Область применения АСУ ТП

Широкое применение интегрированных систем автоматизации, их построение, классификация и стандартизация рассматривается во многих аспектах в различных источниках (1), (2). В данной статье анализируются технические особенности проектирования распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), с которыми сталкиваются на практике разработчики аппаратных средств.

АСУ ТП применяются в различных областях промышленности:

системы управления на транспорте;

добыча и транспортирование нефти и газа;

телекоммуникации и связь;

производство и учет электроэнергии;

приборы и станкостроение;

металлургия;

лабораторно-измерительные системы;

системы специального назначения.

Добыча и транспортировка газа одна из ведущих отраслей промышленности, где проектированию АСУ ТП уделяется наибольшее внимание. Здесь наиболее ярко отражаются требования к АСУ ТП по безопасности, надёжности, устойчивости к воздействию климатических факторов и другим характеристикам. Поэтому автоматизация этой важной и ответственной отрасли может служить примером, обобщающим накопленный опыт построения АСУТП.

В последнее время всё более широкую известность приобретает подсистема СКУ КС (Система Контроля и Управления Компрессорной Станцией) "Несвиж", цеховая система автоматизации КС "Алмазная", которые уже находятся в эксплуатации, и подсистема СКУ КС "Крупская" (находится в стадии проекта). В их основе лежит базовый программно-технический комплекс (ПТК) "ПОТОК", типовая структурная схема которого представлена на Рис. 1.

Рис.1 Структурная схема ПТК "Поток"

Архитектура автоматизированных систем

Архитектура АСУ ТП весьма существенно влияет на состав программно-аппаратных средств. АСУ ТП подразделяются на два основных типа:

централизованные АСУ ТП;

распределенные АСУ ТП.

Централизованные АСУ ТП являются комплексами, как правило, занимающими единое ограниченное производственное пространство с централизованной подсистемой обеспечения электропитанием и магистралями для обмена информационными потоками.

Распределенные АСУ ТП строятся на базе объектов, расположенных на различных, отчасти далеко расположенных, закрытых и открытых площадках. Именно эта особенность накладывает определенные структурные требования при проектировании распределенных АСУ ТП.

Технические требования к распределенным АСУ ТП

Основными техническими требованиями при проектировании распределенных АСУ ТП являются:

обеспечение широкого температурного диапазона работы технических средств локальных систем автоматического управления (САУ);

распределенная система электропитания;

обеспечение надежного контура заземлений на каждой отдельной площадке объекта автоматизации;

защита контрольно-измерительных и информационных каналов от внешних воздействий, а также усиление передаваемых сигналов;

выбор оптимального, с точки зрения эффективности, надежности и взаимозаменяемости составных частей, удовлетворяющего международным стандартам контроллерного оборудования;

выбор оптимального, с точки зрения пылевлагонепроницаемости, а также защиты от электромагнитного излучения, коррозии и др. факторов, удовлетворяющего международным стандартам конструктива шкафа цехового контроллера, шкафов автоматики локальных САУ и автоматизированного рабочего места системного инженера (АРМ);

обеспечение высоконадежных каналов обмена технологической информацией между отдельными автоматизированными объектами и централизованной системой управления и контроля;

резервирование основной аппаратуры контроля и управления, а также наиболее важных каналов передачи информации;

обеспечение аппаратного и программного аварийного останова технологического комплекса при аварийных ситуациях;

обеспечение высокоэффективного человеко-машинного интерфейса в системе визуализации и мониторинга;

обеспечение обмена данными по информационным каналом в реальном масштабе времени;

эффективная, с точки зрения скорости обнаружения неисправности, и надежная диагностика программно-аппаратных средств;

обеспечение обслуживающего персонала качественной эксплуатационной документацией, а также инструментом для монтажа и диагностики.

ПТК "ПОТОК", входящий в состав распределенной АСУ ТП, в основном удовлетворяет требованиям, изложенным выше. ПТК "ПОТОК" рассчитан на эксплуатацию в закрытых отапливаемых помещениях и на открытых площадках. ПТК "ПОТОК" может работать в непрерывном режиме круглосуточно.

