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 ТП водоподготовительной установки Архангельского ЦБК

В настоящей статье рассматриваются некоторые аспекты разработки и результаты внедрения АСУ ТП водоподготовительной установки на ОАО “Архангельский ЦБК”.

ООО "НПФ "Ракурс"

Rakurs_site.gif


1_.jpg

В 2004 - 2005 гг. специалистами ООО “НПФ “Ракурс” проводились работы по созданию автоматизированной системы управления технологическим процессом водоподготовительной установки производительностью 700 т/ч (АСУ ТП ВПУ-700) на ТЭС-1 Архангельского ЦБК (АЦБК) в городе Новодвинске.

Внедрение АСУ ТП ВПУ-700 для АЦБК стало очередным этапом модернизации систем управления технологическими процессами ТЭС-1, призванным существенно повысить качество продукции и обеспечить стабильность режима работы ТЭС в целом.

Разработка и внедрение АСУ ТП оказалась задачей непростой, поскольку необходимо было выполнить полный цикл проектно-конструкторских работ по автоматизации ВПУ, изготовить полный комплект проектной документации и актуальных технологических схем по самой водоподготовительной установке, разработать принципы контроля и управления параметрами технологического процесса, разработать, внедрить и отладить алгоритмы автоматического и автоматизированного управления основным и вспомогательным оборудованием.

Персонал химического цеха никогда ранее не работал с автоматизированными системами и не представлял, какие возможности для управления качеством продукции он получит от внедрения АСУ ТП. Однако, именно опыт и желание работников АЦБК повысить свою культуру труда помогали создать современную, надежную АСУ ТП. 

Специалисты ООО “НПФ “Ракурс” успешно выполнили полный комплекс работ по созданию и внедрению АСУ ТП на объекте, на котором ранее никогда не было подобных систем.

Внедрение АСУ ТП проводилось в несколько этапов без остановки процесса водоподготовки, что потребовало составления подробного графика (с точностью до дня) останова оборудования, проведения монтажных, пусконаладочных работ. На отдельных важных участках установки оказалось необходимым производить монтаж и включение временных схем управления оборудованием, чтобы обеспечить бесперебойность работы.


Назначение и цели создания АСУ ТП

АСУ ТП является комплексной системой, охватывающей все элементы водоподготовительной установки и дополнительного цехового оборудования. Система предназначена для управления процессом водоподготовки, автоматизированного контроля и регулирования технологических параметров, защиты оборудования ВПУ-700 ТЭС-1 ОАО “Архангельский ЦБК”.

Целью разработки являлось создание АСУ ТП на базе программно-технического комплекса (ПТК) “Апогей”, с применением промышленных контроллеров и других средств вычислительной техники, обеспечивающей:
к эффективную работу объекта управления, повышение уровня безопасности и безаварийности технологического процесса;
- адаптивность к возможным изменениям технологического процесса и алгоритмов управления, сокращение затрат времени на ориентацию персонала в режимной и оперативной обстановке, своевременное выявление неполадок и отклонений;
- проведение оперативного контроля и принятие управленческих решений на основе анализа поступающей информации о состоянии технологического процесса;
- предотвращение ошибочных действий персонала путем своевременной сигнализации и блокирования ошибочных команд управления;
- автоматическое предотвращение развития аварийных ситуаций;
- проведение анализа изменения технологических параметров и прогнозирование оптимальных режимов работы оборудования;
- улучшение культуры труда оперативного и обслуживающего персонала.


Характеристика объекта автоматизации

Объектом автоматизации является ВПУ ТЭС-1, предназначенная для подготовки питательной воды котлов ТЭС-1. Структурная схема ВПУ представлена на рис. 1. 

Ris.1_small.png

Рис. 1. Структурная схема ВПУ ОАО "Архангельский ЦБК"
(чтобы увеличить схему, нажмите на нее)

Спецификой данной ВПУ является большое разнообразие типов основного и вспомогательного оборудования, наличие поперечных связей между группами однотипного оборудования, наличие промежуточных баков. 

