2598
.pdfтиповых решений (СТР), охватывающая общесистемные решения, типовые для данного класса ТОУ: укрупненная структура КТС; общее программное обеспечение; общесистемное функционирование; наличие руководящих технических материалов (РТМ); наличие ресурсов по перечню функций и возможность их расширения.
3.Принцип объектной ориентации, согласно которому в классе АСУ ТП определены компоненты типовой документации или унифицированные технические проекты (УТП). В их состав входят математические модели объекта и внешней среды, алгоритмы управления этими моделями, кодирование информации, размещение оборудования, входящего в состав КТС.
4.Принцип вложения, который можно проиллюстрировать «схемой вложения»
ТРi => СТРj => УТПn (i< j < n).
Особенностью перемещения по схеме вложения является сужение области применения данного типа решения по мере перехода к классу и конкретному объекту из этого класса.
Эти принципы типизации должны, очевидно, быть дополнены требованиями полноты ТР, СТР и УТП, настраиваемости и перспективности развития (эволюции) КТС.
2.8. Состояние и тенденции развития КТС АСУ ТП
2.8.1. Общая характеристика современного состояния комплекса технических средств АСУ ТП и их практической реализации на зарубежных и отечественных предприятиях. Программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК) ремиконты и ломиконты
Известно, что на долю датчиков и измерительных приборов приходилось до 40% всех расходов на автоматизацию крупных предприятий. Это обстоятельство и быстрое развитие микропроцессорной техники привело к созданию интеллектуальных датчиков, что обеспечило возможность обработки измерительной информации в месте ее возникновения в технологических процессах и потребление ее без передачи в центральную ЭВМ.
640
Создание многофункциональных датчиков на основе микропроцессоров и сенсоров, уменьшение их размеров привело к сокращению роли вторичных приборов и других средств традиционной локальной автоматизации технологических процессов, что позволило в несколько раз сократить количество необходимых щитов КИПиА для размещения устаревших средств автоматизации. Так появился термин и метод бесщитового управления. А декомпозиция сложного централизованного управления с одной управляющей ЭВМ (УВМ), характеризующейся малой надежностью, на ряд подсистем на основе многофункциональных программируемых микропроцессорных контроллеров (ПМК) позволила осуществить распределенное управление отдельными переделами (цехами) всего технологического процесса предприятия. В итоге были созданы и действуют бесщитовые распределенные системы управления (РСУ), обеспечивающие надежность, гибкость и экономичность АСУ ТП [12, 25, 26].
Для технической реализации таких АСУ ТП стал выпускаться ряд малогабаритных локальных микропроцессорных регуляторов типа «Протерм 100», «Минитерм 300», «ИТР-2» и много других, обладающих повышенной надежностью и режимами позиционного и ПИДрегулирования, а также мощные программно-технические комплексы (ПТК) «Квинт», «Комплекс», «Техноконт», «Униконт», «Миксис» и др. Основу функционирования, например, ПТК «Комплекс» составляют электронные устройства: датчики, контроллеры регулирующие Р-110, Р-130, логические Л-110, Ш-711, ЧСК, средства передачи данных, ПЭВМ в роли операторской станции и др. [1, 2, 25, 26].
Программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК), сокращенно микроконтроллеры, доступны в эксплуатации персоналу, не имеющему знаний в области программирования. Логические ПМК, предназначенные для замены таких устройств электроавтоматики, как релейные и логичесеские схемы, командные аппараты, нашли широкое применение в практике автоматизации технологических процессов и положили начало развитию других направлений применения ПМ (регулирующего и координирующего типов). Главный недостаток аппаратных релейно-контактных устройств управления по принципу жесткой логики – недостаточная гибкость при внесений изменений в алгоритм, введение новых функций и др. ПМК логического управления обладают существенным преимуществом при использовании их для решения сложных задач управления (например, при наличии 20 и более реле в заменяемой релейно-контактной схеме).
