Распределенные системы АСУ ТП в энергетике – мода или необходимость. Часть 1

Одной из особенностей сегодняшнего этапа развития энергетики на постсоветском пространстве является то, что энергосистемы вкладывают значительные средства в реконструкцию производственных мощностей. Но замена, ремонт или реконструкция основного технологического оборудования невозможна без модернизации систем управления этим оборудованием. Это является не только требованием времени, но и обязательным условием приведения системы управления технологическим процессом выработки и распределения энергии в соответствие с действующим нормативными документами. Выполнить эту задачу можно разными способами. Основной характеристикой системы автоматизации,  определяющей ее структуру, состав технических средств и затрат на реализацию, является степень ее распределенности  (децентрализации).

Перед руководством энергопредприятия стоит необходимость выбора — между централизованной системой управления или децентрализованной. Это выбор не только технического решения, но и определение дальнейших организационных изменений в  структуре предприятия.

По общепринятой в энергетике терминологии разделим АСУ ТП на составные части (подсистемы), технические задачи, которые стоят перед этими частями, понятны из их названия и не нуждаются в пояснении и, как правило, одинаковы для всех объектов управления в энергетике:

- подсистема блокировок и технологических защит;

- подсистема автоматического регулирования (САР);

- подсистема дистанционного управления и телеизмерения.

Таким образом, выбор систем централизованного и распределенного вариантов, зависит не только от объективного состояния объекта перед реконструкцией, но и от субъективных причин, обусловленных сложившимися предпочтениями персонала, знаниями и опытом реализации подобных проектов, опыта соседних энергообъектов и т.д.

Гораздо интереснее рассматривать какие объективные и субъективные характеристики объекта влияют на выбор варианта построения системы. Не секрет, что именно грамотный анализ текущего состояния объекта определяет правильность составления технических требований (ТТ), являющихся основой технического задания, разрабатываемого подрядной (как правило) организацией по заданию заказчика.

Рассмотрим, какие характеристики объекта обусловливают выбор в пользу распределенного варианта реализации АСУ ТП в порядке их значимости, по мнению автора:

1) физическая изношенность трасс контрольного и силового кабеля датчиков (КИП) и исполнительных механизмов (ИМ);

2) моральный и физический износ пускорегулирующей аппаратуры  исполнительного оборудования, сборок РТЗО и др.;

3) отсутствие необходимых площадей на БЩУ для размещения контроллерного оборудования;

4) поэтапное внедрение подсистем АСУ ТП методом так называемой «ползучей» автоматизации. На примере автоматизации котла: 1-й этап — САР котла, 2-й этап дистанционное управление и телеизмерения, 3-й этап — блокировки и защиты;

5) поэтапное обновление парка датчиков и исполнительных механизмов и, как следствие, постоянная корректировка проекта реконструкции по факту замены оборудования.

Рассмотрим конкретную взаимосвязь между выше перечисленными характеристиками объекта автоматизации и  необходимостью выбора распределенного варианта построения АСУ ТП, а также какими техническими решениями фирма TREI предлагает реализовать преимущество данного выбора.

Замена кабельных трасс — один из самых дорогостоящих этапов реконструкции. Связано это не только с высокой ценой нового кабеля, но и c необходимостью соблюдения требований РД по раздельной прокладке силового и контрольного кабеля. Данное требование не соблюдалось практически во всех проектах строительства ТЭЦ до 60-х годов прошлого века, а таких ТЭЦ около 50 %. Кроме того, частичная замена кабеля в разрушающейся изоляции, пролежавшего 15—20 лет в кабельном канале рядом с теплоизлучающими коммуникациями на пылеугольной станции практически невозможна. Как правило, новую линию связи прокладывают поверх поврежденной из-за невозможности удалить старый кабель без повреждения еще рабочих кабельных связей.

Именно возможность замены большего количества контрольного и компенсационного кабеля одним интерфейсным кабелем, благодаря приближению контроллерного оборудования непосредственно к местам расположения первичных измерительных преобразователей, и является главным плюсом этого варианта. Экономическую выгоду такого решения для объектов с протяженностью кабельных трасс до сотен метров можно проиллюстрировать на простом примере.

В современном легковом автомобиле максимальная длина кабеля от источника информации до приемника (бортового компьютера) не превышает 4 метров, но даже на таких коротких расстояниях оказалось экономически выгодной замена медных жгутовых соединений единым интерфейсным кабелем. Та же тенденция, а в некоторых случаях, уже и требования стандартов,  при проектировании самолетов, кораблей, военной техники.

Рассмотрим вариант применения интеллектуальных модулей контроллера TREI-5B-05 для систем температурного контроля.

Предлагается устанавливать удаленные интеллектуальные модули в непосредственной близости от расположения первичных преобразователей (рис. 1). 

Сертифицированный температурный диапазон эксплуатации модулей от –60 до +60 °С , таким образом перед проектировщиком практически нет ограничений по месту установки модулей. Более того, специалистами фирмы TREI испытан и применяется следующий конструктивный подход: выносные модули устанавливаются непосредственно в существующие промежуточные кроссовые коробки. Место в них освобождается после удаления старых, громоздких винтовых клеммников и на освободившемся месте DIN-рейки устанавливается интеллектуальный модуль ввода/вывода (рис. 2).

Конструкция модулей такова, что позволяет напрямую подключать кабели первичных преобразователей к клеммным разъемам модуля. Максимальный диаметр жил  подключаемого провода до 2,5 мм² (рис. 3).

