Розподілені системи керування на базі вітчизняних контролерів

Робота є початком циклу статей, присвячених аналізу розподілених систем збору даних і керування побудованих на базі контролерів українських виробників. У статті представлений стислий огляд розподілених систем керування, надані приклади функціонуючих РСК на базі контролерів «УНІКОНТ» (Рисунків 4, таблиць 3, джерел 6).

 

Вступ. Автоматизовані системи керування технологічними процесами мають характер розподілених (територіально і функціонально) систем керування (РСК). Традиційно АСК ТП на підприємствах нашої країни будувалися на базі вітчизняних контролерів. Минулі десятиліття ознаменували себе стрімким проривом на ринок автоматизації зарубіжних мікропроцесорних систем і технологій, залишивши вітчизняному виробнику вельми скромні шанси.

На сьогоднішній день великі фірми виробляють все необхідне обладнання (робочі станції, сервери, контролери, мережеві компоненти, перетворювачі, програмне забезпечення та ін.) для побудови РСК, які впроваджують на підприємствах в освоєних ними галузях промисловості України. До числа перших РСК, які стали в певному сенсі еталоном розподілених систем керування, була TDC-3000 фірми Honeywell, США [1]. Близько 10 таких систем було закуплено у СРСР для заводів з виробництва мінеральних добрив і нафтопереробної промисловості. Ці системи пройшли модернізацію і понині успішно використовуються на підприємствах. Найбільшого поширення у нас в країні отримали такі РСК, як Total Plant Solution (TPS) і Experion PKS фірми Honeywell, DeltaV (Emerson), Simatic PCS7 (Siemens AG), Centum CS3000 (Yokogawa), I/A Series (Foxboro), Extended Automation System 800xA (ABB) й ін.

Незважаючи на широке поширення таких систем, мова в даній статті піде про РСК вітчизняних виробників, що мають ряд безсумнівних переваг. Крім прямих вигод від використання РСК на базі вітчизняних контролерів, обумовлених низькою ціною і високою адаптацією до ТП, є і непрямі. Простота обслуговування, модернізації та програмування дозволяє обслуговуючому персоналу підприємства самостійно вирішувати питання коригування програми контролера (при зміні технологічної схеми), не вдаючись до послуг налагоджувальних організацій. Надійність вітчизняних контролерів (елементна база - від кращих світових виробників) не поступається імпортним аналогам. Великий асортимент ПЛК, що випускаються різними фірмами, дозволяє знайти оптимальне рішення, як для нескладних завдань, так і для комплексної автоматизації виробництва.

Основна частина. Розподілені системи керування технологічним процесом будуються на базі об'єктів, розташованих на різних, почасти далеко розташованих, закритих і відкритих майданчиках і, як правило, мають класичну трихрівневу архітектуру (рис.1). Вони призначені для управління процесами (об'єктами) у реальному часі і мають у своєму складі обчислювальне ядро, модулі вводу/виводу, що сприймають інформацію з датчиків, перемикачів, перетворювачів, а також від інших контролерів, які здійснюють управління процесом або об'єктом шляхом видачі керуючих сигналів на приводи, клапани, перемикачі та інші виконавчі пристрої. Сучасні контролери об'єднуються в мережу (RS-485, Ethernet, різні типи польових шин), а програмні засоби, що розробляються для них, дозволяють в зручній для оператора формі програмувати і керувати ними через комп'ютер, що знаходиться на верхньому рівні SCADA-системи.

Рис.1. Типова структура сучасної РСК

Розподілені системи маютьь наступні переваги [2]:

- Легка розширюваність. Стандартні протоколи верхнього та нижнього рівнів дозволяють будувати системи з автоматичної конфігурації, а також забезпечують сумісність з обладнанням, виробленим іншими фірмами.

- Висока надійність. Для підключення до мережного інтерфейсу потрібна невелика кількість проводів і використовуються роз'єми з невеликою кількістю контактів.

- Малі строки розробки. Найбільший виграш досягається при розробці великих систем, оскільки більша частина апаратних засобів і програмного забезпечення не вимагає модифікації.