Промышленностью выпускаются логическо-программные многоканальные контроллеры – «Ломиконты» сер. Л-110, Л-И2, Л-120, Л-122; регулирующие контроллеры – «Ремиконты» сер. Р-110, Р-122, Р-130, КР-300 и др. Важной особенностью этих контроллеров является развитое
641
внутреннее программное обеспечение, не требующее использования внешних программных средств – операционных систем, трансляторов и т.п. Оператор работает с такими приборами с использованием так называемого технологического программирования, привычного для специалистов по автоматическому и технологическому управлению с помощью традиционных аналоговых средств. На одном регулирующем микроконтроллере (например, Р-122) можно реализовать автоматическое регулирование, эквивалентное регулированию 8–16 локальными аналоговыми регуляторами. При этом следует особо отметить компактность прибора: габариты его почти не отличаются от традиционного аналогового ПИД-регулятора.
МикроЭВМ. Основу микроЭВМ составляет микропроцессор, который совместно с дополнительными устройствами (вспомогательной памятью, периферийными устройствами, средствами связи и структурнонеобходимыми другими микропроцессорами и БИС) обеспечивает решение совокупности разнообразных относительно несложных задач. В частности, это широко распространенные задачи по управлению производственным агрегатом или технологическим процессом с помощью вычислительного комплекса небольшого быстродействия по вводу-выводу. Умеренные технологические возможности микроЭВМ (по сравнению с миниЭВМ) определяют низкий уровень их стоимости, компактность и обширную область применения в промышленных системах управления в качестве базовых средств построения АСУ ТП.
Отечественный и зарубежный опыт применения ПМК в распределенных АСУ ТП привел к дальнейшему совершенствованию их и производству рядом отечественныхфирм.
Промышленные контроллеры сер. ЭК-2000 фирмы «Эмикон» [25, 26] в зависимости от конфигурации могут быть отнесены к контроллерам как малого (до 64 входов-выходов), так и среднего (до 320 входов-выходов) классов. Их можно легко объединить в локальную сеть на базе интерфейсов К8-232С, К8-485, «токовая петля» 20 мА, модем У23.
С 1995г. контроллеры серии ЭК-2000 наряду с использованием на предприятиях черной металлургии стали активно применяться на предприятиях нефтегазового комплекса. На базе контроллеров серии ЭК2000 внедрены системы управления перекачивающими станциями магистральных газопроводов РАО «Газпром»; отечественная микропроцессорная САР АО «Прикаспийско-Кавказские магистральные нефтепроводы» на базе контроллеров ЭК-2314.
Фирма «Эмикон» является системным интегратором и поставляет комплектное оборудование для построения систем автоматизации (СА), включающих в себя датчики, исполнительные механизмы, промышленные панели оператора, контроллеры, промышленные компьютеры,
642
регулирующие приводы постоянного и переменного токов, серводвигатели и тяговые двигатели постоянного тока, бесколлекторные серводвигатели и другое оборудование, необходимое заказчику.
Пензенское АО «Электромеханика» разработало новый программируемый контроллер ПКЭМ-3 в стандарте МЭК-1131, предназначенный для управления технологическими процессами в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой промышленностях и в других отраслях; использование его в составе программно-технического комплекса «Дирижер» обеспечивает гибкость решения для управления и сбора данных.
Московское НПО «Техноконт» [28] разработало многофункциональный комплекс программно-аппаратных средств для построения распределенных систем управления – МФК «Техноконт». Важным достижением является новый многоцелевой контроллер КР-300 сер. КОНТРАСТ (КОНТроллеры для РАСпределенных систем автоматизации Технологических процессов) [51], который разработан и производится в г. Чебоксары ЗАО «ЗЭ и М-Инжиниринг» как основной элемент поставляемых программно-технических комплексов для АСУ ТП различных областей промышленности. Разработка выполнена на основе опыта производства и эксплуатации контроллеров «Ремиконт Р-110», «Ломиконт Л-110», «Ремиконт Р-130, РК-131/300» с применением современных электронных компонентов ведущих зарубежных производителей. Последнее обстоятельство позволило обеспечить высокие (на уровне современных зарубежных аналогов) технические характеристики контроллера, в том числе повышенную надежность и помехоустойчивость, а конструктивная унификация с отечественными приборами Р-130, РК-131 – сравнительно низкую стоимость РК-300.