При построении распределенных систем сбора информации от датчиков  приходится сталкиваться со следующими особенностями распределения оборудования КИПиА по площадке:

1) наличие разных типов датчиков в пределах зоны обслуживания одного интеллектуального модуля (например, сигналы термопар, термосопротивлений, активные и пассивные датчики-источники тока, датчики с частотным или импульсным выходом);

2) необходимость в дополнение к аналоговым сигналам иметь сигналы дискретного ввода/вывода (например, сигналы контроля и управления устройствами пробоотбора для датчиков контроля водно-химического режима (ВХР) и др.);

3) необходимость подключения датчиков с интерфейсным выходом (как правило, это MODBUS).

Совокупность этих особенностей  при построении распределенной системы на технике других производителей сводит на нет всю экономию от сокращения кабельных трасс, так как разносортная номенклатура каналов ввода/вывода в пределах одной группы приводит к необходимости применения разнотипных модулей удаленного ввода/вывода, даже из-за наличия одного нестандартного канала в группе. Или приводит к необходимости унификации датчиков в группе, что также ведет к увеличению стоимости. 

Для решения таких проблем специалистами фирмы TREI еще в 1995 году впервые в мире была применена мезонинная конструкция каналов ввода/вывода, в настоящее время применяемая ведущими мировыми производителями контроллерной техники в контроллерах большой производительности. Наши специалисты развили мезонинную технологию и теперь предлагают универсальность каналов и в удаленных интеллектуальных модулях. Применяя современные технологии и схемные решения, нам удалось совместить малые габариты, высокую функциональность и универсальность конструкции в новых канальных модулях — юнитах (JUNIT), развивающих разработанную нами мезонинную технологию. Юниты выпускаются 1, 2 и 4-канальными и допускают как разъемную, так и жесткую (паяную) установку на базовую плату (рис. 4).

Таким образом, у пользователя появляется возможность минимизировать затраты и реализовать в пределах одного модуля как функции сбора информации так и функции управления механизмами и индикации состояний.

В случае, если число каналов интеллектуального модуля (32 канала ввода/вывода) не обеспечивает решение задачи удаленного сбора информации или управления, число каналов можно наращивать пассивными модулями расширения (имеющими всю номенклатуру каналов), доводя количество каналов до 128 (рис. 5). Обращаю внимание читателя, что интеллектуальный модуль УСО серии M900 может работать не только как удаленный модуль ввода/вывода, но и позволяет использовать его как удаленный контроллер с  загруженной в него программой пользователя.

Моральный и физический износ пускорегулирующей аппаратуры  исполнительного оборудования, сборок РТЗО и др.

Сам по себе износ электромагнитных пускателей, вводных защитных автоматов, элементов тепловой защиты и др., казалось бы, не имеют прямого отношения к проблемам распределенных систем управления. Эти элементы, в той или иной степени, присутствуют и в централизованных и в децентрализованных системах. Но необходимость замены шкафов с этой аппаратурой и сборок РТЗО это прямой повод существенно сэкономить благодаря возможностям, которые предоставляют интеллектуальные модули контроллера TREI-5B-05 и построенные на их базе интеллектуальные сборки РТЗО (рис. 6).  

Перечислим основные слагаемые этой экономии.

1. Интеллектуальный модуль вместе с модулями расширения устанавливается на DIN-рейку непосредственно в шкаф с пускателями, тем самым сокращает объем контроллерного оборудования на БЩУ.

2. Один реверсивный пускатель, управляющий запорной или регулирующей арматурой, требует для обеспечения контроля и управления от 5 до 9 информационно управляющих сигналов контрольного кабеля. Фирма TREI поставляет сборки РТЗО для управления 20 единицами арматуры в одном шкафу с габаритами 1800 х 1200 х 400 мм, таким образом, кабельный канал от сборки до БЩУ несущий до 180 проводников дорогостоящего медного кабеля, заполняется одним интерфейсным кабелем с витой экранированной парой проводников, имеющий вместе с изоляцией диаметр 6 мм. При этом удельная цена управления одной единицей арматуры уменьшается от 50 % до 4 раз.

3. Уменьшаются площади, занимаемые шкафами и сборками РТЗО. Например, площадь стандартной сборки РТЗО на восемь реверсивных пускателей составляет 0,4 м², а интеллектуальный шкаф управления на 20 реверсивных пускателей (рис. 6) занимает площадь 0,48 м², то есть площадь, занимаемая одним условным  элементом управления арматурой, снижается в два раза.

4. Благодаря применению малогабаритных датчиков фазного тока серии NCM2, производимыми фирмой TREI, появляется возможность ввода и обработки на месте аналоговой информации контроля пускового тока, рабочего тока и тока перегрузки двигателей. В централизованной системе от такого контроля, как правило, отказываются из-за необходимости передачи на большие расстояния сигналов низкого уровня, что обходится очень дорого вкупе с необходимостью установки дополнительных модулей аналогового ввода в контроллерах БЩУ. Поэтому в большинстве случаев в централизованных системах ограничиваются защитой от токов КЗ на вводных автоматах и токов перегрузки на элементах тепловой защиты. Теперь появляется возможность не только защитить электродвигатель от механических неисправностей привода, но и предупредить эту ситуацию, используя различные уровни предупредительной сигнализации, передаваемой на верхний уровень АСУ ТП. Любой специалист подтвердит, что 90% выхода из строя электродвигателей запорной и регулирующей арматуры — это неисправности в механике привода, которые в большинстве случаев можно дистанционно распознавать, контролируя ток двигателя. Пример установки датчика фазного тока рядом с реверсивным пускателем на рис. 7. Датчик NCM2 не требует дополнительного питания и является пассивным источником тока в цепи 4—20 мА. Точность измерения фазного тока 0, 1%.

С.Л. Рогов,

ООО «ТРЭИ ГмбХ», г. Пенза,

тел.: (8412) 55-58-90,  

е-mail: trei@trei-gmbh.ru