Рассматривается опыт создания АСУ криогенно-гелиевой установки с использованием российского оборудования и программного обеспечения.
Компания «ИнСАТ», г. Москва
История вопроса
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) на базе действующего ускорителя «Нуклотрон»1 ведет сооружение нового уникального ускорительного комплекса – коллайдера NICA2. Это поистине масштабное предприятие, имеющее международное значение, потребовало глобальной модернизации всех систем. В компанию «ИнСАТ» обратились по вопросу автоматизации криогенно-гелиевой установки (КГУ) (рис. 1). На ресурсе IAEA (Международное агентство по атомной энергии) удалось найти ссылку на публикацию 1985 года «Алгоритмы автоматического управления криогенной гелиевой установкой КГУ‑1600/4.5» [1]. Однако с тех пор прошло уже больше тридцати лет, появились новые задачи, новая элементная база, безнадежно устарело ПО и возникла необходимость в новом взгляде на автоматизацию.
Рис. 1. Вид системы управления установкой КГУ до автоматизации
К 2017 году от комплекса автоматизации XX века ничего не осталось, вместо него была создана только система мониторинга состояния ожижителей (уровни криогенных жидкостей, обороты турбодетандеров, температуры в блоках ожижения) на базе контроллера и модулей ввода/вывода производства Advantech и адаптированной версии программного обеспечения для построения интегрированных систем безопасности ядерно-опасных объектов.
Что и зачем надо автоматизировать?
Криогенная система – это сложный комплекс оборудования для производства жидкого гелия, необходимого для охлаждения сверхпроводящих магнитов ускорителя, работающих при температуре 4,5 К. Не будет сверхпроводимости – не будет работать ускоритель и не состоятся эксперименты, к которым готовятся ученые с мировым именем, открытия не будут сделаны… В настоящее время гелий используется для охлаждения бустера3 и «Нуклотрона», а затем планируется его применение и для самого коллайдера NICA.
Общая схема установки представлена на рис. 2. В процессах производства жидкого гелия используется множество всяческого оборудования: газгольдеры, компрессоры, ресиверы, турбодетандеры, азотные танки, сборники гелия, датчики температуры и давления, вентили и клапаны, электронагреватели.
Рис. 2. Мнемосхема установки после внедрения АСУ ТП (увеличить изображение)
Ситуация усугубляется тем, что режимов работы установки несколько (пусковой, рефрижераторный, ожижительный, сателлитный) и задача автоматизации становится трудно формализуемой.
На производстве трудятся высококлассные специалисты с большим опытом работы. Однако при всем восхищении их профессионализмом хотелось бы минимизировать человеческий фактор и иметь возможность автоматизированного контроля столь ответственных процессов. Нам хочется верить, что автоматизация будет способствовать и общему техническому прогрессу, освободит человечество от рутинной работы ради реализации его творческого потенциала.
Сложности
Сама лаборатория физики высоких энергий создана в 1950‑е. Первый ускоритель лаборатории – синхрофазотрон на энергию протонов 10 ГэВ – запущен в апреле 1957 года. В то время это был самый крупный ускоритель в мире. Тогда же в лаборатории начались исследования в области криогенной техники и были созданы первые ожижители. По информации [2], к концу 1957 года был запущен ожижитель водорода, а осенью 1961 года – водородно-гелиевая установка. С тех пор технологии производства «холода» все время совершенствовались. Теперь нет водорода, а мощности современных криогенных установок лаборатории позволяют обеспечить функционирование сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон», снабдить жидким гелием физиков для проведения экспериментов.
Особенности и сложности:
- работа при температуре среды процесса, близкой к абсолютному нулю (4,5 К);
- разнообразие основных и вспомогательных процессов (компримирование4, регенерация, ожижение, охлаждение, вакуумирование, очистка, хранение и транспортирование);
- необходимость уточнения параметров процессов «на ходу» методом интервьюирования технологов для разработки оптимальных алгоритмов;
- переходные агрегатные состояния среды процесса.