- Легкість тестування і налагодження. Оскільки всі елементи системи активні, легко забезпечити самодіагностику і пошук несправності.

- Можливість розподілу системи по об'єкту. Система може перебувати в одному конструктиві, а також може бути розподілена по об'єкту, що дозволяє зменшити витрати на монтаж і на використання мідного дроту.

- Використання комп'ютерів і контролерів меншої потужності. Завдання розподіляється по активних елементів системи - метод декомпозиції, активно використовується програмістами для розробки ефективних програм. Оскільки при вирішенні завдання використовується кілька процесорів, кожний з них може мати невелику продуктивність.

Основними технічними вимогами при проектуванні розподілених АСК ТП є [3]:

- забезпечення широкого температурного діапазону роботи технічних засобів локальних систем автоматичного управління (САУ);

- розподілена система електроживлення;

- забезпечення надійного контуру заземлення на кожному окремому майданчику об'єкта автоматизації;

- захист контрольно-вимірювальних та інформаційних каналів від зовнішніх впливів, а також посилення переданих сигналів;

- вибір оптимального, з точки зору ефективності, надійності і взаємозамінності складових частин, що задовольняє міжнародним стандартам контролерного обладнання;

- вибір оптимального, з точки зору захисту від пилу та вологи, а також захисту від електромагнітного випромінювання, корозії та ін. факторів, що задовольняє міжнародним стандартам конструктиву шафи цехового контролера, шаф автоматики локальних САУ та автоматизованого робочого місця системного інженера (АРМ);

- забезпечення високонадійних каналів обміну технологічною інформацією між окремими автоматизованими об'єктами і централізованою системою управління та контролю;

- висока відмовостійкість, яка досягається шляхом резервування (як правило, дублювання) апаратних і програмних компонентів системи, використання компонентів підвищеної надійності, впровадження розвинених засобів діагностики, а також за рахунок технічного обслуговування і безперервного контролю з боку людини;

- забезпечення апаратного та програмного аварійної зупинки технологічного комплексу при аварійних ситуаціях;

- забезпечення високоефективного людино-машинного інтерфейсу в системі візуалізації та моніторингу;

- забезпечення обміну даними по інформаційних каналах у реальному масштабі часу;

- ефективна, з точки зору швидкості виявлення несправності, та надійна діагностика програмно-апаратних засобів;

- забезпечення обслуговуючого персоналу якісної експлуатаційної документації, а також інструментом для монтажу та діагностики.

Основними сферами застосування РСК є:

1. Металургія.

2. Хімія і нафтохімія.

3. Нафтопереробка і нафтовидобуток.

4. Газовидобуток і газопереробки.

5. Управління транспортом (метрополітен, Укрзалізниця).

6. Скляна промисловість.

7. Харчова промисловість: молочна, цукрова, пивна.

8. Енергопостачання і т.д.

Використання мікропроцесорних контролерів у РСК дає найбільший виграш у вартості системи при її серійному випуску, забезпечує реальний час роботи із зовнішніми пристроями, швидкий час рестарту і підвищує ступінь інтеграції системи. Розглянемо приклади РСК побудованих на базі контролерів «УНІКОНТ» НВО «Квантор» (нині НВП «Уніконт») м. Сєвєродонецьк.

Інформаційно-вимірювальна система енергоблоку № 1 Ладижинської ТЕС.

Система призначена для виміру, початкової обробки та обчислення технологічних параметрів і показників стану обладнання енергоблоку № 1 (потужність 300 МВт) Ладижинської теплоелектростанції (ТЕС) [4].

До складу контрольованого технологічного обладнання відносяться:

- котлоагрегат;

- турбогенератор.

Функції системи:

- вимір, початкова обробка, обчислення технологічних параметрів і показників стану обладнання, визначення стану виконавчих механізмів (ВМ);

- уведення єдиного по енергоблоку часу з точністю до 10 мс;

- відображення, по виклику, на відеомоніторах оперативного контуру значень технологічних параметрів, станів ВМ і показників стану обладнання у вигляді фрагментів технологічних схем, таблиць, гістограм, графіків і текстових повідомлень;

- визначення та оперативне відображення на моніторах значень технологічних параметрів і показників стану технологічного обладнання;

- реєстрація найбільш важливих технологічних параметрів по вільно формованих списках.

