библиотека нефтяника / Аппаратно-програмные средства / Глава 6

6.1. ТРЕБОВАНИЯ К КОМПЛЕКСУ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Как уже отмечалось, ГКМ, расположенное на Крайнем Севере Российской Федерации, характеризуется целым рядом специфических особенностей, наиболее важными из которых являются следующие:

суровые природно-климатические условия; значительная территориальная распределенность объектов и уда-

ленность их от промышленно развитых центров страны; сложность технологических процессов, обусловленная большими

объемами добычи и соответственно подготовкой к транспортировке газа.

Очевидно, что выбор весьма значительных по объемам, широких по номенклатуре, да еще и работающих в близких к форс-мажорным условиях аппаратно-программных средств, а самое главное – способных успешно и надежно решать возложенные на них функции – проблема архисложная. А ее решение не имеет права на ошибку по той простой причине, что замена комплекса технических средств – весьма трудоемкая и дорогостоящая операция и повторно ее реализовать не в состоянии даже такие относительно материально благополучные отрасли как газодобыча.

Сложность эта состоит, прежде всего, в том, что задача выбора, по свой сути, является векторной по множеству критериев, ряд из которых является противоречивым.

Каковы же основные требования к аппаратно-програм- мным средствам в целом? Прежде чем их сформулировать, отметим лишь, что существуют требования и к средствам различных уровней управления, которые будут рассмотрены чуть ниже.

Это прежде всего:

способность комплексов технических средств работать в условиях высокой статики и мощных индустриальных помех;

высокая надежность аппаратуры, обусловленная значительной территориальной распределенностью и сложностью природноклиматических условий и соответственно сложностью оперативной замены неисправных модулей (как показывает опыт, средняя наработ-

198

ка на отказ одного информационного канала для каждой из выполняемых функций должна быть не менее 100 000 ч);

приемлемая цена аппаратно-программных средств; программная и аппаратная совместимость элементов различных

уровней управления.

Используемые программно-технические комплексы на каждом уровне должны обеспечить:

сохранность информации в случае отключения электроэнергии; автоматический рестарт при восстановлении электропитания с

поддержанием предыдущего технологического режима; автоматическую диагностику цепей управления и контроля; защиту от несанкционированного доступа и от ложного срабаты-

вания цепей управления; живучесть системы управления в случае выхода из строя отдель-

ных элементов управления; автономность работы нижнего уровня в случае нарушения связи с

верхним уровнем управления; возможность поэтапного наращивания функций и информацион-

ных объемов системы управления в процессе обустройства и ввода новых технологических объектов;

возможность замены отдельных модулей без отключения всего устройства.

Следует отметить, что поскольку модернизация АСУ промыслами осуществляется в условиях действующего производства, то замена оборудования, отладка программного обеспечения и другие работы непременно должны осуществляться поэтапно – операторы-технологи должны иметь возможность постоянного контроля за ходом технологического процесса и в случае необходимости оперативно управлять им.

Учитывая, что на верхнем уровне управления сосредоточены фактически технические средства сбора и представления оперативной информации на базе объединенных в корпоративную сеть предприятия достаточно мощных средств вычислительной техники, акцент будет сделан в основном на наиболее общие требования к аппаратному обеспечению нижних уровней управления.

Наиболее общими специфическими требованиями к аппаратному обеспечению являются:

используемая аппаратура и программное обеспечение, предназначенные для реализации функции АСУ, должны выполнить все функции существующих АСУ ТП;

аппаратные средства АСУ ТП должны имеет возможность объединения в единую структуру децентрализованной топологии и обеспечить открытость системы, т.е. возможность расширения как функцио-

199

нальных возможностей и числа подключаемых каналов, так и сервисных функций;

аппаратура, которая будет установлена в цехах УКПГ, ДКС, т.е. во всех закрытых помещениях, должна быть искробезопасного исполнения, все контактные цепи, идущие от операторной к цехам, должны обеспечивать искробезопасность.

Модули сопряжения, непосредственно подключенные к технологическому объекту, должны отвечать следующим требованиям:

обеспечивать высокие метрологические характеристики измерительных каналов в различных диапазонах воздействий окружающей среды;

иметь гальванические развязки каналов; работать в широком диапазоне температур, вибраций, ударов, элек-

тромагнитных, электрических и сетевых помех; иметь встроенные защиты от короткого замыкания, перенапряже-

ния; иметь встроенные средства контроля исправности каналов;

иметь набор измерительных средств, сопрягаемых с обширным парком датчиков и механизмов;

обеспечивать стыковку с датчиками и исполнительными механизмами по унифицированным входам и выходам.