Условия эксплуатации

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха в процессе эксплуатации по ГОСТ 26.205 оборудование ПТК "ПОТОК" должно соответствовать категориям, указанным в табл. 1.

Требования к оборудованию ПТК "Поток"

Электроснабжение

Основное электропитание шкафов автоматики и фронтальных контроллеров распределенных АСУ ТП осуществляется от сети переменного тока 1 категории напряжением ~220В +22/-33В, частотой 50 Гц и от ЩПТ (щит постоянного тока) постоянным током напряжения =220В +22/-33В (резервное питание).

Для защиты от провалов выходного напряжения и нарушения работоспособности питаемого электронного оборудования, основное электропитание локальных и фронтальных контроллеров дублируется от резервного источника питания постоянного тока напряжением =220 В (аккумуляторная батарея).

Для управления ЭПУУ кранов к шкафам автоматики подается питание постоянного тока напряжения =220 В от щита постоянного тока (ЩПТ).

Питание датчиков, подключаемых к шкафам автоматики, осуществляется от источников постоянного тока напряжением =24 В этих шкафов.

Для бесперебойного питания автоматизированного рабочего места сменного инженера (основного и резервного АРМ СИ) применяется бесперебойный ИП (ИБП) без обслуживания батарейного питания, работающий от цепей переменного тока ~220В и внешней аккумуляторной батареи =220 В.

Питание оперативным током вторичных цепей шкафного оборудования ПТК "ПОТОК" осуществляется через автоматические выключатели с защитой по току.

Устройства релейной защиты, автоматики и управления ответственных элементов имеют постоянно действующий контроль состояния цепей питания ~220B и =220В.

Источник питания (ИП) типа "W" (фирма Melcher), мощностью не менее 125 Вт и преобразователи DC/DC типа "ИРБИС", мощностью 25 Вт, применяемые в ПТК "ПОТОК", удовлетворяют следующим основным требованиям:

диапазон входных напряжений: ~220В +22/-33В; =220В +22/-33В (универсальный вход);

выходное напряжение: +5В, +12В, +24В;

PI-фильтр на входе и выходе;

мощность не менее 30 Вт;

пульсации на выходе ИП не более 100 мВ;

работа в резервном режиме;

индикация питания;

гальваническая развязка входа/выхода;

установка выходного напряжения;

возможность работы без нагрузки, защита от короткого замыкания, перенапряжения на выходе и перегрева;

рабочая температура окружающей среды 25°С +60°С.

Схема электропитания шкафов автоматики ПТК "ПОТОК" является распределенной, с резервированием. Типовая схема распределения электропитания в ПТК "ПОТОК" представлена на Рис. 2.

Рис.2 Типовая схема распределения электропитания в ПТК "ПОТОК"

Защитное заземление

Контур защитного заземления ПТК "ПОТОК" соединяется по типу с глухозаземленной нейтралью для основного оборудования, расположенного на базовой площадке, и по типу с изолированной нейтралью для периферийных площадок. Контур защитного заземления с сопротивлением растеканию тока не более 4 Ом объединяется с рабочим заземлением на уровне распределительных коробок либо составляет общее рабочее заземление. Типовая схема заземления шкафного оборудования в ПТК "ПОТОК" представлена на Рис. 3.

Рис.3 Пример заземления шкафного оборудования ПТК

Защитные барьеры

Защита цепей питания, измерительных и информационных каналов ПТК "ПОТОК" от электромагнитных помех, перенапряжений, вторичных проявлений грозовых токов и возникновение искры во взрывоопасной зоне осуществляется защитными барьерами.

Для защиты цепей питания, измерительных и информационных каналов от вторичных воздействий молний в шкафах автоматики применяются грозозащитные барьеры (ГЗБ).

Для защиты измерительных каналов, находящихся во взрывоопасной зоне, применяются датчики во взрывобезопасном исполнении (Exd), а в шкафах автоматики преобразователи со встроенными искробезопасными барьерами (ИББ).

