В статье рассматривается система управления ALSPA, спроектированная компанией Alstom для применения в энергетике, подробно описаны основные стратегические преимущества данного решения как в глобальном понимании, так и в проекции на конкретные задачи по управлению производством и поставкой электроэнергии.
ООО «Б+Р Промышленная Автоматизация», г. Москва
Alstom – крупный лидер в области производства оборудования и оказания сервисных услуг в сфере производства электроэнергии и железнодорожного транспорта. Доля компании в мировом объеме вырабатываемой электроэнергии составляет 27% с охватом всех источников энергии (газ, уголь, возобновляемые и ядерные источники). Alstom Power объединяет пять направлений: электростанции, турбинное машиностроение, системы для энергетики, экологичные электростанции/гидроэлектростанции и новое направление по управлению производством и поставкой электроэнергии (EMB, Energy Management Business). EMB увеличивает эффективность энергетической инфраструктуры, начиная со снабжения топливом и заканчивая выработкой и потреблением электричества, что согласуется со стратегиями компании в отношении выработки экологически чистой энергии и реализации концепции Plant IntegratorTM. Текущие разработки в дальнейшем упрочат положение компании в сфере производства энергии экологичными методами за счет внедрения новых технологий контроля и управления качеством воздуха в реальном времени на типовых станциях, а также на новых угольных станциях, которые могут быть оборудованы устройствами захвата и хранения сажи. По мере развития схем торговли углем, решения, относящиеся к управлению станциями, потребуют гибкой интеграции с угольными системными реестрами и рынками.
EMB фокусируется на четырех ключевых технологических сферах:
автоматизация – включая АСУ, системы управления отдельными единицами оборудования и КИП;
управление производством – включая оптимизацию работы станции и процесса поставок, а также контроль состояния оборудования;
подключение к внешней сети и инженерно-техническое обеспечение электроподстанций – включая магистральные каналы с изолированной фазой;
силовая электроника – включая возбуждение, автоматизированное регулирование напряжения и регулирование реактивной мощности.
Рис. Демонстрация резервирования
EMB предлагает готовые решения для оптимизации использования энергии на всех уровнях, например:
увеличение производительности электростанции за счет повышения эффективности систем автоматизации и управления, внедрения нового программного обеспечения по планированию работы и управлению активами станции, а также симуляция работы станции в реальном времени;
эксплуатационная гибкость станции может быть увеличена за счет повышенной доступности станции. Это позволит подавать требуемое количество электроэнергии в электрическую сеть в нужное время, изменяя мощность станции до нескольких раз в день;
решение в области качества электроэнергии, обеспечивающее абонентов электроэнергией желаемого качества как в отношении частоты электрической сети (активная мощность), так и в отношении контроля напряжения (реактивная мощность).
В рамках EMB компания Alstom разработала широкий спектр продукции для систем управления под названием ALSPA.
Система ALSPA
ALSPA обладает гибкой и открытой распределенной архитектурой и основана на специализированных аппаратных компонентах и стандартных сетях связи. Система обеспечивает поддержку основных рабочих функций станции и соответственно использует преимущества в области обеспечения безопасности и эксплуатации, таких, как самодиагностика, резервирование контроллеров и каналов связи, синхронизация и выставление меток времени до 1 мс, отказоустойчивость и непрерывная автономная работа в случае неисправности отдельных элементов системы. Программные продукты ALSPA могут использоваться в системах управления термальными, гидро- и атомными станциями. Система включает следующие элементы для управления технологическим оборудованием:
промышленный контроллер ALSPA;
управление котлом и его защита, а также система контроля горелки Controflame;
контроллер паровой турбины Controsteam;
контроллер газовой турбины Controgas;
контроллер генератора, автоматический регулятор напряжения, специально предназначенный для регулирования возбуждения генератора переменного тока Controgen.
Система управления строится на базе трех главных компонентов:
размещенный в диспетчерской человекомашинный интерфейс с программным и аппаратным обеспечением;
инженерно-технические инструментальные средства;
многофункциональные и промышленные контроллеры обеспечивают ряд преимуществ, к примеру, сокращение длины кабелей, устойчивость к отказам и легко реализуемое расширение системы. Они выполняют функции управления и защиты и подключены к технологическому процессу.
Все указанные элементы связаны между собой посредством сетей Fast Ethernet.
Рис. Пример создания архитектуры электростанции
Сетевая архитектура ALSPA
Сеть рабочего места оператора обычно располагается в диспетчерской. Специальных требований к ней практически не предъявляется. Обычно она основана на стандарте Fast Ethernet.
Сеть предприятия связывает все три уровня системы управления. Она основана на проверенных временем решениях на базе промышленного Ethernet. Сеть строится по отказоустойчивой кольцевой топологии. В сети используется протокол IP (TCP/IP и UDP/IP), что снимает требование детерминизма.
Самые жесткие требования предъявляются к сетям полевого уровня. Оборудование, подключаемое к полевой сети, должно быть доступным, соответственно, используемые полевые сети должны быть широко распространены.
Переход к решениям на базе промышленного Ethernet
Новые решения для рынка энергетики требуют увеличения производительности сети. Для удовлетворения этих потребностей возникла естественная необходимость в новой технологии высокоскоростного Ethernet.
Из предлагаемых технологий промышленного Ethernet компании Alstom требовалось выбрать два решения: одно – для детерминированных систем реального времени, другое – для систем, к которым такие требования не предъявляются.
