SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

АСУ гидроагрегатами ГЭС Балимела

ООО "НПФ "Ракурс"
В статье описывается специфика внедрения систем управления гидроагрегатами, на примере ГЭС Балимела. 


Тема создания систем автоматизации управления процессами гидроагрегатов различных ГЭС многократно обсуждалась и продолжает обсуждаться на самых различных уровнях. Суть задачи уже раскрыта достаточно подробно, поэтому основное внимание в данном материале автор уделяет описанию варианта непосредственно технического исполнения. 
 
Rakurs.jpg
Описание объекта автоматизации

ГЭС Балимела (Индия) - объект в речной долине, предназначенный главным образом для производства электроэнергии. В состав сооружений ГЭС входит земляная плотина длиной 1821 м примерно в 30 км от здания ГЭС. Водохранилище принимает сток водосбора площадью 4910 км2. Вода из водохранилища поступает по подводящему туннелю и каналу в уравнительный резервуар. От уравнительного резервуара отходят четыре напорных туннеля диаметром по 3,7 м. Каждый туннель разветвляется на два напорных трубопровода. 

ГЭС проектировалась на 8 агрегатов по 60 МВт. Первую очередь составили 6 х 60 Мвт агрегатов, установленных и пущенных в 1973-77 гг. В этот же период подготовили здание ГЭС и основания для агрегатов № 7 и 8. Монтаж этих агрегатов - второй очереди - со всем вспомогательным оборудованием ведется в настоящее время. Однако два агрегата второй очереди будут иметь мощность по 75 МВт. 

Агрегаты - вертикальные РО турбины с номинальной выходной мощностью 75 МВт, расходом 28 м3/с, номинальным напором нетто 274,5 м, номинальной частотой вращения 375 об/мин, РК диаметром 2,8 м и быстроходностью 62,5 об/мин. Турбины соединяются с вертикальными 3-фазными, частотой 50 Гц синхронными генераторами мощностью 75 МВт, напряжением 11 кВ.

В качестве фирмы-производителя системы управления гидроагрегатами 7 и 8 Генподрядчик ОАО “Силовые машины” выбрал НПФ “Ракурс”. Генпроектировщиком выступил институт “Ленгидропроект”.

Функции системы управления

Созданная система управления служит для реализации следующих функций:
1_управления пуском и остановкой агрегатов в нормальных и аварийных режимах;
2_реализации гидромехзащит агрегатов;
3_обеспечения работы агрегатов в заданных режимах без вмешательства оперативного персонала;
4_предупредительной и аварийной сигнализации, регистрации неисправностей;
5_контроля температурного состояния гидроагрегатов;
6_аналоговых измерений технологических параметров;
7_контроля положения коммутационных аппаратов;
8_архивирования технологической информации, формирования и печати архива событий;
9_отображения технологической информации и вывода сообщений оператору;
10_регулирования активной и реактивной мощности гидроагрегатов и поддержания величины и частоты напряжения на шинах ГЭС;
11_обеспечения живучести и самодиагностики комплекса технических средств;
12_документирования оперативной информации о работе оборудования, действиях оператора, формирования и печати таблиц параметров, сменной, суточной ведомостей;
13_архивации и накопления информации.

Система формирует следующие управляющие воздействия:

по гидротурбине:
- регулятором частоты вращения;
- сервомоторами направляющего аппарата;
- основным и резервным насосами маслонапорной установки системы регулирования и устройством автоматической подкачки воздуха для поддержания давления и рабочего объема масла в гидроаккумуляторе;
- клапаном аварийного закрытия направляющего аппарата;
- лекажным насосом откачки масла;
- предтурбинным шаровым затвором и его маслонасосным агрегатом.

По генератору:
- управление системой тиристорного возбуждения генератора;
- изменение напряжения и реактивной мощности генератора;
- управление торможением гидроагрегата при остановке;
- управление пожаротушением генератора.

По гидроагрегату в целом выполняются:
- управление механизмами технического водоснабжения (ТВС).
- формирование и передача оператору ГЭС полной информации о текущих режимах, параметрах режима и состоянии гидроагрегата и его вспомогательных устройств.
- формирование, регистрация и выдача аварийных и предупредительных сигналов при возникновении в системе управления агрегатом неисправностей или ненормальных режимов работы.

Указанные выше воздействия и функции выполняются исполнительными механизмами в соответствии с алгоритмами управления гидроагрегатом. Информация для оператора представляется на устройствах отображения (компьютерах и программируемых терминалах) в машинном зале и на ЦПУ в виде световых и текстовых сообщений, а также звуковой сигнализации. 

