В настоящей статье рассмотрены варианты структур систем управления технологическими объектами, реализованными на основе программно-технических средств «Пилон», разработанных и серийно выпускаемых в России предприятием НПП «Электронные информационные системы».
ЗАО «НПП Электронные информационные системы»,
г. Екатеринбург
Одним из способов эффективного проектирования автоматизированных систем (АС) является применение современных программно-технических комплексов (ПТК).
НПП «Электронные информационные системы» (НПП «ЭИС») входит в число российских предприятий, которые предлагают системным интеграторам и проектировщикам АСУ ТП современное оборудование – ПТК «Пилон» и готовые технические решения для выполнения проектов автоматизации производства на уровне агрегатов и цехов, а также замены зарубежных ПТК.
Список областей, где внедрены изделия НПП «ЭИС», постоянно расширяется: оборона, транспортировка газа по магистральным трубопроводам, мобильные газотурбинные, электроприводные и поршневые электростанции, газораспределительные станции, автомобильные газонаполнительные компрессорные станции, водозаборные скважины и насосные станции, отопительные системы (котельные).
Рис. 1. Модули ПТК «Пилон»
Основными особенностями ПТК «Пилон» являются:
- надежность;
- сохранение работоспособности при отказах в системе и возможность замены неисправных устройств без прерывания технологического процесса за счет резервирования аппаратных и программных средств;
- устойчивая работа в широком температурном диапазоне, при воздействии вибрации, электромагнитного излучения и при загрязнении;
- наличие собственной SCADA-системы EIScada [1], поставляемой без ограничения количества инсталляций;
- гарантированное качество продукции благодаря тщательному отбору компонентной базы и 100‑процентному контролю готовой продукции на испытательном оборудовании;
- заложенная идея о возможности адаптации системы эксплуатирующим персоналом к изменениям в технологических задачах и производственном оборудовании (датчики, приборы, механизмы и др.);
- низкая совокупная стоимость, то есть сумма прямых и косвенных затрат за период жизни системы.
ПТК «Пилон» предназначен для построения систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами, в том числе для применения в системах противоаварийной защиты (ПАЗ) и на взрывоопасных производствах, а также тренажерах для обучения операторов.
Базовыми техническими средствами ПТК «Пилон» являются управляющий промышленный контроллер автоматики (ПКА), модуль связи (МС) и модули ввода/вывода (МВВ) сигналов. Согласно стандарту МЭК 60297, по размеру они относятся к одному из двух типов: имеют высоту 3 или 6 U (рис. 1) и устанавливаются в соответствующие субблоки шириной 19″ (рис. 2).
Рис. 2. Субблоки ПТК «Пилон»
ПКА обеспечивает обмен данными с АРМ оператора и реализацию алгоритмов управления объектом по данным о его состоянии, полученным от модулей ввода сигналов. МС используется в целях обмена данными с МВВ и для высокоскоростной связи с ПКА при удаленном (распределенном) вводе/выводе. Модули ввода/вывода предназначены для приема входных сигналов от технологического оборудования и выдачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы. Количество и типы МВВ в составе АС определяются объемом и типом входных и выходных параметров автоматизируемого объекта.
Фирменное (базовое) программное обеспечение и модульная система ПТК «Пилон» позволяют:
- проектировать системы управления с централизованной или распределенной структурой;
- компоновать блоки различными по типу модулями ввода и вывода, выбирать их количество и способ резервирования;
- рационально выбирать (по параметрам, цене) и использовать процессорные платы ПКА исходя из заданных свойств конкретного объекта автоматизации;
- создавать системы автоматизации с различным резервированием в зависимости от требований к степени автоматизации, надежности и ремонтопригодности.
В соответствии со структурой проектируемой АС все модули объединяются внутрисистемными интерфейсами RS‑485. В ПТК «Пилон» особенностью модулей ввода/вывода является наличие у них двух интерфейсов RS‑485. Введение в модули второго интерфейса обеспечило многовариантность схем построения систем автоматизации с учетом различных требований к степени надежности и безопасности. Разработчикам АСУ ТП предоставлена возможность определить режим использования модулей без резервирования, с частичным или полным резервированием.