В качестве недетерминированной промышленной сети была выбрана сеть Modbus TCP. Этот выбор был обусловлен ее широкой открытостью для сторонних устройств.
Промышленные детерминированные сети с работой в реальном времени предусматривают использование распределенных вводов/выводов. Таким образом, Ethernet-сети реального времени обеспечивают упрощенную архитектуру, концентрирование процессов регулирования внутри контроллера ячейки, а также снижение затрат на установку, техническое обслуживание и инженерно-техническое обеспечение. Кроме того, использование сетей реального времени и детерминированных сетей обеспечивает синхронизацию по времени и выставление меток времени по сети. Соответственно, отпадает необходимость в наличии внешнего специального провода для передачи синхронизирующей информации и сигналов в промышленные контроллеры.
Детерминированная сеть реального времени: использование POWERLINK как полевой сети
В то время как выбор в отношении недетерминированной сети был достаточно прост и понятен, выбор жестко детерминированной сети реального времени оказался сложнее. К технологии выдвигались следующие требования:
открытый и независимый стандарт на базе типовых компонентов;
стандартное решение, предпочитаемое на данном рынке;
использование стандартных компонентов и оборудования для сокращения затрат;
основана на стандартном Ethernet;
попутная выгода за счет глобального развития сетевых технологий;
потребность в универсальном решении, на котором бы основывались все дальнейшие протоколы;
отсутствие необходимости в специализированном аппаратном обеспечении;
испытанная и устойчивая к ошибкам технология с поддержкой протоколов безопасности;
наличие преимуществ для системы управления электростанцией за счет применения проверенного решения на основе устойчивого к ошибкам протокола;
наличие высокопроизводительного протокола безопасности (вплоть до SIL3);
высокопроизводительная детерминированная сеть с работой в реальном времени;
расчетная стандартная скорость передачи при сетевом обмене – 100 Мбит/с;
сеть должна быть детерминированной и обеспечивать ограничения при работе в реальном времени;
возможность обеспечения времени цикла в миллисекундном диапазоне для обмена детерминированными данными.
Долгосрочная доступность технологии является ключевым критерием. Так как электростанции эксплуатируются десятилетиями, это решение должно быть рассчитано на продолжительное использование. Наиболее надежным способом достижения этой цели был выбор стандартной технологии, основанной на стандартном аппаратном обеспечении. И, конечно же, рассматривался аспект независимости подобной технологии от поставщика оборудования, а также отсутствия привязки подобного решения к какой-либо технологии, которая бы могла устареть в течение одного десятилетия. После длительного изучения этапов симуляции и изготовления прототипов в качестве промышленной сети для системы управления был выбран POWERLINK.
Новая архитектура
Благодаря внедрению POWERLINK в промышленную сеть вся сетевая архитектура системы полностью основывается на проверенных и стандартных технологиях Ethernet. Эта уникальная сетевая структура имеет ряд плюсов.
Во-первых, она позволяет пользователям стандартизировать сетевое оборудование и протоколы (TCP&UDP/IP). Во-вторых, даже несмотря на то, что сеть сама по себе в определенных случаях дороже вследствие необходимости использования активных сетевых устройств (коммутаторов и концентраторов), суммарная стоимость является более низкой. Это достигается благодаря децентрализованной архитектуре, стандартизированным протоколам и оборудованию, меньшей длине кабелей (только Ethernet, топология шины) и сетевой синхронизации устройств. В-третьих, сеть, полностью опирающаяся на технологию Ethernet, повышает возможности оборудования и соответственно производительность. И наконец, использование стандартных технологий Ethernet в дальнейшем обеспечит возможность следовать за развитием Ethernet благодаря работе со стороны всего еthernet-сообщества, без необходимости дополнительных инвестиций в научные исследования.
POWERLINK, будучи исключительно программным решением, опирающимся на стандартные еthernet-компоненты, имеет значительное преимущество, заключающееся в полной совместимости со стандартными Ethernet-устройствами. Например, одним из преимуществ является то, что предусмотрено использование оптоволоконной технологии для обеспечения доступа к удаленному оборудованию (на расстоянии нескольких километров). Использование оптоволокна также имеет огромное преимущество, заключающееся в том, что допускается размещение сетей в районах с электромагнитными возмущениями.
Включив в стандарт характеристику «высокая доступность» («high availability»), Alstom внесла вклад в развитие POWERLINK. Под руководством компании была создана техническая рабочая группа по «высокой доступности», целью которой являлось определение необходимых для этого параметров.
Заключение
Интеграцией POWERLINK в промышленные сети компания Alstom продемонстрировала промышленные преимущества использования технологий Ethernet в системах управления энергоснабжением.
После недавнего объявления о выпуске общедоступного решения POWERLINK (под названием openPOWERLINK) специалисты компании Alstom убеждены, что это будет способствовать принятию данной технологии все б?льшим и б?льшим числом изготовителей сторонних устройств.
Распределенная архитектура АСУ делает сеть центральным элементом всей системы. Поэтому выбор в пользу использования высокопроизводительной сети Ethernet, опирающейся на стандартные еthernet-устройства, является основополагающим. Использование технологий Ethernet является не только технологическим прорывом нашего времени, но и инвестицией в будущее развитие.
Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(33)_2011
Д. Алимов, менеджер по маркетингу,
ООО «Б+Р Промышленная Автоматизация», г. Москва,
тел.: (495) 657-9501,
e-mail: marketing.ru@br-automation.com
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