Блоки питания и преобразователи со встроенными ИББ устанавливаться в шкафу автоматики на рельсе или металлоконструкции, которые соединяются с контуром защитного заземления с помощью заземляющего проводника сопротивлением не более 1 Ом.

Контроллерное оборудование

Выбор состава контроллерного оборудования является наиболее важным в архитектуре распределенного АСУ ТП. Оптимальным решением принято применение промышленных контроллеров на базе открытых систем, таких как VME9000, IUC9000 и SMART производства фирмы "РЕР Modular Computers". Данные контроллеры по своей архитектуре и технологии соответствуют известным международным стандартам и имеют следующие основные характеристики:

системная шина VME для фронтальных котроллеров цехового применения;

локальная шина для локальных контроллеров типа IUC9000 и SMART;

встроенная операционная система реального времени OS9, предназначенная для промышленных контроллеров;

мезонинная технология с ориентацией на гибкую конфигурацию;

прикладное обеспечение на базе открытых инструментальных систем типа ISaGRAF (стандарт IEC6131-3);

стандартный сетевой интерфейс типа Ehternet, Profibus, Modbus;

широкий выбор взаимозаменяемых модулей УСО;

конструктив типа "Евромеханика", обеспечивающий удобство монтажа, механическую совместимость, высокую помехозащищенность и сертифицированную защиту от механических и климатических воздействий.

Шкафное оборудование

На рынке предложений шкафного оборудования высокую конкурентоспособность имеет оборудование фирмы RITTAL. Шкафы по пылевлагозащищенности соответствует международным стандартам, степень защиты IP54, высокая технологичность при сборке, широкая номенклатура составных частей и принадлежностей.

Шкафы ПТК "ПОТОК" подразделяются на три типа по функциональному назначению:

шкаф фронтального контроллера напольный;

шкаф автоматики напольный;

шкаф автоматики настенный.

По конструктивному назначению шкафы ПТК подразделяются на два типа:

шкаф напольный типа DK7771 фирмы RITTAL;

шкаф настенный типа АЕ1260 фирмы RITTAL.

Интерфейсы

ПТК "ПОТОК" использует внутренние и внешние физические интерфейсы для обмена информационными данными. Внутренний интерфейс обеспечивает обмен структурами данных между цеховыми и локальными контроллерами; внешние интерфейсы обмен данными между цеховыми контроллерами и ДПКС (диспетчерский пульт компрессорной станции), а также между локальными контроллерами и объектами автоматизации.

При передаче данных применяется как магистральный, так и радиальный физический тип интерфейса:

ETHERNET внутренний, внешний магистральный;

PROFIBUS внутренний магистральный/радиальный;

RS-485/232 внешний радиальный.

Для передачи данных на короткие расстояния (до 100 метров) применяется интерфейс Ethernet/Profibus с витой парой. Для расстояний между объектами более 100 метров рекомендовано применение оптической линии связи с кабелем, имеющим соответствующие технические характеристики оптических преобразователей.

Физическая среда передачи данных интерфейса PROFIBUS соответствует стандарту PROFIBUS (DIN 19245).

Физическая среда передачи данных интерфейса RS-485 соответствует стандарту EIA RS-485.

Физическая среда передачи данных интерфейса ETHERNET соответствует стандарту IEEE 802.3.

Резервирование

В решениях по увеличению надежности автоматизированных систем краеугольным камнем является резервирование. Существуют разные подходы к реализации стратегии резервирования. Многое сводится к выбору между стоимостью и надежностью оборудования. Оптимальных решений, как правило, нет, однако есть базовые принципы, которые следует соблюдать при проектировании распределенных АСУ ТП, а именно:

резервирование цеховых (фронтальных) контроллеров;

распределение функций в многопроцессорной системе фронтальных контроллеров;

резервирование информационной магистрали или локальных контроллеров наиболее ответственных объектов;

резервирование цепей аварийного останова системы;

резервирование контрольно-измерительных каналов (по необходимости).

Исходя из этого, в ПТК "ПОТОК" резервируются следующие элементы:

цеховой (фронтальный) контроллер;

оптический канал PROFIBUS локального контроллера узла подключения;

коммутационные цепи аварийного останова.