При модернизации решения измерения криогенных температур нами был заменен устаревший преобразователь температур в 4–20 мА на современный преобразователь TCP/IP. Не потребовалось использовать дорогостоящее импортное оборудование, непосредственно в Дубне был изготовлен блок измерения криогенных температур (диапазон 4–300 К) с питанием PoE.
Проблема отсутствия описания процесса не могла решиться только путем интервьюирования технологов или операторов. Совместно с главным инженером лаборатории и начальником криогенного отдела было принято решение сначала реализовать комплексную систему диспетчеризации оборудования и получить достоверный архив измеренных параметров в разных режимах работы установки, а потом уже использовать эти результаты как исходные данные для создания АСУ ТП.
Сложные состояния процесса и возможности их поддержания нам еще предстоит изучить.
Построение АСУ ТП
В этой статье мы имеем возможность остановиться только на некоторых ключевых моментах нашей работы.
Система автоматизации была построена преимущественно с использованием российского оборудования. Сердце системы – резервированный контроллер TREI‑5B‑05 M903E (фирма «Треи», Пенза) со средой программирования и исполнительной системой MasterSCADA 4D (компания «ИнСАТ», Москва). В системе были применены: датчики TurboFlow (ГК «Турбулентность-ДОН», Краснодар), ТРМ202 и ПД100 (производственное объединение ОВЕН, Москва), цифровой тахометр (НПП «Дана-терм», Московская область, пос. Менделеево) и уже упомянутый многоканальный измеритель криогенных температур ПКТ‑8 (компания «Диалтек», Московская область, Дубна), термометры ТВО производства ЛФВЭ ОИЯИ. Серверы, преобразователи интерфейсов, коммутаторы и мониторы были закуплены импортные. Верхний уровень системы сделан в среде разработки MasterSCADA 3.10.
Связь с модулями TREI в контроллере реализована по протоколу St-bus, а с другими устройствами – по протоколу Modbus TCP (рис. 3).
Рис. 3. Дерево системы с контроллером Trei 903
Для основной задачи контроллера установлен цикл (период) 500 мс. Задача 1 исполняется с наивысшим приоритетом и циклом 50 мс. В эту задачу назначены те части алгоритма, которые требуют наибольшего быстродействия. Цикл задачи был определен экспериментально.
Программирование в MasterSCADA может осуществляться на любом из языков МЭК‑61131. Для обработки измеряемого параметра мы написали программу на языке FBD (рис. 4).
Рис. 4. Реализация обработки измеряемого параметра на языке FBD (увеличить изображение)
Поступившее на вход измеренное значение масштабируется относительно входной шкалы (от входного минимального до входного максимального) и выходной шкалы (от выходного минимального до выходного максимального) и умножается на коэффициент К. Например, значение входной шкалы 0…20 мА, выходной шкалы – 0…50 Гц, а коэффициента – 10, означает, что при входной величине 10 на выходе получается 250 единиц. Затем значение фильтруется апериодическим фильтром первого порядка: устраняются слишком резкие (относительно времени фильтрации) изменения входной величины. Блок гистерезиса необходим для исключения частых срабатываний предупредительных и аварийных уровней при нахождении величины рядом с уровнем.
После этого при помощи сравнения с уставками верхнего и нижнего предупредительного и аварийного уровней (ВАУ, ВПУ, НПУ и НАУ) и задержки включения сигнала на время TON срабатывают соответствующие сигналы о нарушении уровней при условии, что на входе имеется корректное значение (проводится проверка на минимум датчика и отсутствие отказа модуля).
Обработанные значения передаются по протоколу Modbus over TCP на верхний уровень. MasterSCADA ver.3.10 получает данные через Master Universal Modbus OPC сервер для визуализации и архивирования. Контроллер использует эти значения в задачах управления.
Обработка результатов
Основа для принятия решений по управлению – это архивы достоверных данных. Первое, что позволила сделать внедренная система, определить, какие исполнительные механизмы и какие действия каким именно образом влияют на параметры процесса. В частности, после получения данных сразу стало понятно, что на поддержание некоторых параметров оказывает влияние не тот клапан, который предполагался.