На рис. 3 показан вариант компоновки системы, в которой один интерфейс RS‑485 каждого МВВ используется для связи с ПКА в целях управления технологическим оборудованием, а другой может служить для решения одной из таких задач, как реализация функций блокировок, ПАЗ, бортовой регистратор («черный ящик») или перенастройка модулей в пределах установленных возможностей.
Рис. 3. Пример построения системы с одним ПКА:
ПКА – промышленный компьютер автоматики; БП – блок питания; МВВ – модуль ввода или вывода сигналов
По такой схеме реализованы система управления газораспределительной станцией [2], система управления насосной водозаборной станцией [3], система управления котельной с 2–4 паровыми или водогрейными котлами [4].
Модули ввода/вывода обеспечивают измерение аналоговых сигналов постоянного тока 4–20 мА, ввод дискретных логических сигналов и вывод команд управления объектом. Все каналы измерений имеют встроенную защиту от постоянных и импульсных перенапряжений. Во всех модулях ввода сигналов осуществляется низкочастотная аналоговая и цифровая фильтрация входных сигналов. В каждом модуле предусмотрена гальваническая развязка между сигналами объекта управления и цифровыми сигналами системы управления. Модельный ряд МВВ постоянно расширяется. Характеристики некоторых типов модулей представлены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики модулей ввода/вывода
ПТК «Пилон» внесен в Госреестр средств измерения [5] и обеспечивает прием, преобразование и представление в виде значений измеряемой величины следующих электрических аналоговых сигналов:
- силы и напряжения постоянного тока по ГОСТ 26.011;
- термометров сопротивления по ГОСТ 6651;
- термоэлектрических преобразователей по ГОСТ Р 8.585;
- частотных сигналов напряжения;
- омического сопротивления;
- силы и напряжения переменного тока.
Указанные сигналы от датчиков преобразуются в нормированный сигнал 4–20 мА специальными преобразователями – «мезонинами», устанавливаемыми на МВВ, как показано на рис. 4, или нормирующими преобразователями [6], устанавливаемыми на DIN-рейку.
Рис. 4. Установка нормирующих преобразователей («мезонинов») на МВВ
Для обеспечения надежности проектируемых систем в ПТК «Пилон» применены следующие кардинальные решения:
- резервирование технических средств и программного обеспечения;
- гальваническая развязка от основной сети 220 В переменного тока;
- электропитание каждого модуля осуществляется по разнесенным шинам от двух источников тока (основного и резервного) с наличием комплекса электронных защит. Объединение питания выполнено непосредственно в модулях так, что резервный источник питания работает на нагрузку только при отказе основного источника тока;
- гальваническая развязка входных, выходных и интерфейсных сигналов;
- диагностика исправности каждого модуля и интерфейсных линий связи;
- контроль цепей подключения датчиков и исполнительных устройств;
- применение средств внешней индикации отказов, позволяющих быстро найти неисправный модуль и заменить его;
- выбор радиоэлементов с двукратным запасом по рабочим параметрам (частота, напряжение, температура и т. д.), то есть их эксплуатация в облегченном режиме работы;
- применение надежных разъемов и дублирование в них контактов;
- усиленная степень защиты печатных плат модулей от сероводорода (для АС металлургической отрасли), влаги и соляного тумана.
Рис. 5. Схема блока контроля и управления
Рис. 6. Блок контроля и управления
Для повышения надежности в этой системе применено типовое для ПТК «Пилон» резервирование внутрисетевых интерфейсов RS‑485, когда МВВ с нечетными номерами подключены к линии Л 1, а с четными – к линии Л 2. Каждая пара модулей связана между собой дополнительным интерфейсом RS‑485 (линия Л 3). При отказе одной из трех интерфейсных линий связь ПКА с каждым из пары модулей не прерывается. Так, например, при отказе линии Л 1 обмен информацией с модулем МВВ 1 происходит по линии Л 2 через модуль МВВ 2 и линию Л 3.
