ОПЫТ СОЗДАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ АСУ ТП ТЭЦ - ПВС «ИСПАТ- КАРМЕТ»)

В качестве примера построения крупномасштабной распределенной системы управления технологическими процессами рассматривается АСУ ТП турбоагрегата №3 ТЭЦ-ПВС металлургического комбината «ИСПАТ-КАРМЕТ» г. Темиртау (республика Казахстан). Основные цели создания АСУ ТП заключались в обеспечении контроля, управления и диагностики теплофикационного оборудования ТЭЦ-ПВС в нормальных, переходных и предаварийных режимах работы для выполнения главной функции - выработки электрической и тепловой энергии требуемого количества и качества, а также защита теплофикационного турбоагрегата и оборудования путем останова при угрозе аварии.

Характеристики объекта автоматизации

Турбоагрегат №3 типа ПТ-65/75-90/3 - одновальный двухцилиндровый агрегат с двумя регулируемыми и четырьмя нерегулируемыми отборами.

Общестанционное оборудование:

• Деаэраторы
• Питательные электронасосы
• БРОУ
• Паропреобразовательная установка (четыре корпуса)
• Испарительные установки №1 и №2, состоящие из четырех корпусов каждая
• Группы оперативно контролируемых параметров 4-х турбоагрегатов.

Перечень автоматизируемых функций

Информационные функции:

• контроль и измерение технологических параметров
• сигнализация отклонений параметров от установленных границ
• сигнализация нарушений состояния оборудования
• ручной ввод данных
• формирование и выдача данных оперативному персоналу в форматах протокола сообщений, режимных листов и протоколов аварийных ситуаций
• ведение архивов.

Управляющие функции:

• дистанционное управление технологическим оборудованием
• дистанционное управление исполнительными механизмами в режиме ручного управления
• выполнение алгоритмов защит и блокировок
• автоматическое регулирование.

Функции самодиагностики:

• контроль прохождения команд управления в контроллер
• контроль срабатывания блокировок и защит
• контроль правильности выбора объекта управления
• программно-аппаратная самодиагностика контроллеров с выводом информации на индикаторы плат и на верхний уровень
• контроль обрыва линий связи с УСО
• вывод диагностической информации на станции оператора и станцию инжиниринга.

Вспомогательные функции:

• автоматический перезапуск ПК при срабатывании WatchDog
• оперативная перенастройка системы и реконфигурация программного обеспечения
• поддержка единства системного времени
• осуществление переходов «зима-лето» и «лето-зима»
• регистрация лица, осуществляющего управление объектом и протоколирование всех его действий.

Требования Заказчика

В ТЗ на создание системы также выдвигались следующие требования, а именно:

• АСУ ТП должна была проектироваться как распределенная система управления на базе современных микропроцессорных контроллеров и средств вычислительной техники
• Особо важные компоненты системы должны быть реализованы с использованием
  резервированных структур
• АРМы операторов должны поддерживать двух-мониторные режимы представления
  информации
• Должна быть решена поддержка свободно компонуемых видеокадров групп данных,
• Должна быть реализована возможность одновременного управления несколькими
  объектами разных типов
• Должна быть реализована возможность расширенной фильтрации протокола событий по свободно компонуемым группам параметров
• Данные по расходам должны корректироваться с учетом реальных параметров измеряемых сред.

Данные требования были успешно реализованы в рамках разработанной SCADA КРУГ-2000 версии 2.4, на базе которой и была создана данная АСУ ТП.

2. Принятые решения

Архитектура

Решение поставленных задач было реализовано на базе ПТК КРУГ-2000 с применением контроллеров TREI-05-02. Архитектура АСУ ТП изображена на рисунке 1.


Автоматизированная система управления технологическим процессом теплофикационного турбоагрегата №3 и общестанционного оборудования представляет собой четырехуровневую распределенную систему управления с использованием клиент-серверной архитектуры.

В 1-ый (нижний) уровень системы входят: выносные устройства связи с объектом (УСО), выполняющие функции автоматического сбора и "оцифровки" измеряемых параметров, приема управляющих воздействий от процессорных блоков микропроцессорных контроллеров (МПК) в цифровых кодах и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы (ИМ), дублированные линии интерфейса RS-485 для связи УСО с процессорными блоками МПК.