Возможность представлять на одном графике (тренде) аналоговые значения и события в совокупности с наличием развитого математического аппарата позволяют анализировать те или иные зависимости. На рис. 5 представлено совмещение события (синяя линия), изменение графика после воздействия (зеленая линия) и меню выбора типа операций над графиками.
Рис. 5. Операции над графиками
На рис. 6 представлен график (тренд) уровня в азотной ванне. Характерные всплески (больше реального объема ванны) – это скачки давления в результате кипения жидкости при подливе азота.
Рис. 6. График уровня в азотной ванне
Наличие системы регистрации параметров (комплексной системы диспетчеризации оборудования) позволило начать исследования возможностей регулирования. Для этого целесообразно использовать программу PID-expert. Программа подключается к действующей системе управления по ОРС-технологии и ведет собственный архив технологических переменных. На основании переходных процессов в контурах регулирования она определяет параметры объекта регулирования, рассчитывает настройки регулятора, а также позволяет производить имитационное моделирование переходных процессов, являющихся реакцией контура на различные возмущения, что дает возможность оценить характер поведения регулятора с рассчитанными настройками еще до того, как они будут установлены в реальную систему управления. На рис. 7 и 8 показан процесс настройки регулятора уровня в газгольдере.
Рис. 7. Идентификация объекта регулирования (источник данных – OPC-клиент)
Рис. 8. Моделирование САР уровня (объема) газгольдера
На сегодняшний день системой автоматизации получено значительно больше опытных данных, чем ожидалось. До сих пор продолжается их обработка. И в этом прослеживается сходство с теми экспериментами, которые проводятся на ускорителе лаборатории: эксперимент длится 20 дней, а результаты обрабатываются несколько месяцев. Самая интересная работа еще впереди!
Литература
1. Агапов Н. Н., Королев В. С., Слепнев В. М., Турзо И. Алгоритмы автоматического управления криогенной гелиевой установкой КГУ‑1600/4,5 / Сообщения объединенного института ядерных исследований. Дубна, 1985 // Международное агентство по атомной энергии [сайт].URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/16/085/16085731.pdf (дата обращения: 16.12.2019).
2. Агапов Н. Н. Научная школа криогеники в лаборатории высоких энергий / Письма в ЭЧАЯ. 2004 г. Т. 1, № 6.
__________________________________
1 «Нуклотрон» – базовая установка, предназначенная для получения пучков многозарядных ионов с энергией до 6 ГэВ на нуклон, протонов, а также поляризованных дейтронов.
2 NICA (Nuclotron-based Ion Collider Acility) – коллайдер протонов и тяжелых ионов, строящийся с 2013 года на базе Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), в г. Дубне Московской области. Ускорительный комплекс создается в целях исследования области физики частиц в ранее недоступной области параметров и условий эксперимента – получение интенсивных пучков тяжелых ионов и поляризованных ядер с целью поиска смешанной фазы ядерной материи и исследования поляризационных эффектов в области энергий до √sNN = 11 ГэВ/н.
3 Бустер: (англ. booster) – промежуточный циклический ускоритель, служащий инжектором для большого циклического ускорителя. Применение бустера позволяет повысить начальную энергию (энергию инжекции) большого циклического ускорителя, что приводит к существенному повышению его предельной интенсивности (из-за ослабления взаимодействия частиц пучка с ростом энергии) и к снижению поперечных размеров камеры ускорителя.
4 Компримирование – повышение давления газа с помощью компрессора, используется в процессах ожижения. Сопровождается повышением температуры газа и, как правило, требует последующего охлаждения.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 6(84)_2019
Г. Л. Веселуха, заместитель директора,
компания «ИнСАТ», г. Москва,
тел.: +7 (495) 989‑2249,
e‑mail: info@insat.ru,
сайты: insat.ru, masterscada.ru
_big.jpg'); "6(108)_small.jpg")
