Построение систем автоматизированного управления подготовкой газа на станциях подземного хранения газа.
Система автоматизированного управления подготовкой газа (САУ ПГ) на станции подземного хранения газа (СПХГ) предназначена для автоматизации технологических процессов мехочистки и осушки газа, отбираемого из пласта в осенне-зимний период.АСУ станции подземного хранения газа включает в себя совокупность подсистем с относительно слабыми информационными связями, каждая из которых обеспечивает автоматизацию управления одним из технологических комплексов СПХГ (компрессорная станция, газораспределительный пункт, установка подготовки газа и др.).
Назначением САУ ПГ является автоматизация процессов повышения кондиции сырого газа, подготавливаемого для подачи в магистральный газопровод.
Характеристика системы
Схема технологического процесса подготовки газа включает установку двухступенчатой мехочистки (УМО) от капельной влаги и мехпримесей и установку осушки, предназначенную для извлечения из газа влаги, находящейся в парообразном состоянии. В свою очередь, основное оборудование установки гликолевой осушки состоит из блока абсорберов и блока регенераторов диэтиленгликоля (ДЭГ).
Осушенный газ из абсорберов по общему коллектору поступает на замерный узел станции, где определяется его количество и величина влагосодержания. Основным показателем качества подготовки газа является влажность газа на выходе из абсорберов.
Технологические процессы установки подготовки газа (УПГ) представляют собой достаточно инерционные процессы с временем стабилизации параметров, измеряемым десятками минут.
Размерность системы характеризуется общим количеством сигналов ввода/вывода (аналоговых, дискретных и число-импульсных), используемых в САУ ПГ на СПХГ, которое составляет 400-600.
В процессе функционирования система управления подготовкой газа на СПХГ выполняет автоматизированное решение таких задач, как:
- наглядное отображение первичной информации (аналоговых и дискретных сигналов объекта) на экране дисплея;
- вычисление расхода газа и ДЭГ (по каждому абсорберу и суммарного) на основе первичных данных (давления, перепада давления и температуры на мерных диафрагмах);
- дистанционное управление отдельными механизмами УПГ (запорными кранами, кранами-регуляторами, насосами и пр.) с использованием возможностей АРМ (клавиатуры и "мыши");
- поддержание заданных режимов работы по расходу газа (суммарному и по каждому абсорберу) и по влажности очищенного (коммерческого) газа;
- отслеживание аварийных ситуаций и оповещение о них оператора через экран дисплея и звуковой сигнал;
- посуточное протоколирование результатов работы с возможностью их вывода на экран для просмотра и распечатки по запросу.
Выполнение функций системы структурно распределено между промышленными контроллерами и АРМ оператора.
Уровень промышленных контроллеров является нижним уровнем системы управления, где функции каждого контроллера могут варьироваться, но в совокупности они должны охватывать следующие основные операции:
- прием сигналов с объекта и выдачу на объект управляющих воздействий;
- управление механизмами объекта;
- поддержку связи с рабочей станцией оператора (верхним уровнем системы).
В САУ ПГ должно обеспечиваться автоматизированное управление следующими типами механизмов:
- запорная арматура с двумя устойчивыми состояниями (открыто-закрыто);
- регулируемая арматура, имеющая промежуточные устойчивые состояния (регулируемая степень открытости);
- механизмы, характеризующиеся состоянием "работа-останов" (насосы АВО и рефлюкса, водокольцевые компрессоры, вентиляторы и пр.).
Процесс управления механизмами включает прием и обработку первичных сигналов от механизмов (датчиков-концевиков, датчиков степени открытости кранов-регуляторов, датчиков состояния "работа-останов"), на основании чего формируются управляющие сигналы для передачи на исполнительные механизмы и определяется текущее состояние механизмов (для передачи на АРМ оператора).
Обмен информацией между промышленными контроллерами и АРМ оператора осуществляется по магистрали RS422, где в роли "Мастера" выступает АРМ оператора, а промышленные контроллеры являются подчиненными узлами сети информация по магистральному интерфейсу RS422 преобразуется в RS232С и вводится в АРМ оператора через стандартный последовательный порт.
Система САУ ПГ на СПХГ состоит из следующих основных составляющих: рабочей станции на базе IBM РС 300 PL; преобразователя интерфейса магистрали RS 232/422 FCC-1-0; промышленных контроллеров DL 405 (К1 К9); источников питания каналов дискретного ввода RР 1072-24 (3 шт.); входных кроссов на элементах WAGO (3 комплекта).
