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.

Автоматизированная система управления технологическими процессами турбоагрегата Выборгской ТЭЦ-17 ОАО «ТГК-1»

В статье рассматривается автоматизированная система управления технологическими процессами турбоагрегата Выборгской ТЭЦ-17 ОАО «ТГК-1». Подробно описана система, представлена структурная схема турбоагрегата. 

ООО «НПФ «Ракурс», г. Санкт-Петербург

Rakurs_site.gif

Выборгская теплоэлектроцентраль (ТЭЦ-17) (рис. 1) пущена в эксплуатацию 30 декабря 1954 года. Обеспечивает электрической и тепловой энергией промышленные предприятия, жилые и общественные здания Калининского, Выборгского и частично Красногвардейского районов Санкт-Петербурга.

В 2008 на станции началась реконструкция турбоагрегата № 4, предполагающая модернизацию действующего оборудования с заменой основных узлов турбины и генератора. В результате электрическая мощность турбоагрегата возрастет со 100 до 123 МВт, а тепловая – со 170 до 197 Гкал/ч.

pic1.jpg

Рис. 1. Выборгская теплоэлектроцентраль (ТЭЦ-17) ОАО «ТГК-1»


Перечень объектов автоматизации

Паротурбинная установка:
- теплофикационная паровая турбина Т-120/125-130 производства УТМЗ с двумя отопительными отборами пара оснащена электрогидравлической системой регулирования, использующей турбинное масло;
- конденсаторная установка с вакуумной системой;
- четыре подогревателя низкого давления ПНД 1,2,3,4;
- три подогревателя высокого давления ПВД 5,6,7;
- два подогревателя сетевой воды ПСГ1 и ПСГ2;
- три бойлера ГВС;
- пять конденсатных насосов;
- сливной насос;
- система маслоснабжения смазки подшипников и гидравлическая система регулирования.

Турбина Т-120/125-130 спроектирована на номинальную мощность 118 МВт, на начальные параметры пара 12,8 МПа и 550 °С, с двухступенчатым теплофикационным отбором пара. Номинальный расход свежего пара 505 т/ч. Номинальная отопительная нагрузка 788 ГДж/ч (188 Гкал/ч). Поддержание давления пара в отопительном отборе осуществляется поворотной регулирующей диафрагмой. Для предотвращения прогиба ротора в нагретом состоянии (при прогреве и расхолаживании турбины) турбина снабжена валоповоротным устройством. В состав турбины входит система маслоснабжения.

Электротехническое оборудование:
- электрический генератор с тиристорной системой возбуждения и системой воздушного охлаждения генератора.

Общее оборудование:
- деаэраторы ДСП-500 ст. № 9, 10 (только в части контроля, управление не предусматривается в АСУТП ТА4).


pic2_small.jpg

Рис. 2. Структурная схема Автоматизированной системы управления
технологическими процессами турбоагрегата № 4


Цели создания системы

обеспечение работы технологического оборудования в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах;
- повышение оперативности управления;
- улучшение культуры труда оперативного и обслуживающего персонала;
- обеспечение персонала ретроспективной технологической информацией (регистрация событий, диагностика оборудования и т.д.) для анализа работы оборудования;
- сокращение ущерба от ошибок персонала путем сигнализации и блокирования ошибочных команд управления;
- сокращение затрат на эксплуатацию и ремонт оборудования.


Описание системы

Центральным компонентом (ядром) структуры АСУ ТП ТА4 (рис. 2) является проектно-компо­нуемый базовый программно-тех­нический комплекс (ПТК) «Апогей» на базе технических средств комплексной автоматизации PCS7 (Siemens). Элементы структуры АСУ ТП совместно с общесистемным и фирменным программным обеспечением ПТК образуют единую информационно-техническую среду, в которой реализуются в виде прикладного программного обеспечения алгоритмы функций контроля и управления системы. 

За основу построения АСУ ТП ТА4 принята многопользовательская распределенная система управления. В данном случае многопользовательская система состоит из нескольких операторских станций (АРМов), которые по терминальной шине получают данные от дублированного сервера ввода/вывода (Сервер1 и Сервер 2). Терминальная шина – это шина Ethernet, независимая от системной шины, которая используется только для соединений АРМов с сервером. Визуализация и работа процесса осуществляются на АРМах, тогда как сервер ввода/вывода отвечает за соединение с ПЛК, управление данными и т.д.