Кількість контрольованих параметрів, наведена у табл.1.

Таблиця 1

Контрольовані параметри

Тип параметрів	По котлоагрегату, шт.	по турбогенератору, шт.
Аналогових: - температури - тиску, рівнів та інш. з токовим сигналом 0…5mА Дискретних (типу «сухий контакт»)

 

Інформаційно-вимірювальна система являє собою РСК, побудовану на базі мікропроцесорних контролерів УНІКОНТ, працюючих з високою надійністю у жорстких умовах, таких як: підвищена вологість, пил, бруд, широкий діапазон температур. До складу системи входять 8 контролерів УНІКОНТ виробництва НВО «Квантор» (Україна) та 5 робочих станцій (ПЕОМ) з багатофункціональними (технологічними) мікропроцесорними клавіатурами КМФ-02.

Все обладнання зв’язане мережею Arknet з використанням активних ретрансляторів РА-1. Програмне забезпечення системи розроблене ЛьвівОРГРЕС на базі операційної системи QNX. Система знаходиться у промисловій експлуатації.

Автоматизована система контролю водоспоживання по магістральних водопроводах.

Контрольовані об’єкти: фільтрувальні та насосні станції Макіївського районного управління МРУ ВО «УКРПРОМВОДЧОРМЕТ», розташовані уздовж каналу Сіверський Донець – Донбас протягом 15 км.

Основні функції системи:

- оперативний облік та відображення споживання технічної і питної води по магістральних водопроводах МРУ;

- контроль параметрів технологічних процесів, стан обладнання та водоспоживання на фільтрувальних і насосних станціях МРУ;

- оперативний контроль та облік енергоспоживання по розподільчих устроях 35 і 6 кВ на власні потреби.

Склад та структура системи:

- кількість пунктів контролю (фільтрувальних та насосних станцій) - 8;

- кількість програмованих контролерів на пунктах контролю - 8;

- тип програмованого контролера – УНІКОНТ, НВО «Квантор»;

- обладнання диспетчерського пункту (ДП) – ПЕОМ;

- максимальна відстань від пунктів контролю (ПК) до диспетчерського пункту – 15км;

- тип лінії зв’язку між пунктами контролю та диспетчерським пунктом (у територіально розподіленій системі) – комутовані та виділені телефонні лінії;

- кількість контрольованих датчиків аналогових сигналів (контроль технологічних процесів) – 542;

- кількість контрольованих датчиків дискретних сигналів (контроль стану обладнання) – 603;

- кількість датчиків обліку енергоспоживання – 239;

- засіб відображення інформації на пунктах контролю – екранне монохромне табло колективного користування;

- розмір табло, мм – 400х400;

- кількість табло – 8;

- засіб виклику інформації – функціональна клавіатура;

- кількість клавіатур – 8.

Кожному оператору на 8 пунктах контролю надана у користування діалогова система відображення інформації на базі індивідуального табло та клавіатури. Структура автоматизованої системи контролю водоспоживання наведена на рис.2.

 

Рис.2. Структура АСК водоспоживання по магістральних водопроводах МРУ ВО «УКРПРОМВОДЧОРМЕТ»

Автоматизована система контролю Пролетарського підземного сховища газу.

АСК призначена для оперативного контролю роботи компресорного цеху та обліку витрат природного газу на Пролетарському ПСГ.