В качестве исходной воды используется вода, получаемая из котельного и турбинного цехов; подпитка осуществляется сырой водой из реки Северная Двина. Качественные параметры исходной воды очень “сложные” и, кроме того, подвержены сезонным колебаниям, а требования к качеству питательной воды предъявляются очень высокие.

Установка условно подразделяется на два потока ВПУ-250 и ВПУ-500. 

В каждом из потоков производится предварительная очистка воды методом коагуляции с дозированием щелочи, глинозема и полиакриламида, механическая очистка и химическая очистка в противоточных фильтрах четырех типов.

В технологическом процессе также присутствуют периодические операции по регенерации и промывке фильтров всех типов, восстановительной обработке ионообменных смол.


Функции, выполняемые АСУ ТП

АСУ ТП ВПУ-700 обеспечивает выполнение всех функций современных автоматизированных систем:
1) информационно-измерительные;
2) информационно-расчетные;
3) технологических защит и блокировок;
4) автоматического регулирования;
5) дистанционного управления;
6) программно-логического управления;
7 проверок и диагностики оборудования АСУ ТП.

Кроме того, ПТК, поставляемый в составе АСУ ТП, обеспечивает:
- автоматический режим работы (автоматизированный в случае наличия различных неавтоматизированных операций);
- автоматическое поддержание всех необходимых параметров, согласно технологической карте;
- автоматизированное переключение между режимами работы оборудования и поддержание режимов;
- автоматический останов отдельных узлов ВПУ по команде оператора или при срабатывании защит;
- управление оборудованием в дистанционном и автоматическом режимах работы.


Техническая реализация СУ ТП ВПУ-700

Упрощенная структурная схема АСУ ТП показана на рис. 2. 

Ris.2_small.png

Рис. 2. Упрощенная структурная схема АСУ ТП ОАО "Архангельский ЦБК"
(чтобы увеличить схему, нажмите на нее)

В состав системы управления входят:
1. ПТК "Апогей", в составе:
- один пульт оператора;
- одна рабочая станция оператора-технолога;
- один пульт инженерной станции;
- один шкаф источников бесперебойного питания;
- один шкаф сервера;
- два шкафа управления;
- 6 шкафов управления насосами - дозаторами;
- 32 щита удаленных модулей (для управления арматурой и насосами);
- 19 сборок компонентов системы сбора данных (для приема аналоговых сигналов).

2. Кабельные связи между шкафами. Общая протяженность управляющих и информационных сетей составляет 2000 м.


Принципы построения АСУ ТП ВПУ-700

Для управления оборудованием водоподготовительной установки требуется АСУ ТП, обладающая высокой степенью надежности комплекса технических средств, гибкостью настройки всех алгоритмов и регуляторов, широкими возможностями по представлению текущей и архивной информации о состоянии объекта, режимах работы и параметров технологического процесса.

АСУ ТП ВПУ-700 имеет высокие показатели надежности, поскольку при ее создании использовались системные методы обеспечения надежности:
- построение АСУ ТП в виде функционально распределенной структуры;
- выбор ремонтопригодных технических средств с наиболее высокими показателями наработки на отказ;
- реализация в ПТК возможности подключения дополнительных датчиков и исполнительных механизмов (до 10% резерва по входам/выходам);
- реализация в ПТК функций автоматической диагностики исправного состояния комплекса технических средств ПТК, целостности сетей;
- включение в состав АСУ ТП аварийных средств управления для возможности управления объекта персоналом, при полном отказе ПТК;
- обеспечение бесперебойного питания АСУ ТП;
- реализация мер по обеспечению помехозащищенности ПТК (экранирование кодовых и слаботочных сигнальных связей, выполнение требуемых для ПТК правил заземления);
- дублирование отдельных сетей, маршрутизация потока информации по дублирующим или альтернативным сетям в случае неисправности основных сетей;
- хранение программ и наиболее важных данных в энергонезависимой памяти;
- организация защиты данных и программного обеспечения (ПО) от несанкционированного доступа.


Элементная база АСУ ТП

При создании АСУ ТП специалисты НПФ “Ракурс” применили современный комплекс технических средств. Применение нового интеллектуального и дорогостоящего управляющего и полевого оборудования стало возможным благодаря тому, что ТЭС-1 ОАО “АЦБК” активно сотрудничает с производителями и поставщиками оборудования Omron, Jumo, Samson, Аpmatek; имеет опыт обслуживания и эксплуатации оборудования указанных фирм и систем автоматики, построенных на их базе.

