MaR technologie

Z pohledu pracovníků velínu Magistrátu bylo největším přínosem zejména:

• podstatné zjednodušení práce s časovými plány (zobrazení, editace)
• zobrazení trendů teplot a tlaků (archivace a následná práce s historickými daty)
• záznam událostí a alarmů (archivace a následná práce s historií událostí)
• zpracování a zobrazení sdružených alarmů (obsluha má v každém okamžiku přehled o aktuálních sdružených poruchách, vznik nové je signalizován velkým grafickým oknem na displeji a spuštěna akustická výstraha, zároveň je rozsvícena příslušná kontrolka na signalizačním panelu ve velínu).

Magistrát hl. města Prahy získal tedy nejen nové technologie, ale také nástroje, které umožňují jejich efektivní využití, kontrolu a regulaci.