Важной особенностью является поставка фирменного программного обеспечения, реализующего функционирование и обслуживание контроллера, а также решающего задачи технолога-оператора на высшем уровне. Программирование контроллеров выполняется на технологических языках двух классов, позволяющих обходиться без профессиональных программистов: языке Функциональных Алгебраических Блоков ФАБЛ (библиотека – до 256 алгоритмов, программы – до 999 алгоблоков) и процедурном языке высокого уровня ПРОцедурный ТЕКСТ (ПРОТЕКСТ). Процесс программирования на языке ФАБЛ сводится к объединению в систему заданной конфигурации нужных алгоритмов, а на языке ПРОТЕКСТ – к записи условий, содержащих алгебраические логические выражения. Все алгоритмы библиотек ФАБЛ могут использоваться в качестве встроенных функций языка ПРОТЕКСТ.
Язык ФАБЛ удобен при разработке программ регулирования, язык ПРОТЕКСТ – для создания программ логического уровня, защит и блокировок, решения вычислительных задач, ввода-вывода текстовых
643
сообщений и т.п. Разработка и отладка технологических программ осуществляются на персональном компьютере с помощью пакета ИСТОК, содержащего табличные, графические и текстовые редакторы подготовки программ, трансляторы, загрузчики и другие инструментальные средства для подготовки и отладки технологических программ. ФАБЛ или ПРОТЕКСТ-программа (или комбинация) записываются в энергонезависимую флэш-память контроллера.
На ряде предприятий успешно работает АСУ ТП на ПТК зарубежных фирм [1, 2]. Например, на Омском НПЗ работает АСУ ТП первичной переработки нефти, реализованная на контроллерах МОD-30, МОD-300, барьерах искрогашения и других устройствах фирмы АВВ (США).
Основные технические данные контроллера MOD-30: 2 контура ПИДрегулирования; 3 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода; 2 дискретных входа и 3 дискретных выхода.
В составе АСУТП одного из больших цехов используется MOD-30 – 30 шт.; MOD-300 – 1шт., один шлюз (РС и программный пакет 1п Тouсh, Wonder Ware), на котором также отображаются лабораторные данные аналитического контроля.
На рис. 2.16 показана схема включения датчика и исполнительного механизма в контур автоматического регулирования. АСУ ТП этого цеха связана с единой информационной сетью (EUC) верхнего уровня управления (АСУП) через шлюз. К EUC подключены серверы данных реального времени с других подразделения цеха (РI archivc) и данные лабораторного аналитического контроля исходного сырья, изготовляемых продуктовиосновныхматериалов(Blekher).
Другой пример структуры КТС АСУ ТП комплекса производства ароматики (КПА) представлен на рис. 2.17. Здесь технологический процесс контролируется и управляется по 3500 параметрам, при этом около 650 параметров регулируются через примерно 1500 исполнительных механизмов.
Полевое оборудование представлено датчиками температуры (ТХК, ТХА), давления с тензорезисторными преобразователями ТВ 1303 фирмы Тэйлор (США), расхода по переменному перепаду давления с преобразователями ТВ 1303, уровня гидростатического типа с преобразователем ТВ 1303, дискретными датчиками, а также исполнительными устройствами в виде электропневматических клапанов (ЭКМ) и реле.
Блоки обеспечения ввода-вывода представлены блоками TRIO для преобразования аналоговых и дискретных сигналов датчиков в цифровой код и цифровых кодов в аналоговые сигналы для исполнительных механизмов. Блоки TRIO имеют 4 входа и 2 выхода аналоговых сигналов и 16 входов и 32 выхода дискретных сигналов. При этом блок TRIO С8А работает с
644
аналоговыми сигналами термопар (верхний предел 1350 мВ), блок TRIO VI имеет 16 дискретных входов, блок TRIO DO имеет 32 дискретных выхода.
LAN – это устройство связи (4 провода) между блоками TRIO и контроллерами. Один LAN рассчитан на 20 – 30 блоков TRIO. На один контроллер МОD-300 предусмотрено два LANa.
DNS – это высокочастотное кольцо связи с подсистемами (установками), DPSS – база данных (для конфигурирования, задания управляющих функций для контроллера).
Операторская консоль 1...8 MOD-300 – это рабочее место операторовтехнологов для управления технологическими процессами секций 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 для производства бензола, ортопараксилолов и ароматики С9 и C10.