В ПТК “Апогей”, на котором построена АСУ ТП, используются программируемые контроллеры и промышленные терминалы фирмы “Omron”. 

Система бесперебойного питания построена на базе двух ИБП MGE с разделением питания между функциональными группами оборудования и временем работы от батарей 30 минут.

В cистеме, кроме этого, используются удаленные сетевые модули дискретного ввода/вывода Omron, частотно-регулируемые приводы Yaskawa, изделия производства ООО “НПФ “Ракурс”.


Полевое оборудование АСУ ТП

Внедрение АСУ ТП сыграло положительную роль для полевого оборудования химцеха. При внедрении АСУ ТП установлено более сотни новых электроприводов на позициях, ранее не автоматизированных, произведена ревизия, наладка всей арматуры, замена пусковой и пускорегулирующей аппаратуры насосов. 

Особое внимание было уделено качеству регулирующей арматуры. Для улучшения качества регулирования параметров технологического процесса почти все регулирующие клапаны были заново рассчитаны и заменены.

Произведена ревизия и наладка всего КИПа, введено около 50 новых точек контроля технологических параметров, позволяющих вести эффективное регулирование параметров технологических параметров. 

Водоподготовительная установка занимает площадь 7200 м². На этой территории, помимо основного и вспомогательного технологического оборудования, установлены: 230 различных датчиков параметров технологического процесса, 50 насосов, 16 насосов - дозаторов с частотным управлением, 37 регулирующих клапанов, 450 задвижек.


Особенности технической реализации

Пульт оператора рассчитан на одновременную работу двух операторов ВПУ-700 , при этом с любого из операторских мест можно осуществлять мониторинг всего технологического процесса и управление любым оборудованием. Кроме этого, установлена Станция оператора-технолога (начальника смены) и инженерная станция.

В состав ПТК “Апогей” входит четыре программируемых микроконтроллера Omron серии CS1. Распределение основного и вспомогательного оборудования между контроллерами производилось по функционально - групповому признаку с элементами дублирования всех информационных и отдельных управляющих функций.

Управление исполнительными механизмами производится с помощью удаленных сетевых модулей дискретного ввода/вывода Device Net, при этом каждый из микроконтроллеров имеет две независимые сети Device Net, для каждого из потоков ВПУ-250 и ВПУ-500 (всего таких сетей восемь). Такое распределение, в комплексе с продуманной топологией сетей и защитой кабелей связи и питания от механических повреждений, обеспечивает высокую скорость и надежность управления оборудованием, позволяет минимизировать последствия аварийных событий в кабельных связях, время поиска и устранения неисправности.

Прием аналоговых сигналов от датчиков производится с помощью удаленных сетевых модулей аналогового ввода разработки НПФ “Ракурс”. Передача данных от модулей аналогового ввода производится по сети RS-422, при этом каждый из модулей аналогового ввода передает информацию о состоянии объекта в два разных контроллера по дублированной сети. Время полного обновления информации по всем аналоговым входам составляет 0,6 секунды. При этом, в случае обрыва или неисправности одной из двух дублированных сетей, вся информация о состоянии параметров технологического процесса собирается по резервной сети и предоставляется оператору.

Управление производительностью насосов-дозаторов производится с помощью частотно-регулируемых приводов Yaskawa с большой глубиной регулирования. Такие насосы установлены на узлах приготовления и дозирования реагентов в исходную воду и в осветлители.


Особенности реализации алгоритмов контроля и управления

Алгоритмическое обеспечение АСУ ТП включает в свой состав набор алгоритмов, охватывающих все узлы и задачи ВПУ.
Все алгоритмы можно разделить на категории:
1. Алгоритмы управления непрерывными процессами.
К этой категории относятся алгоритмы регулирования технологических параметров работы основного оборудования, комплекс алгоритмов управления нагрузкой и производительностью всех узлов ВПУ и ВПУ в целом.