В настоящее время на технологических объектах ГКМ Крайнего Севера, можно сказать, не внедрена ни одна система телемеханики. Учитывая это, мы ниже приводим несколько специфических требований для систем телемеханики, удовлетворяющих требованиям технологических объектов ГКМ, подлежащих телемеханизацию.

Наиболее общие специфические требования – система телемеханики для кустов скважин (СТКС) должна:

представлять собой системы сбора, предварительной обработки, отображения и передачи информации в АСУ ТП УКПГ данных о состоянии всех объектов кустов скважин и осуществлять контроль технологического процесса на кустах скважин, предоставления информации о технологическом процессе оператору промысла в удобном для него виде;

состоять из пункта управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП); общее количество КП, входящих в состав СТКС, должно быть не более 512;

связь между КП и ПУ осуществляться по радиоканалу, скорость передачи информации должна выбираться из ряда 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бит/сек, используемая радиостанция для организации связи между ПУ и КП должна обеспечить возможность вести переговоры обслуживающему персоналу, максимальное расстояние между ПУ и КП не более 30 км;

иметь информационную емкость КП СТКС:

200

КП СТКС должен обеспечивать ТИТ следующими характеристиками:

1) перепад давления газа на диафрагме – 4 раза в секунду;

2)статическое давление газа на диафрагме – 2 раза в секунду;

3)температура газа – 1 раз в секунду.

КП СТКС должна обеспечивать определение и хранение следующих параметров:

1) среднечасовой перепад давления газа на диафрагме;

2)среднесуточный перепад давления газа на диафрагме;

3)среднечасовое статическое давление газа;

4)среднесуточное статическое давление газа;

5)среднечасовая температура газа;

6)среднесуточная температура газа;

7)часовой объем газа;

8)суточный объем газа;

9)накопленный объем газа в течение отчетного периода;

в КП должна иметься возможность хранения всех перечисленных параметров в течение 60 суток, а в ПУ этот срок должен быть не менее одного года.

СТКС должна обеспечить сбор информации с КП в ручном режиме по запросу оператора и в автоматическом режиме несколько раз в сутки.

КП должен питаться от автономного источника, обеспечивающего надежное функционирование его на протяжении не менее года.

КП должны функционировать при температуре окружающей среды от –60 до +40 ° С.

На КП должна быть предусмотрена цифровая и световая индикация необходимых сигналов.

КП должен быть влагозащищенного, водонепроницаемого, пылезащищенного и искробезопасного исполнения.

Конструкция КП должна быть контейнерного типа и позволять производить несложные ремонтные работы (например, замену неисправного модуля) непосредственно на объекте.

Наиболее общими специфическими требованиями для систем телемеханики для межпромыслового коллектора (СТМПК) являются:

она должна представлять собой системы сбора, предварительной обработки, отображения и передачи информации в АСУ ТП УКПГ данных о состоянии всех кранов на площадке и включать в себя КП и ПУ.

КП должны выполнять телемеханические функции ТИТ, ТС и телеуправление (ТУ);

информационная емкость КП должна быть:

201

1) ТИТ – 16;

2)ТС – 16;

3)ТУ – 16.

Количество КП, подключаемых к ПУ, должно быть не менее 16. Связь между КП и ПУ должна осуществляться по радиоканалу с

ближайшим УКПГ и далее транслироваться в диспетчерский пункт межпромыслового коллектора; скорость передачи информации должна выбираться из ряда 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бит/сек, ис-

пользуемая радиостанция для организации связи между ПУ и КП должна обеспечить возможность вести переговоры обслуживающему персоналу, максимальное расстояние между ПУ и КП не более 30 км.

Связь между СТМПК и диспетчерским пунктом межпромыслового коллектора должна осуществляться с помощью модема по выделенному каналу связи.

Обмен информацией между КП и ПУ должен осуществляться циклически в автоматическом режиме и в ручном режиме по опросу обслуживающего персонала.

СТМПК должна функционировать в следующих основных режимах:

1) стартовом, во время которого осуществляются диагностика и ввод в штатный режим;

2)штатном, во время которого реализуются алгоритмы сбора, накопления, обработки, передачи информации и управления технологическим оборудованием;

3)аварийном, во время которого обеспечивается необходимая сигнализация на диспетчерском пункте межпромыслового коллектора;

4)коррекции, при котором изменяются режимы работы без вывода объекта из контура управления;

5)отладочном, при котором система или отдельные ее подсистемы исключаются из контура управления и настраиваются с использованием отладочного оборудования.