Инженерная консоль MOD-300 служит для наблюдения за работой всей системы, ее техническим состоянием (диагностика технического состояния всей системы).
Высокие требования, предъявляемые к химико-технологическим и теплотехническим процессам по пожаро-взрывоопасности приводят к необходимости, что подобные объекты преимущественно оснащаются регулирующими и двухпозиционными исполнительными механизмами (ИМ) с пневматическими приводами. Кроме того, на некоторых действующих объектах продолжают применять датчики с пневматическими выходными сигналами. В то же время при автоматизации подобных объектов широко применяются микропроцессорные электронные средства контроля и управления. В этой связи становится необходимым обеспечение надежного и эффективного сочленения пневматических и электронныхсредств.
При большем числе пневматических аналоговых датчиков может быть использован групповой 32-канальный пневмоэлектропреобразователь типа ПЭ-32 [30], в составе которого представлен контроллер «Ремиконт Р-130», проводящий опрос пневматических коммутаторов, выходные сигналы которых преобразуются в стандартные токовые сигналы, поступающие на входы контроллера Р-130.
Достоинство предлагаемой схемы – возможность безударного перевода с автоматического режима в режим ручного управления и ее энергозащищенность по питанию.
Датчик |
1152FZ |
|
|
|
|
1152FZ |
|
|
Преобразователь |
||||||
ABB |
|
|
|
|
ABB |
|
|
|
Fisher 646 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контроллеры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Барьер |
|
|
|
I |
|
|
|
||
Д |
Барьер |
|
MOD-30, |
|
|
|
|
P |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
MOD-300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
645
Блок
питания
Пневмоклапан
Рис. 2.16. Блок-схема контура регулирования
Более новым устройством для ввода информации от первичных пневматических датчиков в электронные системы контроля и управления является многофункциональный ПЭП типа АСТРА-8М [52], преобразующий унифицированные пневматические аналоговые сигналы в унифицированные электрические типовые аналоговые сигналы в системах автоматического контроля, регулирования и управления ТП.
Мировая научная общественность держит под постоянным вниманием состояние и тенденции развития систем управления технологическими процессами. Не реже, чем 3 раза в год, в Институте проблем управления РАН (ИЛУ РАН) проходят международные семинары-презентации новейших средств автоматизации и программного обеспечения ведущих отечественных и зарубежных фирм. По охвату количества представляемых материалов этот семинар можно смело отнести к ведущему в России информационному центру по АСУ ТП, который является дополнением к проводящимся в г. Москве всемирным выставкам «Автоматизация». Апрельский 1996 г. [3] семинар провел основательное обобщение по состоянию и тенденциях в области разработки и внедрения АСУ ТП. Он собрал наибольшее количество представителей крупнейших нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических, металлургических комплексов, предприятий машиностроения и энергетики: НИПИнефть и «Экополимер» (г. Харьков), АО «Акрон» (г. Новгород), Каменский химкомбинат (г. Каменск-Шахтинск Ростовской области), Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск Свердловской области), АО «НЛМК» (г. Липецк), АО «Кировский шинный завод» (г. Киров), Павлодарский алюминиевый завод (г. Павлодар), АО «Криогенмаш» (г. Балашиха Моск. обл.,), АО»Машиностроительный завод» (г. Электросталь Моск. обл.,), Тюменьэнерго НИИатомных реакторов (г. Дмитровград Ульяновская обл.) и др.
646
Рис. 2.17. Структура КТС АСУТП комплекса производства ароматики
Фирма DEP (г. Москва) представила системы сбора, обработки информации на технологических объектах для учета, контроля, управления и защиты от аварий. Эти системы позволяют решать классические задачи телемеханики самыми современными методами и применяются в электроснабжении, теплоэнергетике, водоснабжении, на транспорте и в других объектах, характеризующихся медленнотекущими процессами и распределением объектов контроля и управления на многие десятки километров.
647
Фирма AEG Modicon (Германия-Франция) поставляет контроллеры, пользующиеся большой популярностью на российском рынке, они активно внедряются в различных отраслях: энергетике, химии, машиностроении, производстве строительных материалов и др. Невысокая стоимость, износоустойчивая модульная структура контроллеров, возможность реализации распределенных систем управления (РСУ) с мощным человекомашинным интерфейсом, высокая надежность обеспечивают успех фирме AEGModiconвРоссии.
