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.

Принципы построения и реализация проекта ПТК АСУ ТП Белгородской ТЭЦ

В статье рассматриваются внутреннее устройство и принципы функционирования основных составных частей программно-аппаратного комплекса АСУ ТП Белгородской ТЭЦ.

ООО «НПФ «Ракурс», г. Санкт-Петербург

Rakurs_site.gif

В августе 2006 года на Белгородской ТЭЦ (рис. 1) начались работы по строительству газотурбинных установок (ГТУ), проектной мощностью 33 МВт каждая. Строительство ГТУ на базе Белгородской ТЭЦ проводилось в рамках инвестиционной программы ОАО «ТГК-4», на реализацию которой по официальным сообщениям филиала ОАО «ТГК-4» — Белгородская региональная генерация» было затрачено 1,4 млрд руб.

pic1.jpg

Рис. 1. Белгородская ТЭЦ

Чуть более года понадобилось на реализацию такого крупномасштабного проекта. В октябре 2007 года прошел пробный пуск газотурбинных установок, а в ноябре — газотурбинная станция введена в опытно-промышленную эксплуатацию. Расширение Белгородской ТЭЦ позволило обеспечить энергобезопасность объектов инфраструктуры города Белгорода.

Бесперебойную работу современной электростанции невозможно представить без автоматизированной системы управления производственными процессами, отвечающей самым высоким требованиям безопасности и отказоустойчивости. В соответствии с договором петербургская «Научно-производственная фирма «Ракурс» выполнила разработку конструкторской, эксплуатационной документации и программного обеспечения, изготовление, монтаж, наладку и ввод в эксплуатацию программно-технического комплекса (ПТК) автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) Белгородской ТЭЦ, которая является полномасштабной АСУ ТП тепломеханической и электротехнической частей станции.

ПТК АСУ ТП Белгородской ТЭЦ построен на базе программно-технического измерительного комплекса (ПТК) «Апогей», который разработан и производится НПФ «Ракурс» в соответствии  с ТУ 4252-003-27462912-04.


Объекты автоматизации и их основные особенности

Объектами автоматизации ПТК являются две газотурбинные установки (ГТУ), два газодожимных компрессора (ГДК) и пункт подготовки газа (ППГ), которые управляются локальными САУ, а также два котла-утилизатора (КУВ), электротехническое оборудование (КРУЭ-110 кВ, РУСН-6 кВ, РУСН-0,4 кВ), два трансформатора связи энергоблоков и старое оборудование существующей части ТЭЦ. ГТУ и КУВ образуют энергоблок. В объеме расширяемой части — два энергоблока по 30 МВт.

Работа всех объектов автоматизации связана общим технологическим процессом выработки электрической и тепловой энергии. Одной из основных особенностей и главной задачей, которую должны были решить специалисты НПФ «Ракурс», стал вопрос создания ЕДИНОЙ автоматизированной системы управления для обеспечения эффективного согласованного управления оборудованием и агрегатами Белгородской ТЭЦ. 

Объекты автоматизации ПТК расположены рассредоточено на территории ТЭЦ. Это явилось предпосылкой формулирования задачи по снижению протяженности кабельных трасс от объектов до шкафов ввода/вывода ПТК для сокращения затрат на реализацию АСУ ТП Белгородской ТЭЦ.

Часть объектов оборудована локальными САУ, которые представляют собой автономные системы управления. Локальные системы реализованы на разных средствах автоматизации. Поэтому следующая задача, которая была сформулирована, — это интеграция в ПТК локальных САУ по совместимым с их аппаратными и программными средствами цифровым протоколам (Profibus-DP, Modbus-RTU, OPC).

Внедрение ПТК АСУ ТП Белгородской ТЭЦ позволило успешно решить все задачи, связанные с особенностями объектов автоматизации, путем организации единого интерфейса оператора, применения удаленного ввода/вывода сигналов и обеспечения связи с САУ по различным стандартным цифровым протоколам.