Система реалізує інформаційні та допоміжні функції. До інформаційних функцій системи відносяться:

- циклічний збір, первинна обробка та запис у БД аналогової та дискретної інформації, що надходить від датчиків, встановлених на технологічних об‘єктах або від систем автоматики;

- ручне введення параметрів, які не можуть бути виміряні через відсутність автоматичних приладів та датчиків;

- обчислення середніх та інтегральних значень аналогових сигналів за годину, зміну, добу;

- формування та ведення архівів значень аналогових і розрахункових змінних;

- оперативний контроль режимів функціонування окремих агрегатів і ТП у цілому, а також стану технологічного обладнання, отримання фотографій розвитку аварійних ситуацій на окремих ділянках ТП;

- виявлення, обробка та аналіз подій (у тому числі аварійних та передаварійних ситуацій) на об‘єкті керування, формування та ведення журналу подій з глибиною архівації подій не менше двох діб;

- відображення на моніторах, реєстрація оперативної та архівної інформації про хід ТП та стан технологічного обладнання в алфавітно-цифровому (таблиці, документи) та графічному (динамічні мнемосхеми) вигляді;

- формування та передача на верхній рівень необхідної звітної документації;

Структурна схема АСК Пролетарського ПСГ представлена на рис.3. Програмно-технічний комплекс (ПТК) №1 забезпечує приймання вхідних аналогових та дискретних сигналів по КЦ, агрегатам, двом ПСГ, обчислення показників роботи ГПА та витрат газу. ПТК №2 забезпечує приймання вхідних аналогових сигналів та обчислення витрат газу на віддалених пунктах виміру газу.

 

 

Рис.3. Структурна схема АСК Пролетарського ПСГ

 

Допоміжні функції:

- контроль та діагностика апаратно-програмних засобів АСК;

- захист інформації від несанкціонованого доступу у відповідності до призначених умов;

- підтримка та синхронізація астрономічного часу та календаря на всіх рівнях системи;

- автоматизація контролю та організація регламентних робіт, необхідних для підтримки працездатності технічних та програмних засобів системи.

При функціонуванні системи виконуються наступні прикладні задачі:

- обчислення та контроль у реальному часі показників газоперекачувальних агрегатів ГПА (двигун, нагнітач) та компресорного цеху (КЦ) у цілому (потужність, об‘ємна продуктивність, віддаленість від зони компажу, коефіцієнт технічного стану, потенційна робота стиску, завантаження цеху);

- обчислення та контроль у реальному масштабі часу миттєвих та інтегральних витрат газу через вимірювальні прилади;

- формування та реєстрація добових рапортів функціонування КЦ і ПСГ у цілому.

Автоматизована система керування технологічними процесами Юліївського нафтогазопромислу.

АСК ТП призначена для керування основними та допоміжними процесами і відповідним технологічним обладнанням первинної та комплексної підготовки природного газу і конденсату, виробництвом пропан-бутану (рідинного газу) – від пристроїв підключення газових свердловин до відвантаження готової продукції (осушеного газу, стабільного конденсату та пропан-бутану) споживачам.

Основні функції АСК ТП.

Система керування реалізує у реальному масштабі часу автоматично і при взаємодії з технологічним персоналом наступні основні функції:

- збір та первинну обробку аналогової та дискретної інформації, що надходить від датчиків;

- контроль аналогових параметрів у порівнянні з граничними та режимними установками;

- визначення стану об‘єктів контролю по зміні дискретних сигналів;

- ведення журналу подій;

- обчислення посередніх та інтегрованих показників ТП;

- ведення архіву змінних усіх видів з глибиною до двох років;

- дискретне керування кранами, клапанами, насосами, вентиляторами та ін., реалізація блокування та захисту;

- дискретне та аналогове регулювання окремими ТП та ін.

Окрім вищезазначеного, система дозволяє споживачам користуватися багатьма додатковими можливостями.

Склад технологічного об‘єкта керування:

1. Виробничо-енергетичний блок (ВЕБ):

- Обладнання відмикальних пристроїв; обладнання регенерації метанолу інгібітору та осушення;

- Компресор стисненого повітря;

- Обладнання підготовки імпульсного газу і теплоносія (дизельне паливо);

- Сховище метанолу;

- Піч теплоносія.