На КП должна быть предусмотрена цифровая и световая индикация необходимых сигналов.

КП должен быть влагозащищенного, водонепроницаемого, пылезащищенного и искробезопасного исполнения.

Конструкция КП должна быть контейнерного типа и позволять производить несложные ремонтные работы (например, замену неисправного модуля) непосредственно на объекте.

202

6.2. йЕбйк кхздД икйЙкДеезйнЦпзауЦлдап дйеигЦдлйЗ

В последнее время на российском рынке средств автоматизации наряду с отечественными фирмами, такими как АООТ "Промавтоматика" (г. Краснодар), АО "Газком" (г. Москва), НИИИС (г. Нижний Новгород) и т.д., пытаются найти свое место (хотя не без труда) такие всемирно известные фирмы, как АВВ (США), HONEYWELL (США), SIEMENS (Германия), AEG (Германия), BAILEY NORGE (Норвегия), АСЕС (Франция), FESTO (Австрия), TELEMECANIQUE (Франция), FOXBORO (США), FISHER ROSEMOUNT (США), BRISTOL BABCOCK INC. (США), NOKIA (Финляндия), имеющие большой опыт работы в области создания и внедрения систем управления для различных отраслей промышленности. Анализ продукции этих фирм с позиций их стоимости, надежности, функциональных возможностей, степени унификации оборудования и других критериев позволяет более обоснованно осуществить выбор базового комплекса технических средств для АСУ промыслами ГКМ.

Ниже приводится краткий обзор программно-технических комплексов, предлагаемых различными фирмами для оснащения технологических объектов ГКМ [42].

Фирма HONEYWELL для применения на объектах ГКМ Крайнего Севера предлагает свою систему SKAN-3000 (Supervisory Control and Netvorking – супервизорное распределенное управление). Эта система была разработана в рамках программы Total Plant (общезаводская система управления) для локальных географически удаленных технологических объектов. SKAN-3000 включает в себя: систему SCADA для применения на предприятиях нефтяной и газовой промышленности; систему SCADA для периодических процессов в комплекте со специальной программной поддержкой на базе РС; рабочую станцию TDC 3000. SKAN-3000 обеспечивает простоту в использовании и доступность конфигурационных пакетов, а также аккумулирует в себе передовые технологии таких открытых систем, как: UNIX, OPENVMS,

Ethernet, TCP/IP, X-Windows/Motif, MS-Windows и SQL. Она является модульной системой с открытой гибкой архитектурой и широким диапазоном использования программных пакетов всего спектра вычислительной техники от РС до DEC VAX рабочих станций и компьютеров. SKAN-3000 в качестве подсистемы нижнего уровня управления может включать в себя широкую номенклатуру системного и контроллерного оборудования: TDC LCN, TDC DATA HIWAY, BRISTOL BABCOCK controllers, LCS 620 controllers, SER 9000 controllers, MODICON, Asea и Allen Bradley controllers, оборудование других производителей, позволяющее решать широчайший круг задач по управлению самыми раз-

203

личными объектами. Для решения задач АСУ ТП локальных объектов фирма HONEYWELL предлагает систему контроля и управления на базе контроллеров серии S9000 и резервированных логических контроллеров LC-620-35.

Фирма AEG предлагает создать АСУ промыслами ГКМ на базе своей системы управления и автоматизации Geamatics. Хотя все системы, расположенные на разных уровнях, базируются на идентичной аппаратной части и используют один и тот же программный продукт Viewstar 750, они все же в рамках каждого из иерархических уровней отличаются друг от друга номенклатурой используемой аппаратуры и набором программ, а также объемом средств автоматизации, количеством рабочих мест и т.д. Задачи управления процессами решаются вычислительной системой управления Viewstar 750 (VS750). Она состоит из двух станций управления и двух станций обслуживания на базе рабочих станций типа SUN LX с графическим цветным монитором, клавиатурой и оптическим манипулятором-мышью. На станциях управления работает пакет базисного программного обеспечения для выполнения функций управления, включая функции обслуживания и наблюдения. Станции обслуживания работают только на соответствующие функции обслуживания и наблюдения. Надежность функционирования станции управления обеспечивается организацией работы одного главного и одного дополнительного компьютеров. В принципе, именно главный компьютер производит собственно обработку данных, а дополнительный компьютер снабжается актуальными данными. Таким образом, он в состоянии при выходе из строя главного компьютера взять на себя выполнение его функций. Рабочие станции системы VS750 соединены друг с другом через локальную сеть. Локальная сеть работает в стандарте Ethernet IEEE802.3 с протоколом TCP/IP.