Структура ПТК Белгородской ТЭЦ

ПТК Белгородской ТЭЦ разработана на базе системы PCS7 фирмы Siemens с применением дублированных контроллеров  S7-417H. ПТК представляет собой двухуровневую распределенную систему управления, состоящую из нижнего и верхнего уровней. Структура ПТК БТЭЦ представлена на рис. 2.

pic2.jpg

Рис. 2. Структура ПТК Белгородской ТЭЦ

Нижний уровень ПТК состоит из четырех подсистем:
- энергоблока № 1, управляющая САУ ГТУ-1,оборудованием КУВ-1, САУ ГДК-1 и электротехническим оборудованием блока 1;
- энергоблока № 2, управляющая САУ ГТУ-2,оборудованием КУВ-2 и САУ ГДК-2 и электротехническим оборудованием блока 2;
- управления оборудованием существующей части ТЭЦ;
- управления общестанционным тепломеханическим и электротехническим оборудованием, САУ ППГ.

Подсистемы нижнего уровня включают в свой состав дублированный контроллер (ПЛК), который представляет собой два специальных контроллера, работающих в паре. Контроллеры соединены между собой дублированной оптоволоконной линией связи, по которой осуществляется синхронизация контроллеров между собой. Один из контроллеров всегда работает в режиме «основной», второй — в режиме «резервный». В случае сбоя в работе основного контроллера, резервный перехватывает на себя управление.

Контроллеры связаны между собой по дублированной системной шине, выполненной в виде двойного кольца сети Fast Ethernet и реализованной с помощью специальных сетевых коммутаторов Siemens ESM TP40, поддерживающих кольцевую топологию сети. По системной шине контроллеры связаны с верхним уровнем ПТК БТЭЦ через дублированный сервер ввода/вывода (Сервер 1 и Сервер 2 на рис. 2).

Распределенный ввод/вывод осуществляется через удаленные контроллерные станции ввода/вывода Siemens ET200M по дублированной управляющей сети Profibus-DP. Контроллерные станции ввода/вывода размещаются вблизи мест подключения к технологическому оборудованию и подключены двумя линиями к дублированным контроллерам: каждый из двух процессоров контроллера соединен независимо со всеми удаленными контроллерными станциями ввода/вывода своей подсистемы. В контроллерных станциях установлены два коммуникационных модуля: один — в работе, второй — в резерве. 

В результате в ПТК было реализовано стандартное и отработанное для контроллеров фирмы Siemens решение, обеспечивающее повышенную отказоустойчивость системы: при возникновении неисправности или выходе из строя одного из компонентов системы управления исправно работающие резервные компоненты берут на себя продолжение выполнения задачи управления.

Применение в ПТК дублированных контроллеров позволило реализовать подсистему технологических защит и защитных блокировок в соответствии с предъявляемыми к таким подсистемам требованиями «живучести» системы. 

Другим немаловажным элементом отказоустойчивой системы является кабель сети Profibus-DP. В ПТК Белгородской ТЭЦ используется оптоволоконный кабель. Необходимость такого решения была обусловлена тем, что в данном проекте требовалось обеспечить, во-первых, помехозащищенность сети Profibus-DP в условиях прокладки части линий связи вне зданий корпусов ТЭЦ, во-вторых, максимальную пропускную способность сети Profibus-DP (до 12 Мб/сек). Протяженность линий связи сетей Profibus-DP составляет более 2,5 км, больше половины кабельных трасс проходит по улице. Объем сигналов ввода/вывода удаленных контроллерных станций составляет 3327 сигналов, из них 600 сигналов — аналоговые.

Связь с локальными САУ ГТУ, ГДК и ППГ осуществляется на нижнем уровне ПТК физическими сигналами и по цифровому протоколу. Физическими сигналами выполнено управление технологическими установками на агрегатном уровне. По цифровому протоколу реализован прием данных о ходе технологического процесса, а также выполнено управление оборудованием ППГ. САУ ГТУ подключены по протоколу Modbus-RTU,  а САУ ГДК и ППГ — по протоколу Profibus-DP.

Верхний уровень ПТК БТЭЦ включает в свой состав:
- дублированный сервер ввода/вывода (СВВ);
- станцию архивирования;
- станцию связи;
- систему единого времени (СЕВ);
- инженерную станцию;
- автоматизированные рабочие места (АРМы).