Кроме того, производится распределение функций в двухпроцессорной системе фронтальных контроллеров.

Блок аварийного останова

Система безопасности рабочего персонала и эксплуатационного оборудования распределенных АСУ ТП базируется на применении блока экстренного аварийного останова (БЭАО). БЭАО ПТК "ПОТОК" является распределенным аппаратным устройством, который включает следующие узлы:

пульт БЭАО;

основной управляющий и исполнительный (релейный) узел распределенной схемы БЭАО в шкафу цехового контроллера или отдельном шкафу контроллера БЭАО;

контроллер БЭАО;

узел управляющих и исполнительных реле в шкафу локального контроллера узла подключения (УП);

узел управляющих и исполнительных реле в шкафу локального контроллера общестанционных замеров и кранов (ОЗК);

узел управляющих и исполнительных реле в шкафу локального контроллера блока подготовки топливного, пускового и импульсного газа (БПТПИГ);

кроссовый узел в шкафу локального контроллера аппаратов воздушного охлаждения (АВО);

кроссовый узел в САУ ГПА агрегатов;

коммутационные цепи БЭАО.

БЭАО функционирует в 2-х режимах:

экстренный аварийный останов цеха, агрегатов, выполняемый аппаратным способом, использующий только физические связи;

аварийный останов цеха и перекрытие магистрального газопровода (МГ), выполняемый программно-аппаратным способом по алгоритмам с учетом всех условий и технологических зависимостей.

Аварийный останов инициализируется по команде оператора с пульта БЭАО или АРМ при возникновении аварийных ситуаций, таких как пожар на станции, превышение температуры газа на выходе шлейфа АВО, выход за пределы уставок на секущем кране, пропадание основного электропитания, обрыв собственных обеих резервных цепей БЭАО. Исходя из последней посылки, проектирование БЭАО одна из самых ответственных задач в проекте ПТК "ПОТОК".

Информационное обеспечение

Информационное обеспечение базового программного комплекса ПТК "ПОТОК" состоит из данных, размещенных на трех уровнях комплекса:

АРМ СИ цеха;

Цеховой (фронтальный) ПЛК (ФПЛК);

локальные ПЛК (ЛПЛК), установленные на объектах.

Принципы организации и идентификации данных основываются на особенностях многоуровневой структуры ПТК "ПОТОК". Также учитывается, что ПТК является составной частью системы АСУ ТП и может иметь интерфейсы со смежными системами.

На каждом уровне базового программного комплекса ПТК обеспечена защита данных от разрушений при авариях и сбоях электропитания. На уровне АРМ СИ цеха данные сохраняются в файлах журналов. На уровне фронтального ПЛК (ФПЛК) база значений переменных и структуры, описывающие конфигурацию подсистемы, сохраняются в статической памяти. Статическая память ФПЛК не разрушается при авариях и сбоях электропитания.

Основу информационного обеспечения АРМ СИ цеха составляет база данных, разработанная и функционирующая в среде InTouch (фирма Wonderware). Формирование базы данных и обеспечение визуализации данных на видеокадрах осуществляется в интерактивном режиме среды InTouch.

В состав программного обеспечения АРМ СИ входит специальное приложение OPC-сервер, работающее в среде Windows NT WS v.4.0 совместно с пакетом InTouch v.7.

Информационный обмен обеспечивает выполнение следующих функций:

сбор данных от ЛПЛК в ФПЛК не реже, чем 1 раз в 0,5 с;

получение от ЛПЛК в ФПЛК изменений приоритетных (инициативных) данных не реже, чем через 0,3 с;

выдача на ЛПЛК от ФПЛК управляющих воздействий (время прохождения одного управляющего воздействия должно составлять не более 1 с);

получение от ЛПЛК в ФПЛК диагностической информации;

выдачу на ЛПЛК от ФПЛК команд синхронизации времени;

выдачу на ЛПЛК от ФПЛК информации, управляющей работой ЛПЛК.

