СОВРЕМЕННЫЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБЪЕКТОВ
THE MODERN DOMESTIC SYSTEM OF AUTOMATION AND TELEMECHANICS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AND OBJECTS
А.А. Галузин, инженер ООО «АСУ ПРО», аспирант кафедры МТ-11 МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва / aag@asupro.ru тел.: +7(925)446-88-35
A.A. Galuzin, engineer of LCC «ASU PRO», post-graduate student of the MT-11 Department of Bauman Moscow State Technical University, Moscow / aag@asupro.ru тел.: +7(925)446-88-35
Аннотация. Приведено описание современных отечественных программно-технических комплексов (ПТК), которые могут быть использованы в качестве систем автоматизации и телемеханики на предприятиях нефтяной, газовой, пищевой промышленности, систем электроснабжений, переработки отходов и других производств с непрерывным технологическим циклом. В условиях импортозамещения разработка и внедрение таких комплексных отечественных систем управления позволяют значительно повысить эффективность и производительность технологического процесса, оптимизировать управление, а также снизить затраты на человеческий труд и энергопотребление. Важно отметить, что ПТК разрабатываются с использованием инновационных программно-вычислительных средств и микропроцессорной техники, которые также приведены и подробно описаны в данной статье.
Annotation. The this work a description of the modern domestic software and technology complexes (STC) that can be used as automation and telemechanics systems in the oil, gas, food industry, heat, water and gas supply networks, power supply systems, waste processing and other industries with a continuous technological cycle. In the context of import substitution, the development and implementation of such integrated domestic control systems can significantly increase the efficiency and productivity of the technological process, optimize management, and reduce the cost of human labor and energy consumption. It is important to note that STC are developed using innovative software and computing tools and microprocessor technology, which are also given and described in detail in this article.
Ключевые слова: автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), комплексные системы автоматизации и телемеханики предприятий нефтяной и газовой отрасли, программно-технический комплекс «Система автоматизации» (ПТК СА), контролируемый пункт (КП) телемеханики, шкаф телемеханики (ШТ), шкаф автоматизации (ША), шкаф диспетчерского пункта (ШДП), программное обеспечение ШДП, программно-технический комплекс «Система телемеханики» (ПТК СТМ), контроль и управление работой технологического оборудования, программируемые логические контроллеры (ПЛК).
Keywords: аutomated process control systems (SCADA), integrated automation and telemetry systems for oil and gas companies, «Automation system» software and hardware complex, controlled point (CP) of telemetry, telemetry cabinet, automation cabinet, control room cabinet (SHDP), SHDP software,“Telemetry System” software and hardware complex, monitoring and control over the operation of process equipment, programmable logic controllers (PLC).
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время технический прогресс все сильнее вторгается в жизнь и быт всего населения. Именно технические, производственные потребности человека во все времена являлись двигателями научного прогресса, выдвигая все новые задачи перед фундаментальными, прикладными и естественными науками. Непрерывный технический прогресс затрагивает практически все сферы деятельности человека. Разработка новых технологических процессов, обеспечивающих перевооружение основных отраслей производства, тесно связана с автоматизацией этих процессов.
Современное и высокотехнологичное промышленное предприятие – это сложные научно-технологические комплексы, объединяющие в себе различные технические и производственные подсистемы. Системы автоматизации и телемеханики играют одну из ключевых ролей в таких предприятиях. С развитием программно-вычислительных средств и микропроцессорной техники, появилась возможность автоматизировать не только отдельные циклические операции, но и целые линии производства, способные работать без участия человека. Следует отметить, что автоматизация производственных процессов одно из немногих технических направлений, которое развивается и совершенствуется наиболее высокими темпами, тем самым обеспечивая постоянный рост эффективности и производительности технологических процессов и производств. Кроме того, системы автоматизации и телемеханики позволяют повысить технический уровень производства, безопасность, надежность и экологичность производственного процесса, обеспечить оптимизацию управления, а также значительно улучшить качество выпускаемой продукции.