Дублированный сервер ввода/вывода

Основным устройством, подключенным к системной шине, является дублированный сервер ввода/вывода, который состоит из двух физически независимых серверов. В единый момент времени один из них является основным, а другой резервным. При выходе по каким-либо причинам основного сервера из информационного обмена происходит активация режима «горячей подмены», то есть резервный сервер принимает на себя функции основного. При восстановлении работоспособности основного сервера в автоматическом режиме происходит актуализация архивных данных. Реализацию этой функции обеспечивает программный модуль Siemens пакета PCS7 S7-REDCONNECT/2005, используя для этого системную шину и нуль-модемный кабель, подключенный к COM портам серверов. Сервер ввода/вывода проводит опрос всех ПЛК по системной шине и предоставляет полученные данные оборудованию верхнего уровня по терминальной шине.

Терминальная шина выполнена в виде двух сегментов, к которым подключены компьютеры АРМов, серверы ввода/вывода, станции архивирования, связи и инженерная станция. Для подключения к двум сегментам в компьютерах предусмотрены два сетевых порта Ethernet, работающих под одним IP-адресом с помощью сетевого моста. В случае выхода из строя одного из сегментов связь обеспечит исправный сегмент без перебоя в работе ПТК.


Станция архивирования

Станция архивирования предназначена для хранения значений аналоговых параметров и событийной истории, получаемой от сервера ввода/вывода. Внутрисистемные данные сервер получает с ПЛК через системную шину, а данные по ОРС-протоколу — со станции связи по терминальной шине. Полученная информация упорядочивается и сохраняется на сервере ввода/вывода за небольшой период времени. С заданной периодичностью эти данные передаются на станцию архивирования для долговременного хранения. При необходимости отображения на АРМе архивной информации запрос передается на станцию архивирования.

Данные событийной истории обладают собственной меткой времени, формируемой в момент возникновения самого события в ПЛК. Данные аналоговых параметров получают метку времени при их фиксации на сервере ввода/вывода при циклическом опросе ПЛК.

Архивирование событий и аналоговой истории осуществляется на станции архивирования под управлением Microsoft SQL Server, входящего в состав пакета PCS7. Время хранения архивных данных на станции архивирования составляет несколько месяцев.


Станция связи

Станция связи предназначена для соединения с внешними информационными системами и обеспечивает передачу данных в систему телемеханики для дальнейшей передачи в РДУ; прием данных с серверов релейной защиты и автоматики, с сервера САУ паровых котлов существующей части ТЭЦ и с узла учета сетевой воды.


Система единого времени

Система единого времени реализована с помощью устройства синхронизации времени Siemens Siclock TM с антенной-приемником GPS. Siclock принимает сигнал точного времени со спутника GPS и синхронизирует свои часы. Далее по интерфейсу Ethernet через системную шину Siclock выдает сигналы точного времени. Контроллеры и серверы ввода/вывода принимают сигнал точного времени по системной шине от Siclock и синхронизируют свое время. Точность синхронизации времени внутри ПТК — 1 мс.

Серверы ввода/вывода настроены как серверы NTP для терминальной шины. От серверов синхронизируются компьютеры, подключенные к терминальной шине. 

Для синхронизации внешних локальных САУ используются дискретные выходные сигналы 24 В с выходных модулей ПЛК; для развязки используются полупроводниковые реле. Для синхронизации внешних серверов станция связи выполняет функцию NTP-сервера.


Состав ПТК

В состав ПТК входят два шкафа с серверами и компьютерами (ШС1, ШС2); два пульта оператора (ПО1, ПО2); два шкафа питания (ШП1, ШП2); четыре шкафа с контроллерами (ШУ 1—4); шкафы ввода/вывода и инженерный пульт.

В шкафу ШС1 (рис. 3) размещены серверы ввода/вывода, станция архивирования и станция связи, которые выполнены на базе серверов фирмы HP Proliant DL380G4 Xeon-3.0GHz/800Mhz/2MB, коммутаторы Ethernet и устройство синхронизации времени. Администрирование серверов выполняется с помощью консоли фирмы ICP с ЖКИ монитором 15″. В терминальной шине используются два одинаковых коммутатора фирмы Cisco на 24 порта, которые работают параллельно; в системной шине — коммутаторы фирмы Siemens «ESM TP40» с четырьмя портами, в которых предусмотрена диагностика неисправности. В шкафу ШС2 размещены компьютеры АРМ1 … АРМ7 в промышленном корпусе. В компьютерах предусмотрены по два сетевых порта Ethernet, каждый из которых подключен к одному из сегментов терминальной шины.