2. Виробничо-технологічний корпус (ВТК):

- Обладнання первинної підготовки газу;

- Обладнання комплексної підготовки газу;

- Ємність для зберігання азоту;

- Насосна упорскування інгібітору;

- Насосна автоматичного пожежогасіння;

- Система вентиляції в апаратній ВТК. Щит контролю загазованості.

3. Балоно-наповнюючий цех (БНЦ):

- Обладнання зберігання та відвантаження пропан-бутану;

- Вагарня. Облік пропан-бутану.

4. Очисні споруди промислових та пластових вод (ОС).

5. Факельне господарство (ФГ).

Структура та склад АСК ТП

АСК ТП нафтогазопромислу побудована на базі вітчизняних технічних засобів, починаючи від датчиків та виконавчих механізмів, включаючи контролери збору та обробки інформації, системи телекомунікації, і закінчуючи засобами надання інформації споживачам.

Основу системи складають програмно-технічні засоби для створення АСК ТП – УНІКОНТ.

Структура АСК ТП є територіально розподіленою і забезпечує децентралізований контроль та керування окремими технологічними об‘єктами керування та обладнанням на нижньому рівні; централізований контроль та керування усім промислом у цілому на верхньому рівні.

До складу АСК входять IBMсумісних контролерів, які забезпечують збір та обробку параметрів, керування та регулювання ТП, та 12 автоматизованих робочих місць оперативного персоналу на базі IBM- сумісних робочих станцій (РС), об‘єднаних дубльованою локальною обчислювальною мережею.

У системі передбачена можливість роботи з офісною мережею у складі інтегрованої АСК нафтогазопромислу, а також модемний зв‘язок з верхнім рівнем керування.

Структурна схема АСК ТП наведена на рис.4.

 

Рис.4. Структурна схема АСК ТП Юліївського нафтогазопромислу

 

ПК – персональний комп’ютер

РС – робоча станція УНІКОНТ РС-01

УК – контролери УНІКОНТ

Основні технічні характеристики системи наведені у табл.2.

Таблиця 2

Основні технічні характеристики АСК ТП

Найменування параметра	Значення
Кількість вхідних аналогових сигналів
Кількість вхідних дискретних сигналів
Кількість вихідних дискретних сигналів керування та регулювання
Кількість контурів аналогового регулювання

 

У системі реалізований зв‘язок та взаємодія з парціальними приладами виміру витрат Циклон-2, локальними регуляторами типу Дикон, системою виміру ваги пропан-бутану, що відвантажується за допомогою пропановозів, та комерційними вимірювачами витрат газу SuperFlow та FlowThech. АСК ТП нафтогазопромислу розроблена спеціалістами Харківського НДПІ і впроваджена на Юліївському нафтогазопромислі (Харківська обл.).

Автоматизована система екологічного контролю виробничих приміщень.

Система призначена для контролю, сигналізації та регулювання концентрацій небезпечних та шкідливих речовин у виробничому середовищі (АСКР) для підприємств з вибухонебезпечним та шкідливим характером виробництва.

Функції системи.

Система АСКР упроваджена на Дніпропетровському лакофарбовому заводі виявляє появу небезпечних рівнів загазованості та запобігає аварійній ситуації в основних виробничих приміщеннях заводу (табл.3).

Таблиця 3

Розподілення точок контролю між основними структурними підрозділами

Найменування структурного підрозділу підприємства	Кількість точок контролю
Відділення синтезу лаків на кондсмолах (ЦЛКС-С)
Лаковипускне відділення цеху лаків на кондсмолах (ЛВО)
Цех лаків та емалей на ефірах целюлози і полімеризаційних смолах (ЦСЛЛ)
Цех масляних емалей (ЦМЕ)
Цех виготовлення розчинників

 

Інформаційні функції програмно-технічного комплексу забезпечуються підсистемами:

- збору та первинної обробки інформації про концентрацію небезпечних речовин у виробничому середовищі;

- відображення інформації та зв‘язку з оперативним персоналом;

- реєстрації історії змін концентрацій небезпечних та шкідливих речовин у виробничому середовищі;

- формування та видачі звітної документації.