Во 2-ой (нижний) уровень системы входят: микропроцессорные контроллеры подсистем технологических защит и блокировок, автоматического регулирования, дистанционного управления и информационных подсистем, включающие в себя процессорные блоки для обработки измеряемых параметров по заданным технологическим алгоритмам и формирования управляющих воздействий в виде цифровых кодов. Часть из них включают в себя и модули УСО.

Микропроцессорные контроллеры, используемые в подсистемах защит, выполнены со 100%-ным горячим резервированием.
Микропроцессорные контроллеры, используемые в подсистемах локальных защит и блокировок, а также автоматического регулирования, выполнены с резервированием процессорных модулей.

Особенностью примененной архитектуры нижнего уровня явилась возможность размещения модулей ввода/вывода в непосредственной близости от объектов управления (рисунок 2) .

Модули ввода/вывода установлены в шкафах RITTAL исполнения IP-65. С помощью данных модулей осуществляется прием и выдача сигналов управления на объект.

Процессорные модули контроллеров установлены в шкафах RITTAL в помещении операторной ГЩУ. Связь процессорных модулей с модулями ввода/вывода осуществлена по дублированной шине ST-BUS2 контроллеров по протоколу RS-485 на скорости до 1Мбод/сек при удалении до 300м (максимальное удаление без применения ретрансляторов составляет до 1200м).


В подсистемах регулирования и технологических блокировок использовано также дублирование процессорных модулей.

Достоинством данной архитектуры стала возможность существенной экономии кабельной продукции, удешевления монтажных работ и уменьшения сроков монтажа АСУ ТП за счет размещения шкафов с вынесенными модулями УСО непосредственно на объекте. Кроме
того, значительно сократилась площадь, используемая оборудованием АСУ ТП, размещаемым непосредственно в операторной ГЩУ.

В 3-й (средний) уровень системы входят средства для вычислительной обработки информации, ее регистрации и архивирования, реализуемой на серверах БД со 100%-ным «горячим»
резервированием.

В 4-й (верхний) уровень системы входят:

- средства отображения и диалога оператора с системой, реализуемые с
помощью АРМов оператора
- станция инжиниринга
- система печати.

Связь нижнего и среднего уровня АСУ ТП обеспечивается посредством дублированной
локальной вычислительной сети Ethernet 10/100 Мб/с.

Связь верхнего и среднего уровня АСУ ТП обеспечивается посредством дублированной локальной вычислительной сети Ethernet 10/100 Мб/с.

Питание шкафов с УСО и датчиков осуществляется от двух независимых вводов ~220VAC и =220VDC. Питание абонентов верхнего уровня осуществляется через индивидуальные источники бесперебойного питания, что повышает устойчивость системы к отказам по питанию. Функции абонентов среднего уровня.

Серверы БД предназначены для сбора, обработки оперативных данных от УСО, хранения и отображения архивной информации по заданным параметрам, ее предоставления абонентам верхнего уровня (станциям оператора - СО) в режиме клиент-сервер, являются резервируемыми и выполняют зеркализацию данных.

Архивированию подлежат тренды, печатные документы и протокол сообщений. Архивирование осуществляется на жесткий диск компьютера и на сменные носители информации (магнитооптические диски).
Функции абонентов верхнего уровня

Станции оператора предназначены для отображения оперативных данных от УСО и архивной информации, хранящейся на серверах БД или магнитооптических дисках, и работают в режиме клиент-сервер с серверами БД.

На станциях оператора реализуются следующие функции:

• индикация параметров ТП, отображающих состояние определенных зон технологического объекта
• индикация на экране и звуковая сигнализация выхода параметров за технологические и аварийные пределы, сигнализация аварийных ситуаций
• дистанционное управление исполнительными механизмами и приводами
• дистанционное управление регуляторами
• резервирование и диагностика локальных вычислительных сетей связи с серверами САБД
• коррекция собственного системного времени при получении команды от серверов САБД
• разграничение доступа к средствам системы управления по паролю
• просмотр в журналах системы следующей информации:

-  сообщений о нарушениях и других событиях на объекте и в системе управлени
-  сообщений о действиях операторов-технологов
-  сообщений о работе комплекса технических средств контроля и управления

• просмотр истории параметров процесса на экране дисплея в виде графиков и таблиц и распечатки на принтере в табличном виде или как копии экрана
• просмотр архивов печатных документов на экране дисплея и распечатки на принтере.