В современных условиях импортозамещения возникает потребность в создании отечественных комплексных систем автоматизации и телемеханики для предприятий нефтяной и газовой, пищевой промышленности, сетей тепло-, водо- и газоснабжения, систем электроснабжений, переработки отходов и других производств с непрерывным технологическим циклом. Разрабатываемые АСУ ТП должны обеспечивать заданный уровень контроля и управления технологическими процессами с помощью использования инновационных программно-технических средств, микропроцессорной техники, позволяющих реализовывать набор функций для решения поставленных задач контроля, управления, автоматического регулирования, противоаварийной защиты оборудования, диагностики и коммуникации. Важно отметить, что такие автоматизированные системы управления, на сегодняшний день, являются наиболее наукоемкими технологиями.
ООО «АСУ ПРО» выполняет весь спектр работ по средствам и системам КИП и А, объектам технологической связи, энергетике, разработке и внедрению новых комплексных систем автоматизации и телемеханики предприятий нефтяной и газовой отрасли, пищевой промышленности, а также жилищно-коммунального хозяйства.
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ»
Современные автоматизированные системы управления технологическим процессом представляют собой сложные программно-технические комплексы (ПТК). Такие АСУ ТП, как правило, состоят из следующих компонентов и подсистем:
- подсистемы сбора и обработки информации (датчики и др. средства измерения);
- исполнительные элементы (электродвигатели, электромагниты, привода и др.);
- устройства управления (программируемые логические контроллеры);
- каналы сбора, обработки и передачи сигналов (промышленные сети);
- математическое обеспечение (математические модели, алгоритмы управления);
- SCADA системы, обеспечивающие взаимодействие человека с управляемым оборудованием и позволяющие контролировать и управлять технологическим процессом в режиме реального времени.
ООО «АСУ ПРО» разрабатывает и внедряет программно-технические комплексы на основе современных и апробированных решений, используя в своих системах инновационные программно-вычислительные средства и микропроцессорное оборудование. Одним их таких комплексов является программно-технический комплекс «Система автоматизации» (ПТК «СА»). Система построена по иерархическому принципу и имеет трехуровневую структуру:
- Нижний уровень системы образуют контрольно-измерительные приборы (КИП), а также датчики, сенсоры, исполнительные механизмы;
- Средний уровень системы образуют шкафы телемеханики «ШТ», автоматизации «ША», программируемые логические контроллеры (ПЛК) и т.д.;
- Верхний уровень образуют шкаф диспетчерского пункта, один или несколько компьютеров (автоматизированных рабочих мест (АРМ), объединенных локальной сетью и работающие под управлением SCADA системы.
Особенностью ПТК СА является его проектно-компонуемая архитектура, позволяющая обеспечить решение широкого круга задач. Состав ПТК СА:
1) территориально распределенные контролируемые пункты (шкафы телемеханики (ШТ), системы автономного питания (при необходимости) – ветрогенераторы, солнечные панели);
2) шкаф автоматизации (ША);
3) шкаф диспетчерского пункта (ШДП) с сервером и АРМ оператора.
Структурная схема программно-технического комплекса СА представлена на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема ПТК «Система автоматизации»
Контролируемый пункт ШТ
Контролируемый пункт (КП) телемеханики ШТ предназначен для сбора данных телеметрии, первичной обработки и передачи информации по каналу связи на верхний уровень, оперативного автоматического контроля технологическими параметрами и реализации функции защиты.
Контролируемый пункт ШТ является объектно-ориентированным и проектно-компонуемым изделием, состав и количество функциональных устройств которого определяется заказом в соответствии с конфигурацией конкретного объекта. Следует отметить, что ООО «АСУ ПРО» выпускает такой контролируемый пункт в напольном, навесном и энергонезависимом исполнении.
Контролируемый пункт ШТ (рис. 2) в энергонезависимом исполнении (условное обозначение – ШТ-А), разработан инженерами ООО «АСУ ПРО» для телемеханизации неэлектрифицированных объектов. Собственное энергообеспечение КП ШТ-А и подключенных к нему датчиков осуществляется от автономной подсистемы энергообеспечения.