Состав системы

Созданная система управления состоит из:
1_шкафов управления агрегатами ШУА ГА7 и ШУА;
2_шкафов систем измерения и сигнализации СИС ГА7 и СИС;
3_стойки сервера;
4_столов оператора в ЦПУ и машинном зале;
5_инженерной станции.
Назначение каждого из перечисленных устройств приведено ниже.

Шкафы управления агрегатами предназначены для:
- сбора дискретной и аналоговой информации;
- контроля постоянной готовности остановленного агрегата к пуску;
- автоматического выполнения всех необходимых операций по пуску и остановке агрегата;
- обеспечения работы агрегата в заданном режиме без вмешательства оперативного персонала; 
- постоянного контроля состояния агрегата и его вспомогательных механизмов; 
- защиты агрегата от механических повреждений и ненормальных режимов работы (гидромеханические защиты).

В связи с повышенными требованиями к безотказной работе, в шкафах ШУА установлены контроллеры, обеспечивающие резервирование наиболее важных подсистем.

Шкафы систем измерения и сигнализации выполняют функции:
- температурного контроля (термоконтроль);
- электрических измерений;
- гидротехнических измерений;
- сигнализации;
- ввода и вывода управляющих воздействий (аналоговых и дискретных).

Стойка сервера. Функции стойки сервера заключаются в:
- периодическом опросе истории событий с контроллеров;
- накоплении базы данных истории событий;
- накоплении базы данных аналоговых параметров;
- выполнении запросов на получение данных от рабочих станций оператора.

Столы оператора предназначены для размещения автоматизированных рабочих мест оператора (АРМ), выполняющих функции:
- дистанционного управления агрегатами;
- ввода и отображения информации по системе термоконтроля и измерений агрегатов;
- ввода и отображения информации по системе сигнализации ГЭС;
- ввода и отображения информации по гидротехническим измерениям;
- контроля и управления коммутационными аппаратами гидроагрегата;
- отображения информации состояний генератора и вспомогательных устройств с представлением мнемосхем, таблиц и графиков регистрируемых параметров, диаграмм мощности и другой оперативной информации;
- формирования активной мнемосхемы гидроагрегатов;
- формирования и представления сообщений;
- формирования и печати отчетов.

Инженерная станция (компьютер Laptop), поставляемая в составе системы управления, выполняет следующие функции:
- программирование и отладка программ контроллеров системы управления;
- программирование NS-терминалов;
- программирование и настройка SCADA-систем;
- настройка сети;
- организация дополнительного АРМ оператора в случае необходимости;
- анализ данных, накопленных системой управления в процессе эксплуатации;
- подготовка документов.

Используемые технические средства

Основными устройствами системы управления являются программируемые контроллеры фирмы “Omron”. При этом, в зависимости от требований к подсистеме, используются два типа PLC: CS1H и CS1D.

Контроллер CS1H
PLC CS1H установлен в шкафах СИС. Он является высокопроизводительным и надежным контроллером с большим объемом памяти, развитой системой команд и широким спектром устройств ввода-вывода. Непосредственно в корзину контроллера установлены:
- модули дискретного ввода-вывода;
- модуль Ethernet;
- модуль процессора;
- модуль питания;
- мастер-модуль сети Device Net;
- дополнительная коммуникационная плата для обмена информацией с системой сбора данных CCD.

Удаленные модули сети Device Net, которые установлены непосредственно в шкафу СИС, предназначены для ввода токовых аналоговых сигналов и выдачи сигналов аналогового управления.
Достоинством этих модулей является надежность, высокая скорость опроса и гальваническая развязка между изолированными цепями 500В.

Для ввода в контроллер сигналов температур используется система сбора данных CCD. Она включает в себя пять концентраторов, к каждому из которых подключены 16 цифровых измерительных преобразователей (ЦИП). К каждому ЦИП подключается один датчик. ЦИП постоянно производит измерение выходного сигнала подключенного к нему датчика, фильтрацию сигнала от периодических помех промышленной частоты и преобразование полученного значения в цифровой код. 

Концентраторы передают полученную от ЦИП информацию контроллеру по интерфейсу RS-422. Невысокая (по сравнению с сетью Device Net) скорость опроса (0,5 сек на цикл), в отношении приема сигналов температур является вполне достаточной. К достоинствам CCD можно отнести высокую диэлектрическую прочность (5000 В для ЦИП и 1000 В для концентратора) и резервирование портов связи с контроллером.

Контроллер CS1D
В связи с тем, что к системе управления предъявляются повышенные требования по безотказной работе, в шкафах управления гидроагрегатами используются дублированные контроллеры CS1D фирмы “Omron”. 