Керуючі функції забезпечуються підсистемою програмно-логічного керування групою силового обладнання (вентиляційними установками, сиренами, світловими аварійними табло, системою гучномовного оповіщення персоналу). Допоміжні функції забезпечують підготовку системи до роботи, настроювання мнемосхем, початковий запуск та перезапуск системи у нештатних ситуаціях.

Підсистема збору та первинної обробки виконує безперервне циклічне опитування усіх точок по всіх цехах, де встановлені датчики та перетворювачі, і фіксує поточний стан загазованості. Одночасно поточні значення показань приладів відтворюються на місцевих пультах операторів-технологів у кожному цеху. У випадку виникнення у будь-якому цеху загазованості, що перевищує порогові значення, спрацьовує підсистема програмно-логічного керування, вмикаючи вентиляційну систему, звукову та світлову сигналізацію.

Структура та склад системи

Верхній рівень АСКР являє собою комп‘ютерну мережу, реалізовану на базі мікропроцесорного програмно-технічного комплексу «УНІКОНТ».

В основних виробничих приміщеннях заводу встановлені контролери УНІКОНТ (УК411), на які по кабельним лініям надходять аналогові та дискретні сигнали від первинних вимірювальних перетворювачів та газоаналізаторів. Поряд з кожним контролером встановлені місцеві пульти технолога-оператора ПТО-14, які дозволяють викликати на екран значення будь якого з сигналів, розглядати всі значення у режимі циклічного опиту та контролювати роботу вимірювальних каналів. Всі контролери зв‘язані з робочою станцією центрального пункту керування єдиною мережею підприємства. До цієї мережі можуть бути підключені стандартні IBM-сумісні комп‘ютери (наприклад, віддалений комп‘ютер, який дозволяє персоналу контролювати роботу системи в режимі реального часу).

Нижній рівень системи призначений для виявлення довибухонебезпечних концентрацій парів та газів в атмосфері виробничих приміщень, для їх виміру та перетворюванню у стандартний токовий сигнал, складається з автоматичних вимірювальних перетворювачів АВП-1 та сигналізаторів ЩИТ-2, розроблених та виготовлених Харківським ДКБА «Хімавтоматика». Ці прилади оснащені чуттєвими термохімічними датчиками, які дозволяють контролювати присутність понад 100 найменувань горючих та вибухонебезпечних речовин в атмосфері робочих приміщень. Програма забезпечення АСКР розроблена на базі пакету програм, що складається зі SCADA-системи яка функціонує на робочих станціях під керуванням ОС Windows 2000, а також системи технологічного програмування, конфігурування та керування роботою контролерів УНІКОНТ.

Висновки. Доступність елементної бази кращих закордонних виробників дозволила вивести схемотехніку вітчизняних РСК на сучасний рівень, завдяки чому за технічними характеристиками вони здатні конкурувати з аналогічними виробам світових лідерів, краще пристосовані до вітчизняних умов і мають більш якісну підтримку.

Список літератури:

1. Харазов В.Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами // М.: Профессия, 2009. – 550 с.

2. Распределенные системы управления// [електронний ресурс]. – режим доступу: http://www.kaskod.ru/article/02 syscontr/

3. Громов В.С., Покутный А.В., Вишнепольский Р.Л., Тимофеев В.Н. Особенности проектирования распределенных АСК ТП // [електронний ресурс]. – режим доступу: http://www.asutp.ru/?p=600406.

4. Системы автоматизированного управления технологическим процессом// [електронний ресурс]. – режим доступу: http://kazanets.narod.ru/DCSIntro.htm

5. НПО «Квантор» на электростанциях. Информационно-из0мерительная система энергоблока 1 (300 МВт) Ладыжинской ТЭС // Промышленные АСУ и контроллеры, 2000. №11. – С.41.

6. Якимчук П.С., Пономаренко В.А., Грибалев В.Ф., Исайко С.В., Сидоренко В.Я., Щербаков Е.В. Автоматизированная система экологического контроля производственных помещений // Экологические системы и приборы. 2001, №3, с.3-7.

 

УДК 681.58

Ретинская Н.П.