Конструктивно САУ ПГ СПХГ выполнена в виде четырех компонентов:
- рабочая станция (АРМ оператора) и преобразователь интерфейса магистрали установлены на отдельном специальном компьютерном столе;
- промышленные контроллеры, источники питания дискретных вводов, входные кроссы расположены в трех линейных распределительных шкафах PS 4005.600.
Вся работа оператора ведется через диалоговые окна, выдаваемые системой на экран АРМ на фоне постоянно присутствующего рабочего кадра под названием "АСУ ТП УОГ СПХГ", который автоматически выводится на экран после включения АРМ оператора и запуска системы.
При работе УПГ система постоянно обеспечивает прием и отображение технологической информации, вычисление расходов газа и ДЭГ, отслеживание аварийных ситуаций и протоколирование результатов работы. При этом функции оператора сводятся к наблюдению за процессом и квитированию (в случае необходимости) аварийных ситуаций, выявляемых и отображаемых системой.
При необходимости дистанционного управления механизмами оператор должен выйти из режима автоматического управления, устанавливаемого на системе по умолчанию. В этом режиме по инициативе оператора могут открываться (закрываться) запорные краны, запускаться (останавливаться) насосы АВО и рефлюкса, изменяться положения кранов-регуляторов в трактах газа и ДЭГ.
При управлении установившимся нормальным технологическим процессом осушки газа (обеспечивающим поддержание основного контролируемого параметра точки росы) система обеспечивает автоматизированный контроль и поддержание расхода газа и точки росы газа на выходе в заданных пределах за счет изменения расхода ДЭГ, подаваемого в абсорберы. Также обеспечивается равномерное распределение расхода поступающего из УМО газа между работающими абсорберами.
Технические и инструментальные программные средства построения системы
К настоящему времени в практике построения АСУ ТП сложилась некоторая характерная иерархия распределения используемых технических средств по уровням структурно-функциональной реализации систем.
При решении вопроса о методах и инструментальных средствах разработки системообразующего ПО, формирующего прикладной профиль АСУ, принимаются во внимание такие определяющие факторы, как:
- размерность и сложность системы;
- ограничение на время разработки;
- необходимость развития системы в перспективе (увеличение размерности, изменение интерфейсов, модернизация функций) на основе преемственности системных и конструкторских решений;
- количество и квалификация персонала, обслуживающего систему.
При разработке эффективной современной АСУ (с учетом приведенных факторов) на основе макромодульного подхода используются инструментальные средства программирования типа SCADA-систем. SCADA-системы позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс создания ПО для АСУ ТП при сокращении общего количества требуемых разработчиков и обеспечить по мере эксплуатации системы возможность модификации ее действующих компонентов (в том числе и конечными пользователями системы).
Одним из наиболее удачных инструментальных средств является инструментальный пакет InTouch фирмы Wonderware. Это набор мощных и гибких программно-инструментальных средств для разработки операторских интерфейсов при создании АСУ промышленного применения. InTouch позволяет реализовать функции контроля за работой предприятия и наблюдения за параметрами технологических процессов, в том числе путем графического отображения параметров на экране АРМ эксплуатационного персонала в темпе процесса с фиксацией их в реальном масштабе времени. InTouch допускает отображение в каждом окне экрана неограниченного количества динамических элементов. Программы InTouch интегрируются с серверами Microsoft SQL, Windows NT, Mail и др.
В зависимости от конкретных условий и решаемых задач каждый уровень системы предназначен для выполнения закрепленных за ним функций.
Верхний уровень (уровень 3) это комплекс с аппаратурой связи и специализированными АРМ на базе ПЭВМ типа IBM PC. Комплекс предназначен для приема и регистрации текущей и ретроспективной информации о работе агрегатов и узлов, в том числе в нештатных (аварийных) режимах, ее анализа оперативным персоналом для выявления причин неудовлетворительной работы и планирования профилактических мероприятий.