Для реализации АСУ ТП добычи и транспортировки газа фирма АВВ предлагает свою систему "АВВ MASTER" со следующими основными компонентами: процессорная станция – ADVANT CONTROLLER; операторная станция – ADVANT

STATION/OPERATOR STATION; инженерная станция – ADVANT STATION/INGINEERING STATION; информационная станция – ADVANT STATION/IMS; станция защиты – MASTER SAFEGUARD;

информационная шина – MASTER BUS. Система "АВВ MASTER" нашла широкое применение буквально во всем мире, идеология ее построения обеспечивает высокий, практически стопроцентный уровень надежности. Каждое рабочее место является комплексным (обслуживающим, наблюдательным и инженерным рабочим местом), подключенным к шине системы "АВВ MASTER". Допуск к вторжению во все действия иерархически защищен системой кода. Каждое вторжение в уровень оснащено временным штампом и регистрируется, что позволяет обнаружить несанкционированные вторжения. Все компоненты систе-

204

мы контролируются автоматически, выход из строя сопровождается тревожной сигнализацией. Переход на избыточный элемент и обратно выполняется всегда без перерывов и столкновений.

Фирма АВВ для обеспечения средствами автоматизации локальных объектов предусматривает использование многоконтурного контроллера "MODCELL", позволяющего выполнять усовершенствованное PID регулирование для многочисленных контуров и логическое управление на основе арифметических и реляционных операторов, поддерживать до 32 одноточечных процессоров ввода-вывода на одной плате, обеспечивать связь с верхним уровнем через ISN или MODBUS; поддерживать целый ряд операций преобразований и изоляции входныхвыходных сигналов и т.д.

Фирма BAILEY NORGE для реализации АСУ промыслами ГКМ предлагает свою систему INFI 90. Эта система является распределенной и построена по модульному принципу. Каждый модуль включает в свой состав встроенный микропроцессор, энергонезависимое ОЗУ, переключатели для конфигурации аппаратных средств и выбора адреса модуля, а также коннекторы для ввода-вывода сигналов. INFI 90 имеет встроенную среду экспертной системы, работающую в режиме on-line, позволяющую пользователю работать на языке, приближенном к естественному английскому языку, и способную оперировать вещественными, логическими и неявными переменными. Все это позволяет фирме BAILEY использовать возможности действительно распределенного искусственного интеллекта для управления технологическими процессами.

Для реализации АСУ промыслами ГКМ фирма SIEMENS предлагает использовать свою распределенную систему диспетчерского управления на базе UNIX-SINAUT LSX, которая позволяет реализовать функции от стандартных SCADA до ориентированных на объект применения прикладных задач для различных отраслей. Благодаря распределенной архитектуре и применению международных стандартов в части программных и технических средств систему SINAUT LSX легко можно адаптировать к требованиям конкретного объекта. SINAUT LSX характеризуется следующими существенными особенностями: гибкостью проектирования в соответствии с требованиями отрасли и пожеланиями заказчика; распределенной концепцией размещения технических средств; обеспечением высокого коэффициента эксплуатационной готовности в соответствии с требованиями заказчика; использованием международных стандартов в отношении технических средств (RISC процессоры), операционной системы (система UNIX 5, версия 4), языка программирования (ANSI С), введения данных (реляционный банк дан-

ных RDBMS с интерфейсом SQL), связи (Ethernet IEEE 802.3 (ISO/OSI-

стандарт, TCP/IP); интерфейса пользователя – X-Windows и OSF Motif и т.д.; едиными, ориентированными на работу с окнами, техническими