Рис. 2. Энергонезависимый контролируемый пункт (КП)
Важно отметить, что напряжение питания КП ШТ-А составляет 24 В постоянного тока. Для объектов управления с требованиями 220 В переменного тока, в составе ШТ-А поставляется инвертор. Для гарантированного обеспечения электричеством, а также при работе в холодных климатических условиях, в состав ШТ-А может включаться электрогенератор, работающий на метанольных топливных ячейках. Большую часть времени КП находится в состоянии низкого энергопотребления.
Пример использования КП ШТ-А на газоконденсатной скважине представлен на рис. 3.
Организационные решения по энергосбережению обеспечиваются разработкой специального регламента работы контроллера, оборудования связи и их взаимодействия. Специфика телемеханизации большинства реальных типовых объектов состоит в том, что у пользователя, в лице диспетчера, нет необходимости в постоянном наблюдении параметров удалённого объекта при штатной работе объекта. Однако у диспетчера имеется необходимость:
а) с приемлемой периодичностью получать от КП технологическую информацию;
б) в постоянном наличии возможности анализировать полученную от КП информацию;
в) в реальном времени получать информацию при нештатной работе объекта (аварийная сигнализация АС, предупредительная сигнализация ПС);
г) в наличии возможности получать информацию по любому интересующему объекту.
Для решения этих потребностей и обеспечения энергосбережения, канал связи между КП ШТ-А с диспетчерским пунктом работает в 2-х режимах: периодическом и непрерывном.
Для повышения эффективности энергосбережения и отсутствия необходимости в получении непрерывной информации об объекте, контроллер КП ШТ-А может так же, как канал связи, работать в периодическом режиме, которому соответствуют два состояния контроллера: активное состояние и неактивное состояние (состояние «спячки»). В неактивном состоянии в контролере работает только таймер отсчёта времени завершения неактивного режима, в этом режиме энергопотребление ШТ-А – минимальное.
Рис. 3. КП ШТ-А на газоконденсатной скважине
Шкаф автоматизации (ША)
Шкаф автоматизированной системы управления ША (рис.4) предназначен для автоматизации технологических процессов и объектов, а именно для сбора, первичной обработки и передачи информации по каналу связи на верхний уровень, а также для формирования управляющего воздействия на исполнительные механизмы и устройства по командам от системы автоматизации вышестоящего уровня. ША реализует функции автоматического управления, регулирования, контроля и защиты, обеспечивающих безаварийную работу технологического оборудования в условиях, не требующих постоянного присутствия эксплуатирующего персонала.
Рис. 4. Шкафы автоматизации
Важно отметить, что ША является объектно-ориентированным и проектно-компонуемым изделием, состав и количество функциональных устройств которого определяется заказом в соответствии с конфигурацией объекта. ША имеет гибкую структуру аппаратных средств и программного обеспечения. Этим целям удовлетворяет модульное оборудование со встроенным программным обеспечением, которое позволяет изготавливать шкафы различных модификаций с требуемым количеством функций, входных и выходных каналов.
Шкаф диспетчерского пункта (ШДП)
Шкаф диспетчерского пункта входит в состав программно-технического комплекса и предназначен для сбора информации, поступающей с нижнего и среднего уровней автоматизации, её накопление, архивирование в базе данных, формирование отчетной документации и передачу необходимой информации на автоматизированное рабочее место специалиста, приёма и исполнения команд управления от АРМ оператора.
ШДП обеспечивает выполнение следующих функций:
- информационные функции:
- автоматический обмен информацией с КП ШТ и АРМ диспетчера;
- формирование графических элементов мнемосхем с отображением текущих значений измеряемых параметров и состояния оборудования;
- отображение исторических трендов и таблиц значений параметров технологического процесса за выбранный промежуток времени;
- сигнализирующие функции:
- привлечение внимания оперативной службы цветовой и звуковой сигнализацией к изменению состояния технологического процесса;
- обязательное подтверждение (квитирование) факта приема сообщения;
- вывод на экран дисплея информации с детализацией места возникновения сигнала в случае отклонения за пределы уставок параметров ТП, невыполнения команд управления и возникновения других внештатных ситуаций;
- регистрирующие функции:
- выдача и исполнение управляющих команд оператора;
- документирование хода технологического процесса в базах данных;
- вычислительные функции:
- реализация алгоритмов управления исполнительными механизмами;
- выполнение расчетных операций над значениями показаний датчиков оборудования для вычисления производных параметров.
