Примеры применения автоматизированных систем управления технологическим процессом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

1. АСУ ТП ПОЛУЧЕНИЯ 1,2-ДИХЛОРЭТАНА НА СТЕРЛИТАМАКСКОМ АО «КАУСТИК»

1.1 Общие сведения

Процесс получения 1,2-дихлорэтана (ДХЭ) в цехе №7 Стерлитамакского АО «Каустик» реализован по непрерывной технологической схеме и включает в себя две последовательно соединенные стадии:

синтеза ДХЭ из этилена и абгазного хлора;

ректификации ДХЭ с очисткой сточных вод от ДХЭ.

Стадия синтеза ДХЭ включает две параллельные технологические нитки, состоящие из реактора хлорирования и узла конденсации абгазов. В одной из ниток абгазы после хлоратора направляются в дополнительный реактор для дохлориронания оставшегося этилена.

Стадия ректификации ДХЭ включает в себя три последовательно включенные колонны с промежуточными емкостями, а узел очистки сточных вод - одну колонну отпарки ДХЭ из сточных вод стадии синтеза ДХЭ со сборниками.

Технологический процесс является пожаро- и взрывоопасным, оборудование обеих стадий расположено на улице (рис. 1, 2). Категория производственных помещений - В4А.

Микропроцессорная система управления технологическим процессом получения ДХЭ (АСУ ТП-ДХЭ) разрабатывается в соответствии с планом реконструкции и замены существующей щитовой системы контроля и управления ТП с пневматическими приборами и регуляторами.

Основной задачей разрабатываемой системы контроля и управления является снижение потерь этилена за счет высокоточного регулирования соотношения расходов этилен/хлоргаз на входе в реактор с компенсацией возмущений по давлению этилена и хлоргаза на входе в цех и концентрации хлора в абгазном хлоргазе. Кроме того, АСУ ТП-ДХЭ должна обеспечить безопасность протекания технологического процесса.

АСУ ТП-ДХЭ представляет собой иерархическую двухуровневую распределенную систему.

Нижний уровень АСУ ТП-ДХЭ включает три подсистемы:

подсистему контроля и регистрации параметров технологического процесса, реализованную на щитовых приборах типа А-542;

подсистему автоматического регулирования параметров;

подсистему сигнализации и противоаварийной защиты (СПАЗ) процесса при отклонении параметров за допустимые границы.

Подсистема автоматического регулирования выполнена на базе микропроцессорных контроллеров (МПК) Ремиконт Р-130, объединенных в две локальные сети «Транзит» по четыре контроллера в каждой для управления стадией синтеза с реактором дехлорирования абгазного этилена («Транзит 1») и стадией ректификации ДХЭ с узлом отпарки ДХЭ («Транзит 2»). Сети «Транзит» через шлюзы по линиям последовательного интерфейса связаны с персональными компьютерами (ПК) верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

Подсистема СПАЗ выполнена на базе программно-технического комплекса (ПТК) <КРУИЗ», включающего в себя промышленный персональный компьютер MicroPC, связанный через локальную вычислительную сеть Ethernet с ПК верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ. Связь с датчиками аналоговой и дискретной информации, лампами внешней мнемосхемы, электропневматическими клапанами, управляющими отсечными клапанами, и магнитными пускателями электроприводов насосов осуществляется через устройство связи с объектом (УСО) промышленного MicroPC.

Микропроцессорные контроллеры Р-130 нижнего уровня обеспечивают сбор и первичную обработку информации от датчиков, а также контроль и автоматическое регулирование технологических параметров с индикацией значений параметров на лицевой панели Р-130.

Контроллеры Р-130 обеспечивают возможность управления процессом с помощью клавиш лицевой панели. Кроме этого, используя пульт настройки Р-130, можно изменять параметры настройки регуляторов (коэффициент пропорциональности Кп, постоянную интегрирования Ти, коэффициент дифференцирования Кд).

Контроллер MicroPC реализует функции подсистемы сигнализации и противоаварийной защиты (СПАЗ) АСУ ТП-ДХЭ и работает автономно. УСО MicroPC и восьми МПК Р-130 подключены к общим датчикам основных технологических параметров: давления, концентрации, расхода, уровня, температуры.

На верхнем уровне АСУ ТП-ДХЭ на базе трех персональных компьютеров типа IBM PC в обычном исполнении организуются автоматизированные рабочие места (АРМ) аппаратчиков, с которых в реальном времени должны выполняться функции контроля и управления стадией синтеза ДХЭ (АРМ-1) и функции контроля и управления стадией ректификации ДХЭ с узлом отпарки ДХЭ (АРМ-2), а также функции архивации текущей информации и её обработки за отчетные периоды времени (ПК МА).

Для реализации информационных и управляющих функций верхнего уровня используется SCADA-система ТРЕЙС МОУД фирмы AdAstra Research Group версии 4.20.