О масштабах фирм-империй АВВ и Simens со штатами соответственно 200 тыс. и 370 тыс. чел. можно также судить по отчислениям на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в суммах 26 млрд долларов США и 7,2 млрд немецких марок. Но участие этих фирм в проектах по внедрению АСУ ТП в России весьма скромное.
Фирма Prosoft, являющаяся поставщиком в Россию IBM PS - совместимых промышленных компьютеров, программного обеспечения, различных устройств для индустриальных систем управления, демонстрировала также ноутбуки, построенные на процессорах 80486DX/2, способные работать при температуре среды -20…+50ºC в условиях вибрации, пыли, высокой влажности, масляных загрязнений, выдерживать ударную нагрузку 15 дБ при работе и 50 дБ при хранении.
АО «Эмикон» демонстрировала контроллеры сер. ЭК-2000, отличающиеся высокими эксплуатационными свойствами, они построены на электронных элементах лучших зарубежных фирм. Фирма использует в качестве панелей операторов и промышленных компьютеров изделия фирмы R&D (Италия-США), что делает системы отвечающими самым высоким мировым стандартам.
Со своими разработками познакомила российская фирма «Системный интегратор ИКТ» (информация, компьютеры, технология), расположенная в г. Москве. Фирма ИКТ предлагает весь комплекс вертикального интегрированного решения, охватывающего весь цикл работы предприятия от АСУТП до АСУП в целом на единой базе аппаратнопрограммных средств. Отмечено, что отечественные ПТК примерно в 3 раза дешевле по сравнению с аналогичными ПТК зарубежного производства. Большой интерес вызвали доклады, посвященные SCADA (SuperVisory Control и Data acquisition - систем). Все показанные системы – «Genesis», «RealFlex», «Image», «ТгасеМоde», RCS/С+, VNS, СКАТ-Х – описаны в соответствующих работах [9]. Преимуществом отечественных SCADA-систем (Тгасе Моde, RCS/С+, VNS) по сравнению с зарубежными является то, что они поддерживают связь как с зарубежными, так и с отечественными контроллерами, дешевле и не требуют длительного дорогостоящего сопровождения со стороны западных фирм.
648
Было отмечено, что выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и др. Принятие окончательного решения из огромного разнообразия вариантов возможно только на основе проведения тендера под руководством специальных консалтинговых фирм, обеспечивающих объективную и независимую экспертизу предложений. Было отмечено, что в России отсутствует массовый спрос на современные средства автоматизации, характерный для промышленно развитых стран, что отражает неблагополучие в нашей экономике, кризисное состояние отечественной промышленности.
Несмотря на большие вычислительные возможности современных процессоров, распространенные отечественные и зарубежные ПТК являются в основном системами диспетчерского управления и сбора данных. Мало используются экспертные системы, системы оптимального управления. Адаптивные и робастные алгоритмы применяются для отдельного контура управления и отсутствуют на уровне технологических процессов в целом.
Было отмечено, что в системах управления наблюдается тенденция сосредоточения функций управления на одних и тех же средствах промышленных компьютерах, которые будут постепенно заменять логические и регулирующие контроллеры [50]. Это связано с резким удешевлением промышленных компьютеров, появлением недорогих интеллектуальных датчиков, имеющих с ними цифровую связь, разработкой универсальных SCADA - программ.
Из предыдущего раздела нам известно, что современные АСУ ТП носят характер распределенных (территориально и функционально) систем управления (РСУ). Здесь целесообразно дать основные характеристики РСУ на основе книги [24], предназначенной для специалистов по автоматизации технологических процессов и производств, занимающихся разработкой и проектированием РСУ и может быть полезной преподавателям и аспирантам, а также рекомендована в качестве учебного пособия студентам, обучающимся по специальностям 210100 («Управление и автоматика в технических системах») и 210200 («Автоматизация технологических процессов и производств»).
В РСУ в качестве узловых станций используются промышленные ПЭВМ или рабочие станции, операторские терминалы, программируемые контроллеры, серверы и др., а датчики и исполнительные устройства все чаще являются интеллектуальными устройствами, осуществляющими получение, обработку и преобразование информации в цифровой сигнал в месте их установки.
649