Программное обеспечение ШДП конфигурируется в процессе настройки применительно к конкретному объекту и поставляется в комплекте. Для обмена с вышестоящими и смежными системами используются протоколы Modbus RTU/TCP и МЭК 60870-5-104.
Таким образом, ПТК СА осуществляет автоматическое управление технологическими процессами с помощью АРМ оператора, что в конечном итоге повышает эффективность производства и обеспечивает оптимизацию управления. Так, например, в установке низкотемпературного обезвоживания в вакууме (НОВ), которая используется на различных предприятиях с целью переработки и утилизации производственных отходов, система автоматизации процесса сушки обеспечивает энергетический баланс процессов испарения и конденсации, а также позволяет максимально использовать теплоту конденсации для испарения. Кроме того, программно-технический комплекс СА, используемый в работе установки НОВ, позволяет контролировать и управлять необходимыми процессами в режиме реального времени, а также передавать на АРМ оператора информацию о состоянии установки, тем самым существенно повышая эффективность, надежность и безопасность технологического процесса.
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «СИСТЕМА ТЕЛЕМЕХАНИКИ»
ПТК «Система телемеханики» (ПТК СТМ) предназначена для дистанционного контроля и управления в режиме реального времени работой технологического оборудования кустов газовых, газоконденсатных, нефтяных скважин и нефтегазосборных сетей, а также обеспечивает условия для максимально возможного извлечения нефтегазовых продуктов из месторождений с минимально возможными технологическими потерями.
Система представляет собой пространственно-распределенные по объекту контролируемые пункты (КП) со шкафами телемеханики (ШТ) к которым подключены первичные датчики , сигнализаторы, исполнительные устройства и механизмы.
Шкафы телемеханики соединяются информационными каналами к одним или несколькими шкафами диспетчерских пунктов (ШДП), состоящих из одиночных или дублированных концентраторов информации (КИ) и серверов сбора данных.
Визуализация технологических параметров, а также формирование управляющего воздействия на исполнительные механизмы и устройства осуществляется по командам с автоматизированного рабочего места (АРМ) входящего в состав диспетчерского пункта.
Программно-технический комплекс СТМ позволяет контролировать удалённые объекты, периодически получая информацию об их состоянии. При штатной работе объекта, вся информация поступает в пульт управления ПТК с заданным периодом. При наличии аварийных событий, информация об объекте поступает непрерывно, либо с минимальным периодом.
Структурная схема программно-технического комплекса СТМ на примере телемеханизации газоконденсатных скважин представлена на рис. 5.
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ
ООО «АСУ ПРО» в составе разработанных автоматизированных системах управления использует собственное микропроцессорное оборудование: программируемые логические контроллеры ERGON (рис.6), модули ввода/вывода, устройства периодического включения нагрузки.
Программируемые логические контроллеры ERGON КАПП-82-168 в моноблочном исполнении (рис.6а) и ERGON в модульном исполнении (рис. 6б), предназначены для построения распределенных и локальных автоматических систем управления технологическими процессами, выполнения измерений электрических сигналов от первичных преобразователей с унифицированными входами, преобразования их и вычисления значений физических величин. Контроллеры позволяют осуществлять формирование выходных сигналов для автоматизированного управления в реальном масштабе времени технологическими процессами и объектами.
Контроллер ERGON КАПП-82-168 в моноблочном исполнении состоит из центрального процессора и микросхем, осуществляющих функции дискретных, аналоговых входов и выходов, а также поддержку коммуникационных интерфейсов. Контроллер содержит элемент питания, используемый для обеспечения работы часов реального времени и резервной памяти при отсутствии основного питания. Кроме того, ERGON КАПП-82-168 характеризуется пониженным энергопотреблением. Потребляемая мощность контроллера составляет всего 1,2 Вт. Среди отечественных контроллеров не удалось найти конкурентоспособный аналог ПЛК ERGON КАПП-82-168 с таким же низким энергопотреблением и реализованным функционалом.