В блоке контроля и управления отказоустойчивость системы питания десяти МВВ обеспечивают два блока питания – БП 1 и БП 2 (на рис. 6 в правом верхнем углу). Резервный блок БП 2 подключен в облегченном (теплом) режиме. ПКА имеет внутренние блоки питания. Электропитание всей системы осуществляется от основной сети электропитания переменного тока и резервной сети постоянного тока (аккумуляторной батареи).
Таблица 2. Характеристики блока контроля и управления
При необходимости это системотехническое решение позволяет использовать в проектах любую пару МВВ (то есть МВВ N и МВВ N+1) в режиме горячего резервирования, а также дает возможность применять аналогичное резервирование ПКА и АРМ оператора, если в схему блока контроля и управления (рис. 5) внести компоненты, как показано на рис. 7. В результате пользователи ПТК «Пилон» могут использовать возможность полного дублирования АС.
Необходимость применения резервирования в АС обусловлена требованием поддерживать непрерывность функций управления объектами, где:
- требуется высокий уровень готовности (например, в обороне);
- осуществляется непрерывный технологический процесс;
- простои ведут к большим финансовым потерям (например, в электроэнергетике) или сами объекты являются опасными (взрывоопасные, радиационно-опасные, химически опасные и пр.).
Рис. 7. Схема резервирования ПКА и АРМ оператора.
К подобным объектам относятся магистральные газокомпрессорные станции ПАО «Газпром». С учетом специфических требований к ним на базе ПТК «Пилон» специально спроектированы, серийно изготавливаются и поставляются системы автоматического управления (рис. 8, табл. 3) газоперекачивающими агрегатами (ГПА) с газотурбинным [8] или электрическим двигателем.
Рис. 8. Общий вид ПТК «Пилон-Р» для управления ГПА
Ключевая характеристика этих комплексов – отказоустойчивость, которая обеспечивается тройным резервированием компонентов системы в части выполнения функций в режимах автоматического пуска агрегата, нормального и аварийного останова, аварийной защиты и управления исполнительными механизмами.
Принцип построения АС с трехканальным резервированием поясняет структурная схема на рис. 9. Резервирование внутрисетевых интерфейсов Л 1, Л 2, Л 3 RS‑485 описано выше. Центральной частью АС являются три ПКА, образующих область обработки информации. Они управляют вводом информации из триады модулей ввода МНС 1.1, МНС 1.2, МНС 1.3 и осуществляют селекцию входной информации по логике «2 из 3». ПКА выполняют логическую обработку входных данных согласно алгоритму работы объекта и формируют команду управления исполнительным механизмом путем выдачи трех сигналов через выходные модули МСУ 1.1, МСУ 1.2, МСУ 1.3 на три реле К1, К2, К3, контактами которых осуществляется селекция выходной информации по схеме голосования «2 из 3». Контроль прохождения выходных команд управления осуществляется путем организации обратной связи с выходов модулей МСУ на входы модулей ввода дискретных сигналов.
Таблица 3. Характеристики системы управления ГПА
Все три ПКА имеют одинаковые версии программного обеспечения. В исходном состоянии ПКА 1 является основным ведущим устройством на первой линии Л 1 и ведомым – на второй линии Л 2, и соответственно наоборот: ПКА 2 – основное ведущее устройство на второй линии Л 2 и ведомое устройство на первой линии Л 1. ПКА 3 является запасным ведущим устройством на первой или второй линии. При выходе из строя основного ведущего ПКА на одной из линий – Л 1 или Л 2 – ведущим устройством становится ПКА 3.