pic3.jpg

Рис. 3. Сетевые коммутаторы в шкафу управления

На пультах оператора (ПО) используются мониторы с диагональю 21″ и разрешением 1600 х 1200. Передавать видео сигнал с таким разрешением по оптическому кабелю позволяет видео-удлинитель фирмы NTI ST-FODVI-LC-1600. Для отображения информации общего назначения используется ЖКИ панель с диагональю 46″ и разрешением 1350 х 768, подключенная к АРМ5 в качестве второго монитора. USB-удлинитель фирмы NTI USB-C5-LC позволяет выполнить подключение клавиатуры и мышки на расстояние до 50 метров кабелем «витая пара». На столе ПО2 расположены две кнопки аварийного останова соответственно первой и второй ГТУ для обеспечения оперативной реакции при внештатных ситуациях. Питание ПО осуществляется от двух вводов бесперебойного питания 220 В 50 Гц из шкафов питания.

Шкафы ШП1 и ШП2 устроены одинаково. Основным элементом шкафов является источник бесперебойного питания (ИБП). В данном проекте используется однофазный ИБП фирмы MGE марки Comet EXRT мощностью 11 кВт. Это модульный ИБП, состоящий из электронного блока и модулей батарей. Используются два модуля батарей для обеспечения питания при пропадании внешней сети на время не менее 30 мин. 

В шкафах управления установлены дублированные контроллеры S7-417-4H, коммутаторы ESM TP40, преобразователи OLM G11 сети Profibus-DP и источники питания 24 В, а также устройства связи по сети Profibus-DP с внешними САУ — Y-Link и DP/DP-coupler.

В шкафах ввода/вывода размещены станции ET200M, в которых установлены модули ввода/вывода. В станциях установлены активные шинные модули, позволяющие выполнять замену модулей без выключения питания. Подключение аналоговых сигналов в шкафах выполнено через гальванические развязки. В шкафах предусмотрена принудительная вентиляция, включаемая по сигналу термостата. Для питания в ШВВ в шкафах предусмотрены три ввода питания: два — от двух независимых источников питания 220В 50 Гц, и один — от источника питания 220 В постоянного тока. Такое решение позволяет подводит питание к ШВВ по месту, при этом питание постоянным током 220В компенсирует отсутствие питания от ИБП.

Все шкафы, кроме шкафов ШВВ, и пульты размещены в главном корпусе в помещениях щитов управления. ШУ2 и ШП2 расположены в отдельном помещении, относящемся к оборудованию энергоблока № 2.


Функции ПТК
 
ПТК БТЭЦ выполняет следующие функции:
- сбор и обработка первичной информации;
- предоставление оперативному и техническому персоналу необходимой технологической информации;
- реализация технологических защит и защитных блокировок;
- расчет вычисляемых параметров, в том числе расчет ТЭП;
- ведение архива;
- построение графиков текущих и архивных параметров ПТК;
- регистрация аварийных сообщений;
- подготовка и вывод на печать протоколов и другой оперативной информации;
- мониторинг и управление электротехническим оборудованием станции, энергоблоков и КРУЭ-110 кВ;
- мониторинг и управление общестанционным оборудованием станции;
- синхронизация времени внешних локальных САУ, подключенных к ПТК.


Заключение

Внедрение ПТК АСУ ТП Белгородской ТЭЦ в целом позволило вести единый архив параметров и событийной истории технологических процессов Белгородской ТЭЦ, провести интеграцию локальных САУ технологических объектов ТЭЦ в единый комплекс, реализовать единый интерфейс оператора с точки зрения управления различными технологическими объектами ТЭЦ, подключенными к ПТК, реализовать синхронизацию времени всех подсистем и локальных САУ. Таким образом, специалистами НПФ «Ракурс» были учтены все особенности автоматизируемого объекта и требования заказчика, все задачи были решены в срок и с высоким качеством исполнения. 


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(18)_2008

Н.Ш. Ахмедов, заместитель начальника  отдела проектирования ООО «НПФ «Ракурс», 
ГИП проекта АСУ ТП Белгородской ТЭЦ
ООО «НПФ «Ракурс», г. Санкт-Петербург,
тел.: (812) 702-47-53,  
е-mail: market@rakurs.com