сбор на ФПЛК от ЛПЛК информации по технологическому процессу. ФПЛК опрашивает ЛПЛК с помощью циклических запросов;

передача от ЛПЛК в адрес ФПЛК измененных приоритетных сигналов (по инициативе ЛПЛК);

передача команд по управлению процессом (специфические команды по управлению оборудованием) от ФПЛК в ЛПЛК.

Информационный обмен между цеховым и локальными контроллерами обеспечивается высоконадежной, скоростной магистралью PROFIBUS (до 500 Кбод/с). Применение оптического PROFIBUS значительно увеличивает надежность магистрали за счет развязки потенциалов удаленных узлов, защиты от вторичного проявления грозовых токов при дополнительных затратах на оптическое оборудование.

Информационный обмен между цеховым контроллером и АРМ СИ обеспечивается магистралью Ethernet с известными физическими характеристиками.

Информационный обмен между цеховым контроллером и смежными САУ обеспечивается радиальным интерфейсом RS-485 по протоколу Modbus. Модули УСО каналов RS-485 с гальванической развязкой усиливают помехозащищенность канала данных.

Диагностика ПТК обеспечивается на всех трех уровнях.

На уровне АРМа диагностируется состояние контроллеров (до отдельного модуля УСО) и магистралей обмена данными. Кроме того, в журнале событий фиксируется состояние аварийного сигнала.

На уровне цехового контроллера выполняется контроль связи Ethernet между цеховым контроллером и АРМ, контроль связи между цеховым контроллером и САУ ГПА (системы автоматического управления газоперекачивающим агрегатом) каждого агрегата, диагностика состояния узлов в сети PROFIBUS.

На уровне локального контроллера обеспечивается контроль работы узла (мастера) в сети PROFIBUS в задаче ISaGRAF, контроль входов модулей УСО, контроль входных сигналов (выход за пределы диапазона).

Для обслуживающего персонала на передних панелях процессорных модулей и блоков питания имеется световая индикация питания (+5V), состояния PROFIBUS (Tx), состояние Ethernet (Col), возможна программная индикация для пользователя (8 индикаторов). На кросс-модулях имеется индикация каждого дискретного канала и питания кросса. Каждый ИП имеет индикацию питания. Модули оптических преобразователей имеют встроенную диагностику оптического канала, индикацию питания модуля и оптического канала. Состояние ИП, модулей оптических преобразователей дверных конечников контролируется системой диагностики ПТК.

Документация

Для ПТК "ПОТОК" разрабатывается и предоставляется пользователю следующая документация:

1. Общесистемная документация:

общее описание ПТК (ПД);

инструкция по эксплуатации КТС (ИЭ);

руководство по системной поддержке (ИЭ);

описание программного обеспечения (ПА);

ведомость машинных носителей информации.

2. На фронтальные и локальные ПЛК:

сборочный чертёж (СБ);

схема электрическая принципиальная (Э3);

таблица соединений (ТЭ4);

таблица подключения ( ТЭ5);

ведомость покупных изделий (ВП);

ведомость ЗИП;

паспорт (ПС);

ведомость эксплуатационных документов (ВЭ);

руководство по эксплуатации (РЭ);

руководство программиста (РП);

перечень элементов ПЭ3.

3. На АРМ:

Руководство пользователя (И3);

Чертежи видеокадров (И3);

Описание программного обеспечения.

Документация оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД и ЕСПД. На составные компоненты импортного производства пользователю предоставляется эксплуатационная документация на русском языке. На ПТК "ПОТОК" выпущены и действуют технические условия.

Заключение

Проектирование распределенных систем автоматизации технологических процессов в современных условиях является своеобразным искусством выбора "золотой середины" между стоимостью программно-аппаратного оборудования и надежностью системы. Базовые решения, принятые при разработке распределенных АСУ ТП могут быть успешно освоены для более простых в реализации централизованных АСУ ТП.

Ссылки

1. Авторы "Интегрированные системы автоматизации для отраслевых применений" Мир компьютерной автоматизации, 3. 2001г.

2. Авторы "Автоматизация объектов ГП "Белтрансгаз"", Мир компьютерной автоматизации, 3. 2001г.