CS1D - это серия программируемых контроллеров повышенной надежности. Используя резервирование модулей процессора, модулей питания, модулей связи и модулей ввода-вывода, CS1D может продолжать управление процессом и восстанавливаться без перезагрузки всей системы даже после сбоя в работе или выхода из строя какого-либо из модулей контроллера. Поддержка “горячей замены” позволяет менять модули без отключения контроллера.

Терминалы
Как на шкафах ШУА, так и на шкафах СИС установлены программируемые 256-цветные терминалы NS10 с размером экрана 10".
Использование NS - терминалов позволяет:
- отображать в графическом и текстовом формате параметры технологического процесса, состояние оборудования и системы управления;
- отображать состояние исполнительных механизмов, коммутационной аппаратуры и др.;
- вводить и корректировать необходимую информацию;
- осуществлять ручное управление оборудованием;
- отказаться от использования сигнальных ламп и кнопок управления;
- осуществлять защиту от несанкционированного доступа с терминала.

Связь между компонентами системы

К подсистеме связи системы управления предъявляются следующие требования:
- высокая пропускная способность;
- высокая отказоустойчивость, то есть способность при отказе одного или нескольких узлов или линий связи сохранять работоспособность;
- расширяемость, то есть простота добавления в сеть систем управления другими гидроагрегатами;
- питание переключателей (switch) должно осуществляться постоянным напряжением 24 VDC;
- участок трассы от ЦПУ до машинного зала необходимо прокладывать оптоволоконной линией связи.

Всем этим требованиям отвечает сеть стандарта Fast Ethernet. Высокая отказоустойчивость сети достигается за счет использования управляемых переключателей Ethernet ED6008 компании “Moxa”. Каждый переключатель имеет два оптических порта, с помощью которых реализуется построение системы по топологии “кольцо”. При этом используется технология Moxa Turbo Ring со временем полного восстановления в случае обрыва линии связи 300 мсек.
Из рис. 1 видно, что, контроллер CS1D связан с переключателями Ethernet как в шкафу ШУА ГА7, так и ШУА ГА8. Этим достигается резервирование на случай отказа переключателя ED6008. В стойке сервера также для повышения надежности используется два переключателя. Связь Терминал-переключатель используется для удаленного программирования терминалов.

Rakurs2.jpg

Организация питания системы управления

Питание СКУ осуществляется с помощью переменного питания 415 VAC +10% -15% или от постоянного бесперебойного питания =220V. Трехфазному переменному напряжению 415VAC соответствует однофазное переменное напряжение 240VAC. 

При этом должна быть обеспечена беспрерывная работа системы управления при пропадании напряжения на одном из входов или при переключении схемы АВР. Это требование распространяется на все шкафы управления и на стойку сервера.

Для выполнения этих требований были использованы специальные схемотехнические решения, с помощью которых напряжения с обоих входов подаются на блоки питания с выходным напряжением = 24В. Это напряжение используется для питания контроллеров, преобразователей сигналов, переключателей Ethernet, входных дискретных сигналов, выходных реле.

В стойке сервера напряжение = 24В используется для питания системного блока сервера, в который устанавливается блок питания с соответствующим входным напряжением. Этим достигается бесперебойная работа системы управления при пропадании напряжения на одном из вводов.

Используемое программное обеспечение

При создании системы управления использовалось следующее программное обеспечение:
CX-programmer v5.0 
Это пакет программ для программирования контроллеров фирмы “Omron”. Позволяет производить отладку программ и редактирование в on-line режиме. Программа пишется на языке релейно-контактных схем, чем достигается высокая наглядность и низкая вероятность ошибок при программировании. 

CX -supervisor
Пакет программ для создания SCADA-систем. Позволяет быстро создавать эффективные и наглядные системы. 

NS-designer
Программный пакет для программирования терминалов серии NS. 

Утилиты настройки переключателей Moxa
Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с переключателями ED6008 , позволяет настраивать режим работы сети таким образом, чтобы минимизировать время восстановления в случае обрыва линии связи или выхода из строя одного из переключателей.

Выводы

Созданная система управления удовлетворяет всем требованиям технического задания и обеспечивает:
- удобство работы оператора;
- модернизируемость и расширяемость;
- быструю реакцию на действия оператора;
- высокую надежность;
- высокую вычислительную мощность;
- возможность анализа функционирования объекта управления во всех режимах;
- полное резервирование наиболее важных подсистем;
- ремонтопригодность. 
Гарантийные обязательства на данную систему составляют два года с момента приема системы в эксплуатацию.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(8)_2005

К. А. Коршиков,
ООО "НПФ "Ракурс" , г. Санкт-Петербург,
тел.: (812) 252-59-09, факс: (812) 252-59-70 , 
E-mail: mihaylova@rakurs.com