205

средствами оператора; сквозным проектированием всех данных и параметров; графической визуализацией с использованием окон, масштабированием изображения и подавлением помех; возможностью параметрирования в режиме on-line; защитой от посторонних; открытым интерфейсом для использования программ пользователя. SINAUT LSX состоит, как правило, из главной ЭВМ, ЭВМ управления банком данных и минимум одной ЭВМ АРМ в качестве станции обслуживания и параметрирования. Возможно расширение системы путем подсоединения дополнительных главных ЭВМ и АРМ. Все ЭВМ соединены друг с другом при помощи локальной системы шин (LAN). Все задачи сбора данных и функции автоматизации предлагается выполнять при помощи локальных устройств автоматизации SIMATIC-S5, имеющих различные модификации. SIMATIC-S5-100U, SIMATIC-S5-101U предназначены для решения небольшого объема задач, SIMATIC-S5-115U предназначен для универсального применения при решении задач небольшого и среднего объема. С помощью контроллеров SIMATIC-S5-135U, SIMATIC- S5-155U, SIMATIC- S5-155Н решаются задачи среднего и большого объема. Для программирования контроллеров SIMATIC-S5 используется язык программирования STEP 5. Обслуживание и наблюдение технологического процесса предлагается осуществлять с помощью станции COROS, которая достаточна для удовлетворения нужд АСУ ТП нижнего уровня. Реализация заданий с помощью системы COROS возможна в двух вариантах – COROS LS-A и COROS LS-В. COROS LS-A представляет собой систему обслуживания и контроля на базе персонального компьютера РС MS-DOS для небольших и средних заданий в зонах, близких к технологическому объекту. COROS LS-В является непрерывной системой обслуживания и контроля на базе PC для сложных заданий независимо от пользования ею одним или двумя специалистами.

Фирма SIEMENS в рамках своей программы Totally Integrated Automation (комплексная автоматизация) также разработала систему управления технологическими процессами Process Control System 7 [118, 119]. Данная система в основном базируется на компонентах семейства SIMATC S 7 из разных модификаций (SIMATC S 7-200, SIMATC S 7-300 и т.д.). В рамках этой системы визуализация и контроль процесса осуществляются при помощи средств, имеющих одинаковую пользовательскую оболочку как в центральных диспетчерских пунктах, так и непосредственно на управляемой установке. Настройка всей системы осуществляется централизованно при помощи ПК – ориентированного программного обеспечения, в основе работы которого лежит общая для всей системы база данных. Благодаря использованию компонентов из широкого спектра устройств SIMATC S 7, обеспечивается возможность точной масштабируемости конфигурации, что, в свою очередь, позволяет настраивать отдельные компонен-

206

ты на индивидуальные требования конкретного процесса управления. Применение децентрализованных модулей ввода-вывода и интеллектуальных периферийных устройств промышленного назначения в сочетании с системой промышленной коммуникации Profibus DP отражает современные тенденции по переносу периферийных модулей в непосредственную близость к технологическому процессу. Подсистемы визуализации и обслуживания реализованы на базе мощных персональных компьютеров. Для решения задачи локального управления в непосредственной близости от технологического процесса, в зависимости от условий окружающей среды, могут применяться стандартные персональные компьютеры или панели оператора в соответствующем промышленном исполнении. В центральных пунктах, как правило, применяются системы с архитектурой типа "клиент – сервер", также реализуемые на базе персональных компьютеров различных модификаций. В качестве ОС применяются Windows 95 и MS-Windows последующих модификаций, Windows – NT 4.0 и UNIX.

Фирма Bristol Babcock Inc. предлагает реализовать АСУ промыслами на базе собственной интегрированной сети Network 3000, в состав которой входит полный набор технических и программных средств SCADA. Network 3000 представляет собой многоуровневую систему управления технологическими процессами. На самом нижнем уровне расположены датчики. Сбор информации с датчиков, обработка ее и передача команд управления исполнительным органам осуществляются технологическим контроллером, построенным по модульному принципу. В сети Network 3000 возможно использование до пяти уровней контроллеров. Каждый контроллер вышестоящего способен управлять контроллерами нижестоящего уровня, количество которых может доходить до 127. Таким образом, общее количество контроллеров в сети может достигать 32 767. В состав верхнего уровня входят сеть компьютеров и концентратор данных для сбора информации с нижестоящего уровня. Программное обеспечение Network 3000 состоит из следующих основных частей: программного обеспечения технологических контроллеров; системного программного обеспечения ПЭВМ; программного обеспечения реального времени. Для программирования технологических контроллеров используется язык программирования ACCOL II, разработанный фирмой Bristol Babcock. Для создания программ на языке ACCOL II фирма Bristol Babcock поставляет полный набор средств программирования по созданию, модификации, отладке и тестированию прикладных программ управления процессом. В качестве системного программного обеспечения ПЭВМ предлагается MS-DOS 6.22, MS – Windows 95 и MS-Windows после-

дующих модификаций.

Для программного обеспечения реального времени для ПЭВМ диспетчеров предлагается система FIX/BBI. Она предназначена для орга-

207