В каждом четном такте линиями RS‑485 управляют основные ПКА (каждый – своей линией), в каждом нечетном такте обеими линиями RS‑485 управляет резервный ПКА 3. При таком способе разделения времени использования линий RS‑485 между основными и резервным ПКА не требуется специальной команды для подключения резервного компьютера. Тактирование обмена данными осуществляется по прерываниям от таймера ПКА с периодом 50 мс. Цикл обмена состоит из 2 тактов по 50 мс. Основные ПКА в четном такте обмена получают первый экземпляр информации по своей линии, как ведущие, и второй экземпляр информации – по второй линии в режиме прослушивания. Резервный ПКА 3 в четном такте работает в режиме прослушивания и получает первый экземпляр по линии Л 1 и второй – по линии Л 2. В следующем нечетном такте ПКА 3 осуществляет передачу основным ПКА третьего экземпляра информации по обеим линиям одновременно, если имеется неравенство между собой первого и второго экземпляров информации (при ошибке). Для устойчивой работы алгоритма селекции данных выполняется синхронизация каналов резервирования (с возможным рассогласованием ±1 мс).
Рис. 9. Структурная схема АС с тройным резервированием модулей
Обнаружение отказов в ПТК «Пилон» происходит с точностью до модуля (ПКА, МНС, МАС и т. д.) и линии RS‑485. При обнаружении 10 ошибок (сбоев) формируется признак неисправности соответствующего сменного устройства. В случае трех последовательных правильных результатов счетчик ошибок обнуляется. Внутренние линии Л 1, Л 2 RS‑485 определяются как неисправные после отсутствия достоверного обмена минимум с тремя модулями. Проверка контрольной суммы системы в каждом ПКА выполняется при его включении и через каждые 12 часов. При обнаружении ошибки осуществляется перезагрузка соответствующего ПКА. Информация о каждом выявленном отказе (с указанием отказавшего модуля) и о понижении степени резерва выводится на видеомонитор оператора. Кроме того, на передней планке отказавшего модуля включается индикация для облегчения его поиска и замены без прерывания технологического процесса. После замены отказавшего модуля повышение текущей степени резервирования происходит автоматически в первом цикле после его включения вследствие выполнения постоянного контроля оборудования.
Используемое в ПТК «Пилон» мажоритарное резервирование модулей имеет следующие преимущества:
- нечувствительность к ошибкам (сбоям) и автоматическое восстановление программ без прерывания процесса;
- значительное увеличение вероятности безотказной работы и готовности системы;
- отсутствие необходимости в постоянном присутствии дежурного персонала;
- повышение ремонтопригодности, так как замена отказавшего модуля осуществляется без прерывания технологического процесса (обслуживание становится проще);
- возможность разнесения параллельных каналов системы на расстояние друг от друга, что способствует как скрытности ее размещения, так и ее живучести при стихийных или других разрушающих воздействиях;
- применимость в полностью автономных автоматических системах без участия человека.
________________________________________
Литература
SCADA-система EiSCADA // НПП «Электронные информационные системы»: [сайт]. URL: eisystem.ru/products/sw/scada/ (дата обращения: 02.06.2017).
Система автоматического управления газораспределительной станцией // НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL: eisystem.ru/
products/apcs/saugrs/ (дата обращения: 02.06.2017).
САУ насосных и водозабора//НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL: eisystem.ru/products/apcs/saunasosnikh/ (дата обращения: 02.06.2017).
САУ котельных // НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL:eisystem.ru/products/apcs/saykotelnih/ (дата обращения: 02.06.2017).
Свидетельство об утверждении типа средств измерений комплексов программных и технических средств «ПИЛОН» RU.C.34.005.A № 36925 Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Измерительные преобразователи // НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL: eisystem.ru/products/hw/ip/ipanalog/iptok/ippilon/ (дата обращения: 02.06.2017).
Автоматизированная система коррозийного мониторинга магистральных газопроводов по высоковольтной линии электропередач // НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL: eisystem.ru/products/apcs/askm-vl/ (дата обращения: 02.06.2017).
Система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом «Пилон-Р»: [Электронный ресурс] // НПП «Электронные информационные системы» : [сайт]. URL: eisystem.ru/products/apcs/PilonR/ (дата обращения: 02.06.2017).
Статья_опубликована в журнале "ИСУП" № 3(69)2017
Н. М. Крючков, главный конструктор,
ЗАО «НПП Электронные информационные системы», г. Екатеринбург,
тел.: +7 (343) 263‑7368,
e‑mail: main@eisystem.ru,
сайт: eisystem.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