Многопользовательская система имеет следующие преимущества:
- однократное снабжение сервера ввода/вывода данными от ПЛК;
- гибкая структура и расположения АРМов;
- эффективная по издержкам структура;
- развязка системной и терминальной шин.


pic3.jpg

Рис. 3. Шкаф силовой ЭЧСР

Система имеет в своем составе необходимые программно-аппаратные средства для связи с АСУ П, а также может быть расширена для решения задач управления, для сбора информации или управления другими технологическими установками, для связи с «интеллектуальными» приводами и датчиками через полевую шину.

В состав АСУ ТП ТА4 входит основной подсистемой программно-технический комплекс ПТК ТА4, который объединен с другими подсистемами (СТК-ЭР ТА4, ЭЧСР ТА4, СКВ) в единую систему управления технологическими процессами турбоагрегата ст. № 4. 

ПТК ТА4 отвечает за управление и контроль технологическими процессами турбоагрегата ст. № 4. В состав ПТК ТА4 входят: 
- два АРМа машинистов ТА4; 
- резервированный сервер ввода/вывода (Сервер 1 и Сервер 2);
- резервированный ПЛК; 
- станции удаленного ввода/вывода.

Управление основными технологическими процессами ТА4 выполняет ПТК ТА4. Основным устройством ПТК является резервированный ПЛК S7-414-4H, к которому подключены удаленные станции ввода/вывода.

Контроллеры ПТК ТА4 связаны информационно с резервированным сервером ввода/вывода, обеспечивающим связь контроллеров с АРМами верхнего уровня АСУ ТП ТА4.

Часть функциональных групп ПТК ТА4 выделены в отдельную подсистему – программно-технический комплекс вспомогательных систем (ПТК ВС), который предназначен для обеспечения вспомогательных функций:
- обслуживание и администрирование ПТК АСУ ТП через инженерную станцию (ИС);
- архив параметров технологических процессов;
- синхронизация времени систем АСУТП ТА4;
- связь с АСУ П;
- интерфейс АСУТП ГрЩУ-2 (АРМы начальников смен).

В состав ПТК ВС входят: 
- АРМы начальника смены котлотурбинного цеха (НС КТЦ) и электроцеха (НС ЭЦ); 
- центральный архивный сервер (ЦАС);
- станция связи с АСУ П (ОРС-шлюз);
- инженерная станция (ИС);
- система единого времени (СЕВ).

АРМ начальника электроцеха располагается на ГЩУ ТЭЦ. С АРМа доступна информация о протекании всех технологических процессах ТА4, в том числе о работе ПТК СТК-ЭР.

АСУ ТП ТА4 состоит из двух уровней управления – верхний уровень и нижний уровень.

Нижний уровень предназначен для непосредственного контроля и управления подчиненных технологических узлов на основании заложенных в контроллеры алгоритмов и поступающей информации с датчиков. Он построен на базе резервируемого контроллера (ПЛК) и станций удаленного ввода/вывода (ET200M). Нижний уровень имеет распределенную структуру: ПЛК размещается в помещении ГрЩУ-2, а станции удаленного ввода/вывода – по месту в силовых шкафах (ШС) и шкафах ввода/вывода сигналов (ШИС).

Основным устройством нижнего уровня является резервируемый ПЛК ПТК ТА4, который состоит из двух отдельно работающих ПЛК, соединенных между собой двумя оптическими кабелями для обмена информацией. В каждый момент времени работает один контроллер, второй находится в резерве: всегда включен и готов к перехвату управления на себя. 

Резервируемый ПЛК размещается в двух шкафах управления (ШУ). В состав ШУ входит резервируемый контроллер типа S7-400H.

Контроллеры соединяются с верхним уровнем АСУ ТП ТА4 по системной шине, реализованной с помощью коммутаторов Сименс Scalance X208. Системная шина выполнена в виде дублированной сети Fast Ethernet с лучевой топологией.

Станции удаленного ввода/вывода ET200M включают в свой состав модули ввода/вывода: аналоговых (SIMATIC S7-300, SM 331) и дискретных сигналов (SIMATIC S7-300, SM 321 и SM 322). Станции удаленного ввода/вывода соединяются с ПЛК по резервированной сети Profibus-DP с шинной топологией интерфейса RS-485. Для этого в каждой станции удаленного ввода/вывода предусмотрены два интерфейсных модуля IM153-2, один из которых активный, а второй – в резерве. Станции ET200M устанавливаются в силовые шкафы (ШС) и шкафы ввода/вывода (ШИС).

Верхний уровень включает:
- дублированный сервер ввода/вывода;
- сетевое оборудование (коммутаторы);
- центральную станцию архивирования;
- станцию связи (ОРС-шлюз);
- автоматизированные рабочие места (АРМы);
- инженерную станцию;
- систему единого времени (СЕВ);
- аварийный пульт управления (АПУ).