При этом на двух ПК АСУ ТП-ДХЭ функционируют мониторы реального времени (МРВ) системы ТРЕЙС МОУД, на третьем ПК - сетевой монитор архива (МА) системы ТРЕЙС МОУД. На MicroPC подсистемы СПАЗ нижнего уровня в качестве базового пакета программного обеспечения функционирует Микро МРВ 4.20.

Подсистема СПАЗ ПТК «КРУИЗ» включает в себя

блок MicroPC;

блоки приема (блоки-коммутаторы) аналоговых сигналов 4-20 мА с гальванической развязкой на 30 каналов каждый - 3 шт.;

блоки приема (блоки-коммутаторы) дискретных сигналов 24 В постоянного тока с оптоизоляцией входов на 32 канала каждый - 2 шт.;

блоки дискретных выходных сигналов (блоки-коммутаторы) с оптоизоляцией выходных цепей 24 В постоянного тока и 220 В переменного тока на 16 каналов каждый - 10 щт.

Общее количество контролируемых параметров составляет 201.

Количество входных каналов:

аналоговых от датчиков и первичных преобразователей - 154;

дискретных от концевых выключателей отсечных клапанов - 24;

дискретных от магнитных пускателей насосов - 19;

дискретных от кнопок центрального пульта - 4.

Количество выходных каналов аналогового регулирования - 32.

Всего входных сигналов, подлежащих сигнализации, - 118, в том числе:

аналоговых - 61,

дискретных - 47.

Всего выходных сигналов - 102. в том числе:

на сигнализацию - 85,

на блокировку- 17.

1.2 Программное обеспечение верхнего уровня

В общем виде реализуемые на АРМ верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ функции можно разделить на три подкласса.

Индикация параметров ТП и сигнализация нарушений режима.

Управление из кадра (с экрана) технологическим процессом, реализуемое через МПК нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

Управление переходом по экранам (кадрам).

Информация о нарушениях технологического режима подлежит автоматической распечатке на принтерах ПК АРМ с одновременным сохранением её в специальном файле-отчете тревог.

На мониторах ПК АРМ возможность сигнализации отклонений от уставок обеспечена для всех контролируемых параметров. Кроме сигналов от датчиков и преобразователей, на экранах ПК АРМ осуществляется контроль и индикация переменных, коэффициентов и констант на входах и выходах алгоблоков (АБ) в алгоритмической структуре МПК Р-130 и обеспечивается возможность их изменения в реальном времени.

При реализации АСУ ТП-ДХЭ предусмотрена дополнительная возможность управления любой стадией с обоих АРМ (например, двумя хлораторами одновременно с АРМ-1 и АРМ-2 соответственно).

Поэтому информационные кадры, отображаемые в рабочих областях экранов ПК1 АРМ-1 и ПК2 АРМ-2, полностью идентичны друг другу, но сгруппированы в соответствии с разделением ТП на стадии и узлы и могут вызываться на любой из мониторов ПК. При этом базы каналов, используемые на АРМ-1 и АРМ-2, одинаковы по номерам, но отличаются друг от друга типами каналов.

Информационные кадры, отображаемые на экране ПКЗ операторской станции архива, частично идентичны кадрам, отображаемым на АРМ, а частично отличаются от них. Эти кадры могут использоваться как аппаратчиками ЛРМ-1 и АРМ-2, так и другим технологическим или административным персоналом цеха.

Визуализация информации с промышленного компьютера подсистемы СПАЗ осуществляется на мониторах ПК1, ПК2 и ПКЗ.

На экранах ПК АРМ верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ реализуются следующие типы информационных кадров: заставка АСУ ТП, заголовок АРМ-1 (АРМ-2), мнемосхемы, обзорные кадры АРМ-1 (АРМ-2), кадры группового управления, текущие тренды, архивные тренды, кадры «контур» для управления настройками автоматических систем регулирования (АСР), кары индивидуального контроля параметров, кадр параметров аналитического контроля, контроль состояния технологического оборудования, просмотр отчетов технико-экономических показателей (ТЭП), экран просмотра режимных листов, просмотр протокольных кадров, экран просмотра характеристик нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ, экран просмотра характеристик верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

Кадры мнемосхем содержат схемы отдельных узлов процесса с указанием взаимосвязи контуров регулирования параметров.

Кроме этого, с кадров мнемосхем возможен выбор контура регулирования, управление которым осуществляется с использованием специальной панели. При этом обеспечена возможность управления параметрами регулятора, возможность переключения контура управления с автоматического режима на ручной и непосредственное управление величиной сигнала на клапан.

Обзорные кадры представляют информацию о значениях и состоянии всех контролируемых и регулируемых технологических параметров по стадии, относящейся к данному АРМ, а также о состоянии оборудования этой стадии.