Средний уровень (уровень 2) это совокупность специализированных АРМ на базе ПЭВМ и малогабаритных промышленных контроллеров на базе изделий типа MicroPC, PLC-System, Siemens, Fanuc и др., аппаратно и программно совместимых с РС АТ. Контроллеры среднего уровня могут выполнять все функции УСО и использоваться в качестве средства сопряжения между верхним и нижним уровнями. На среднем уровне производится оперативный анализ состояния объектов контроля, управление аппаратурой нижнего уровня, сбор поступающей с нее информации для передачи на верхний уровень системы, обеспечивается предварительная обработка информации нижнего уровня и связь с верхним уровнем системы.
Нижний уровень (уровень 1) это интеллектуальные устройства на микропроцессорной основе (интеллектуальные датчики), обеспечивающие сопряжение с объектом. Аппаратура нижнего уровня объединяется в локальную сеть микроконтроллеров, предназначенных для снятия и обработки информационных сигналов с измерительных приборов и датчиков сигнализации, а также для выдачи управляющих воздействий и сигналов. Аппаратные средства нижнего уровня работают под управлением контроллеров среднего уровня.
Контроллеры УСО могут быть совмещены с техническими средствами среднего уровня (в операторной) или установлены автономно в виде удаленных УСО, связь которых с контроллером среднего уровня осуществляется по интерфейсу RS485.
Выходные каналы УСО могут обеспечивать управление магнитными пускателями, выключателями, исполнительными механизмами запорно-регулирующей арматуры, локальными системами управления технологическим оборудованием; пуск и остановку насосных агрегатов, включение и отключение питающих электрораспределительных устройств, пуск агрегатов с индивидуально настраиваемой выдержкой по времени, защиту по определенным значениям параметров и т.д.
В соответствии с представленной иерархией распределения аппаратных средств структуру программного обеспечения системы также целесообразно рассматривать применительно к приведенной иерархии.
Программное обеспечение верхнего уровня включает полный набор программных средств проектирования и запуска в реальном времени прикладного ПО АСУ ТП. Предоставляется возможность разрабатывать прикладные системы автоматизации в графических редакторах без программирования на машинных языках.
В качестве инструментального средства разработки программ, обеспечивающих пользовательский интерфейс современного уровня, применяются программные пакеты с графическими интерфейсами.
Для организации единой информационной базы хранения информации может быть использована система управления базами данных (СУБД) Paradox,позволяющая создавать базы данных, доступные для обработки как в MS-DOS, так и в Windows, впрочем также, как Visual Fox Pro.
В качестве инструментального средства разработки программ манипулирования файлами баз данных могут быть применены программные продукты Paradox фирмы Borland, обеспечивающие логическую целостность данных, хранимых в базе, а также позволяющие держать их на диске в зашифрованном виде.
В целом программное обеспечение верхнего уровня целесообразно разрабатывать на языке С++ фирмы Borland (Pascal) с функционированием этого ПО как под управлением MS-DOS (при адаптации ПО существующей АСУ ТП), так и Windows для обеспечения эволюционной преемственности.
Все программное обеспечение должно быть полностью открыто, чтобы позволять поддерживать, наращивать и развивать уже эксплуатируемое ПО без непосредственного участия разработчиков, модернизировать количество и типы каналов ввода/вывода каждого объекта проектным путем.
В процессе подготовки к эксплуатации должна предусматриваться настройка базовой (тиражируемой) АСУ ТП на конкретный объект управления (различное количество и сочетание каналов ввода/вывода и другие параметры).
Программное обеспечение АСУ ТП должно предоставлять возможность визуализации информации о процессах, происходящих на распределенных объектах управления, в виде достаточного количества дисплеев с набором различных типов окон, так, чтобы каждый тип окна отображал текущее или предшествующее состояние соответствующих параметров объектов или графики изменения аналоговых сигналов во времени.
Программное обеспечение среднего уровня предназначено для предварительной обработки полученных данных, передачи соответствующей информации на верхний уровень, управление аппаратурой нижнего уровня. Совместимость архитектуры контроллеров среднего уровня с IBM PC существенно облегчает создание прикладного программного обеспечения. Эволюционная модернизация прикладного ПО облегчается за счет использования средств замены фрагментов ПО дистанционно, используя последовательный интерфейс, в том числе через модем. При этом ПЗУ воспринимается как электронный диск, поэтому технология загрузки и функционирования системы практически аналогична применяемой при работе с настольной IBM PC-совместимой ПЭВМ.