Устройства верхнего уровня (кроме АПУ) связаны между собой по терминальной шине. Терминальная шина реализована с помощью сети Fast Ethernet с лучевой топологией. Основным устройством верхнего уровня 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 между серверами. Серверы ввода/вывода с заданной периодичностью проводят опрос ПЛК и предоставляют полученные данные внешним по отношению к системной шине объектам.

Система единого времени реализована с помощью устройства синхронизации времени Siemens Siclock TM с приемником GPS. Siclock принимает сигнал точного времени со спутника GPS и выдает по сети Ethernet в системную шину сигналы точного времени по протоколу NTP. Контроллеры и серверы ввода/вывода принимают сигнал точного времени из системной шины и синхронизируют свое время. Точность синхронизации времени внутри АСУ ТП – 1 мс.

Серверы ввода/вывода настроены как серверы NTP для терминальной шины. От серверов синхронизируются компьютеры АРМов, центральный архивный сервер, ОРС-шлюз, подключенные к терминальной шине.

Обеспечение архивирования значений аналоговых параметров и событийной истории осуществляется посредством сервера ввода/вывода. Внутрисистемные данные сервер получает от ПЛК через системную шину. Полученная информация упорядочивается и сохраняется на сервере ввода/вывода за небольшой период времени (настраиваемая величина). С заданной периодичностью эти данные передаются на центральный архивный сервер (ЦАС) для длительного 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 ЦАС с использованием пакета PCS7 Central Archive Server V6.1. Время хранения архивных данных на станции архивирования – от нескольких недель до нескольких месяцев. Дополнительные программные компоненты PCS7 позволяют осуществлять экспорт архивных данных на внешние носители для долговременного хранения.


Функции АСУ ТП ТА4

В АСУ ТП ТА4 предусмотрены следующие функции:
- сбор и обработка первичной информации;
- предоставление оперативному и техническому персоналу необходимой технологической информации;
- реализация технологических защит и защитных блокировок с анализом действия защит;
- расчет вычисляемых параметров;
- сигнализация аварийных и предупредительных сообщений;
- ведение архива;
- оперативный контроль оборудования;
- регистрация аварийных событий;
- подготовка и вывод на печать протоколов и другой оперативной документации;
- синхронизация времени ПТК АСУ ТП ТА4;
- связь с АСУ П;
- автоматическое, дистанционное и ручное управление исполнительными механизмами во всех режимах работы турбоагрегата;
- автоматическое регулирование;
- функционально-групповое и ло­гическое управление турбоагрегатом.


Характеристики ПТК ТА4

Функциональные возможности ПТК ТА4 реализованы с использованием программного обеспечения фирмы Сименс SIMATIC PCS 7, Software Engineering V6.1.

ПТК ТА4 разработан на базе программно-технического измерительного комплекса «Апогей», ТУ4252-003-27462912-04 и имеет сертификат утверждения типа средств измерения.


Конструктивное исполнение

Оборудование ПТК ТА4 размещается в шкафах нескольких типоразмеров со степенью защиты IP54. Оборудование верхнего уровня размещается в шкафах двухстороннего обслуживания с типоразмером 2000х800х1000 мм и 1000х600х800 мм (ВхШхГ). Оборудование нижнего уровня размещается в шкафах 2000х800х600 мм (ВхШхГ) и 2200х800х600 мм (ВхШхГ) одностороннего обслуживания. Шкафы устанавливаются на цоколи высотой 100 мм. В шкафах подвод кабеля предусмот­рен снизу.


Характеристики ПТК ТА4

255 каналов измерения нормированных токовых сигналов.
193 канала измерения температуры с измерительных преобразователей и термопар различных типов.
195 схем управления запорно-регулирующей арматурой.
22 схемы управления механизмами собственных нужд.


Питание ПТК ТА4

Для питания ПТК ТА4 необходимо два ввода 380/220 В 50 Гц и два ввода 220 В постоянного тока. В ПТК ТА4 предусмотрены схемы АВР и источники бесперебойного питания, обеспечивающие питанием верхний уровень в течение 30 минут. 

Ввод в эксплуатацию АСУ ТП ТА4 ТЭЦ-17 – 2009 г.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(23)_2009

Н. Ахмедов, ГИП проекта, заместитель начальника отдела проектирования,
ООО «НПФ «Ракурс», г. Санкт-Петербург,
тел. (812) 252-59-09,
e-mail: market@rakurs.com