2. Алгоритмы выполнения периодических процедур.
К этой категории относятся алгоритмы автоматических промывок и регенераций фильтров.
Окно настройки и мониторинга алгоритма отмывки и регенерации Н-противоточного фильтра показано на рис. 3.

3. Технологические защиты и блокировки.
К этой категории относятся всевозможные АВР, блокировки пусков насосов в зависимости от уровней в промежуточных баках, блокировки проведения периодических процедур.

3.jpg

Рис. 3. Окно настройки и мониторинга алгоритма отмывки и регенерации Н-противоточного фильтра



Новые возможности для персонала ВПУ-700

Для оперативного персонала

АСУ ТП ВПУ-700 позволяет оператору в доступной и наглядной форме производить со станции оператора:
- мониторинг текущего состояния технологического процесса;
- дистанционное управление механизмами;
- управление задатчиками регуляторов;
- выбор режимов работы оборудования;
- анализы работы технологических защит;
- просмотр текущих контролируемых событий и расчетных параметров;
- просмотр регистрируемой и архивируемой информации.

Для оператора предусмотрена световая и звуковая сигнализации, цветовое кодирование состояния, исправности, режима работы оборудования.


Для технологического персонала

Технологический персонал имеет возможность с помощью АСУ ТП:
- контролировать и задавать параметры узлов отдельно и ВПУ в целом согласно режимным картам как имеющимся в памяти АСУ ТП, так и пользовательским;
- гибко настраивать структуру и параметры регуляторов как локальных, так и регуляторов производительности узлов отдельно и ВПУ в целом;
- выбирать и назначать основное/резервное оборудование;
- производить анализ работы ВПУ по различным показателям, основываясь на архивных данных, представленных в виде таблиц и графиков;
- использовать существующие и создавать новые виды отчетных документов.

Станция начальника смены предоставляет те же возможности, что и станция оператора за исключением функций управления.


Для персонала, обслуживающего АСУ ТП

АСУ ТП оснащена средствами непрерывной самодиагностики и способна предоставлять обслуживающему персоналу информацию о выходе из строя элементов системы с локализацией до блока, механизма. 

Персонал, обслуживающий АСУ ТП, прошел подготовку в Учебном центре “НПФ "Ракурс”.

В состав АСУ ТП включена инженерная станция, с помощью которой обслуживающий персонал может проводить профилактические и обслуживающие мероприятия, диагностику комплекса технических средств, вносить изменения в алгоритмическое обеспечение АСУ ТП, проводить периодическую поверку ПТК “Апогей”, внесенного в государственный реестр средств измерений.


Для диспетчеров производства

На АЦБК действует развитая система оперативно-диспетчерского управления.

АСУ ТП ВПУ-700 обеспечивает хранение данных на собственном сервере в формате, пригодном для передачи информации по компьютерной сети предприятия от сервера АСУ ТП на сервер системы оперативно-диспетчерского управления энергохозяйства.

Таблица. Технологические гарантии, взятые ООО "НПФ "Ракурс" при создании АСУ ТП ВПУ-700

tabl.jpg

После внедрения АСУ ТП, диспетчера производства получили возможность в режиме реального времени контролировать качественные и количественные показатели работы ВПУ, анализировать архивные данные, представляемые в виде различных отчетов и ведомостей.


Заключение

В ноябре 2005 года работы по созданию АСУ ТП ВПУ-700 были завершены, и система была передана в опытно-промышленную эксплуатацию.

Постоянно растущие требования к качеству продукции и снижению затрат на собственные нужды производства предполагают возможность совершенствования системы. АСУ ТП ВПУ-700 предоставляют такую возможность технологам и инженерам АСУ ТЭС-1.Уже в первом квартале 2006 года в состав программного обеспечения АСУ ТП будут включены такие важные алгоритмы, как управление производительностью ВПУ и управление нагрузкой ВПУ в целом и всеми узлами по отдельности.

В будущем возможно подключение дополнительного оборудования к АСУ ТП, наращивание сетей, добавление новых функциональных блоков, реализация новых алгоритмов.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(9)_2006

А.А. Сушков,
ООО "НПФ "Ракурс", г. Санкт-Петербург, 
тел.: (812) 252-5928, 
E-mail: rakurs@rakurs.com