Станция инжиниринга предназначена для создания прикладного ПО системы, расширения или перенастройки системы и адаптации системы к реально существующему оборудованию.

Система печати состоит из принт-серверов, подключенного к локальной вычислительной сети Ethernet 100Mб/с, и лазерных принтеров. На принтеры может быть выведена информация от любого абонента верхнего уровня системы.

3.Оборудование

В АСУ ТП используются:

• Микропроцессорные контроллеры – 12 штук, из них:

-  контроллеры подсистемы защит турбоагрегата со 100%-ным горячим
резервированием – 2шт.
-  контроллеры подсистем регулирования, локальных защит и блокировок со
100%-ным резервированием процессорных модулей – 3шт.
-  контроллеры подсистем дистанционного управления и информационной –
7шт.

• серверы базы данных с функциями архивирования и горячим резервированием – 2шт.
• автоматизированные рабочие операторов – 6 шт.

- в том числе 2-х мониторные – 2шт.
- три АРМа находятся в оперативном контуре управления,
- три в неоперативном

• станция инжиниринга
• сетевые принтеры №1, 2.

Характеристики УСО

Шкафы управления 19” (RITTAL).

В качестве УСО применены контроллеры TREI-5B-02. Часть каркасов данных контролеров вынесена непосредственно к объекту. Связь с удаленными каркасами УСО осуществляется по дублированной шине контроллеров с протоколом RS485, обеспечивающей скорость до 1Мбит/с на расстояние до 1200 м.

Характеристики Серверов БД

Серверы БД - использованы персональные компьютеры в промышленном исполнении Pentium III, тактовая частота 1,4 ГГц, ОЗУ 512 Мб, HDD 40 Мб, 4 сетевых адаптера 3COM.
Мониторы 15”.

Характеристики СО/СА/СИ

Станции оператора/архивирования реализованы на базе персональных компьютеров в офисном исполнении Pentium III, тактовая частота 800 МГц, ОЗУ 256 Мб, HDD 40 Мб, 2 сетевых адаптера 3COM. Мониторы 21”. Функциональная технологическая клавиатура.

4. Программное обеспечение

SCADA «КРУГ-2000» для ОС Windows NT2000XP.

Система реального времени контроллера «КРУГ-2000» для ОС QNX

5. Информационная мощность

База Данных составляет –12500 переменных.

Переменных, получаемых по каналам связи – более 10000, из них:

• Входные аналоговые (с учетом резервируемых каналов) – 1500,
• Входные дискретные (с учетом резервируемых каналов) – 4800,
• Выходные дискретные (с учетом резервируемых каналов) – 2500,
• Контуры регулирования – более 80.

Тренды

• Оперативные – 1400 параметров
• Исторические (архивируемые) - 2800 параметров (минутные, часовые)

АБОНЕНТЫ

Количество абонентов системы – 24.

ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС

• Количество мнемосхем – более 200
• Количество мнемосхем шаблонов и приборов управления – более 200.

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Контроллеры

• Период опроса и выполнения программ – от 100 мсек и выше Серверы БД
• Период опроса каналов (УСО) – не более 1 сек,
• Время передачи команд управления в УСО – не более 200 мсек
• Глубина хранения архивов – определяется размером жесткого диска.

АРМ операторов

• Время вызова видеокадров – от 1 до 1,5 сек

Время запаздывания светозвуковой сигнализации – не более 0,5 сек.

6. Применение новых возможностей

• Модульное построение SCADA КРУГ-2000
• Клиент-серверная архитектура
• Интегрированная среда разработки
• Двухмониторный менеджер
• Свободно компонуемые видеокадры групп данных
• Групповое управление
• Расширенные выборки из протокола событий
• Передача данных на уровень АСУ по стандартным протоколам.

7. Применение новых возможностей СРВ контроллера версии 6.5

- Функции учета тепла в расчетах расходов

ВЫВОДЫ

Система находится в эксплуатации с мая 2003 г.

• Практически подтверждена работоспособность крупномасштабной распределенной системы управления на базе SCADA КРУГ-2000
• Перспективы развития

- Web-контроль
- Наращивание информационной мощности (на ходу).