Рис. 6. а) Программируемый логический контроллер ERGON КАПП-82-168;
б) Модульный программируемый логический контроллер ERGON.
При необходимости построения локальных и распределенных АСУ ТП с большим количеством контролируемых и/или управляемых сигналов целесообразно использовать модульный программируемый логический контроллер ERGON. В состав данного контроллера входит процессорный модуль КАПП2 (рис.7) и необходимое количество модулей ввода/вывода. ПЛК ERGON в модульном исполнении в своем составе может иметь следующее количество каналов ввода/вывода: AI (4-20; 0-20) мА, (± 5; ± 10) В до 248 шт.; AI (термосопротивления) до 124 шт.; AI (термопары) до 124 шт.; AI (3-х фазная сеть: ~400 В, 5А) до 31 шт.; AO (4-20 мА; ± 10 В) до 124 шт.; DI («сухой контакт») до 496 шт.; DI (счетно-импульсный) до 31 шт.; DO (Imax = 0,25 А) до 248 шт.
Рис. 7. Процессорный модуль КАПП2
Программирование контроллеров производится с помощью среды CODESYSV3.5. В качестве интерфейса связи со средой программирования используется Ethernet.
Контроллеры ERGON могут применяться на объектах нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности, а также в других областях для создания автоматизированных измерительных и управляющих систем различной конфигурации.
Программируемые логические контроллеры ООО «АСУ ПРО» имеют сертификаты таможенного союза и внесены в государственный реестр средств измерений.
Кроме того, в составе рассмотренных выше программно-технических комплексов применяется устройство периодического включения нагрузки (УПВН-1). Устройство (рис.8а) представляет собой преобразователь постоянного тока с настраиваемым таймером включения/выключения нагрузки и предназначено для применения в составе ПТК СА и СТМ.
Рис. 8. а) Внешний вид УПВН-1; б) Настройка УПВН-1 в конфигураторе.
УПВН-1 в своем составе имеет управляемый преобразователь напряжения, два дискретных входа, транзисторный ключ для управления нагрузкой, светодиод для индикации режима работы, USB разъем для настройки, а также RS-232 порт с протоколом Modbus.
Первый дискретный вход предназначен для вывода устройств из спящего режима и подсчета количества импульсов на данном входе.
Второй дискретный вход предназначен для принудительного перевода устройства в спящий режим. В спящем режиме отключаются преобразователь напряжения, транзисторный ключ размыкается, светодиод гаснет. Периоды бодрствования и спящего режима задаются с помощью специальной программы на компьютере «УПВН конфигуратор» (рис. 8б) при подключенном USB, а также по протоколу Modbus.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Программно-технические комплексы СА и СТМ прошли испытания и успешно эксплуатируются в различных нефтегазовых добывающих компаниях, таких как ПАО «Газпромнефть», ПАО «Оренбургнефть», ООО «Газпром добыча Оренбург», «Иркутская нефтяная компания» и др. Кроме того, такие ПТК используются на объектах пищевой промышленности, жилищно-коммунального хозяйства и при переработке производственных отходов.
Впервые в составе разработанных ПТК используется инновационное отечественное микропроцессорное оборудование с таким низким энергопотреблением.
Важно отметить, что применение отечественных программно-технических комплексов СА и СТМ позволяет не только повысить производительность, эффективность и безопасность производственных процессов, но и значительно снизить затраты на человеческий труд, энергопотребление и расходование сырья.
Обобщая все выше сказанное, стоит подчеркнуть, что разработка и внедрение отечественных комплексных АСУ ТП в условиях современной экономики, импортозамещения и возрастающих требований качества продукции является одним из немногих способов выживания в конкурентной борьбе и получения стабильных прибылей.