Кроме того, в процессе эксплуатации при конфигурации контроллеров нет необходимости в программировании на каких-либо машинных языках. При их конфигурировании настройка программируемых контроллеров может быть осуществлена двумя способами:
- формирование файла-описателя на ПЭВМ с последующей его загрузкой в соответствующий контроллер с помощью поставляемых программных средств. При этом файл-описатель может состоять из отдельных блоков, в которых описываются настройки, специфические для каждого канала ввода/вывода;
- изменение конфигурации системы непосредственно на объекте автоматизации с пульта оператора.
В процессе диалога оператору предоставляются следующие возможности:
- вызов значения технологического параметра на экран в режиме слежения (то есть все изменения значения заданного параметра отображаются на экране);
- просмотр списка сообщений, поступивших за некоторый период времени, с разбивкой по значимости (изменения параметров, аварии, состояние технических средств и т.п.);
- отображение текущего состояния канала связи и устройств связи с объектом;
- ручной ввод значения параметра;
- ввод текущего времени и даты;
При программировании интеллектуальных контроллеров используются языки стандарта МЭК.
На уровне 1 используются встраиваемые в конструктив оборудования микропроцессорные элементы с фиксированной (вшитой) логикой.
Вопросы выбора интеллектуальных датчиков и микропроцессорных элементов, встраиваемых в конструктив технологического оборудования и исполнительных механизмов, в значительной степени решаются производителями технологических средств.
Вследствие объективных процессов, происходящих в экономике России в настоящее время, господствующим стало применение импортной микропроцессорной и компьютерной техники. Многочисленные филиалы западных фирм и совместные предприятия обеспечивают поставку импортных узлов, блоков, ЭВМ и простейших комплектующих, необходимых для создания современных автоматизированных информационно-компьютерных систем. Зависимость от импортных комплектующих делает невозможным выпуск полностью отечественных ЭВМ и ключевых системообразующих продуктов из-за отсутствия соответствующей элементной базы и комплектующих изделий.
Вместе с тем в ряде областей хозяйственной деятельности существуют объективные ограничения, обуславливающие необходимость применения отечественного оборудования, или, по крайней мере, "преимущественно" отечественного. В автоматизированных системах таких отраслей, по-видимому, может найти применение продукция фирм, образовавшихся на базе тех предприятий, которые в плановой экономике производили основные семейства ЭВМ (ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ) для применения в АСУ ТП.
Заслуживает внимания в связи с этим разработанное ОАО "ИНЭУМ" в 1998 г. семейство современных компьютерных средств СМ1820М. В состав СМ1820 входят управляющие вычислительные комплексы СМ1820М ВУ и промышленные контроллеры - СМ1820 ПК, что позволяет обеспечивать при построении АСУ ТП автоматизацию задач уровней 3 и 2.
Средства СМ1820М работают с инструментальными средствами (MMI/SCADA)и операционными системами (Windows, QNX, OS-9 и др.), получившими широкое применение при разработке и эксплуатации современных АСУ ТП. Средства СМ1820М ориентированы на современную, сложившуюся на сегодня в мировой практике систему интерфейсов, удовлетворяющих требованиям отечественных стандартов.
Управляющие вычислительные комплексы СМ1820М представлены шестью модификациями, различающимися по комплектации, функциональным возможностям, исполнению.
Промышленные контроллеры СМ1820 ПК представлены тремя модификациями с одним типом процессора и системного интерфейса. Основные различия определяются количеством обрабатываемых сигналов ввода/вывода и исполнением.
Рассмотренные принципы построения комплекса технических и программных средств АСУ ТП могут служить базовыми и для обеспечения автоматизации оперативного ведения технологических процессов при добыче, транспортировке, переработке и распределении продукции газовой промышленности.
Предложенное построение системы с учетом существующей большой номенклатуры эффективных контроллеров позволяет автоматизировать как небольшие объекты с минимальным набором датчиков, так и крупные объекты, имеющие несколько тысяч датчиков и узлов управления.
Построение систем автоматизированного управления подготовкой газа на станциях подземного хранения газа.Система автоматизированного управления подготовкой газа (САУ ПГ) на станции подземного хранения газа (СПХГ) предназначена для автоматизации технологических процессов мехочистки и осушки газа, отбираемого из пласта в осенне-зимний период.АСУ станции подземного хранения газа включает в себя совокупность подсистем с относительно слабыми информационными связями, каждая из которых обеспечивает автоматизацию управления одним из технологических комплексов СПХГ (компрессорная станция, газораспределительный пункт, установка подготовки газа и др.).