Кадры группового управления отображают группу из регулируемых и связанных с ними нерегулируемых (до четырех) параметров и обеспечивают возможность одновременного ручного управления несколькими контурами АСР путем изменения их параметров или величины сигнала на регулирующий клапан.

Кроме того, для каждого регулятора на экране представлены тренды текущих значений сигналов и параметров.

Кадр «Контур» предназначен для настройки параметров регуляторов и имеет две модификации. Первая модификация предназначена для одноконтурных схем. Она включает в себя одну панель для управления значениями параметров настройки контура Кп, Ти, Кд (осуществляется при вводе пароля). Вторая модификация предназначена для каскадных схем, и на ней присутствуют две панели настройки ведущего и ведомого регуляторов.

На этом же кадре размещена панель для включения/выключения режима автоматической настройки параметров регуляторов с индикацией рассчитанных оптимальных значений Кп и Ти.

Кадры «текущие тренды» и «архивные тренды» отображают графики изменения во времени текущих или архивных значений шести параметров (в %) с их идентификацией цветом и стилем линий, а также индикацией значений параметров по визиру в физических единицах. С этого кадра по паролю осуществляется включение/выключение любого параметра из цикла опроса.

Кадр индивидуального контроля параметров позволяет просматривать тренды всех контролируемых и регулируемых параметров, а также управлять значением аварийных границ, шкалой, периодом опроса и включением/отключением опроса для любого параметра.

Экраны для просмотра текстовых файлов организованы аналогично друг другу и позволяют осуществлять просмотр:

оперативных форм сменных, суточных рапортов, отчетов с начала месяца, квартала, года, (от начала периода до момента запроса) и их архивных форм за полный учетный период;

усредненных на интервале в 1 час значений основных контролируемых параметров, оперативных от начала смены до момента запроса и сменных за полную смену;

отчета тревог, протокола нарушений, протокола событий текущих или архивных. Экран просмотра характеристик нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ позволяет контролировать текущую структуру сетей «Транзит I» и «Транзит» 2 МПК Р-130 с сигнализацией наличия неисправных Р-130 или шлюзов и индикацией их номера, а также наличие ошибок контуров регулирования в Р-130 с сигнализацией светом и индикацией номера Р-130 и номера неисправного контура.

Экраны просмотра характеристик верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ позволяют контролировать текущую структуру ПК АСУ ТП-ДХЭ с сигнализацией наличия неисправных ПК и индикацией номера неисправного (отключенного) узла, а также индикацию периодов опроса сети, номера сетевых узлов приемников или источников данных.

2. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ АСУ ТП СТАДИИ НЕПРЕРЫВНОЙ ЭТЕРИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУТИЛАЦЕТАТА

2.1 Технологический процесс стадии непрерывной этерификации бутиацетата

Бутилацетат (БА) широко применяется в производстве медицинских препаратов, пластмасс, целлофана, кинофотопленки, искусственных кож, клея, лаков и эмалей. Одним из основных производителей высококачественного БА в России является АО «Дмитриевский химический завод» в г. Кинешма Ивановской области.

Получение БА основано на реакции этерификации уксусной кислоты (УК) бутиловым спиртом (БС) в присутствии катализатора - серной кислоты. Технологический процесс (ТП) стадии непрерывной этерификации имеет достаточно сложное аппаратурное оформление, содержащее приемные и напорные баки, подогреватель и испаритель, куб - этерификатор (КЭ), колонну азеотропной ректификации (КР), дефлегматоры и флорентину, а также емкости готового продукта. В общем случае ТП в установившемся режиме осуществляется следующим образом. Исходные компоненты УК и БС в заданном массовом соотношении из напорных баков через подогреватель подаются в нижнюю часть испарителя, из которого парожидкостная смесь поступает в КЭ через барботер, погруженный в жидкость. Греющий пар под давлением поступает в змеевики КЭ и испарителя. Пары из КЭ подаются в нижнюю часть КР для разделения двойного гетерогенного азеотропа БА и воды от УК. Из верха КР пары БА, БС и воды в виде смеси бинарного и тройного азеотропов направляют в дефлегматор. Далее конденсат разделяется на два потока: одна часть возвращается вверх в КР в виде флегмы, а другая направляется во флорентину, где расслаивается на БА и эфироводу. Из низа КР жидкая фаза возвращается в испаритель.

2.2 Основные цели и направления работ по созданию АСУ ТП

Основная цель состоит в повышении в 1,5 - 2 раза производительности стадии непрерывной этерификации и снижении удельного энергопотребления при сохранении заданного качества БА, а также в оснащении ТП современными средствами контроля состояния и оперативного управления.

Структурная схема АСУ ТП стадии этерификации в производстве БА приведена на рис. 1.

Анализ объекта управления позволил определить необходимость следующих направлений работы:

создание системы автоматического управления (АСУ) температурой на «контрольной» тарелке внизу КР, которая косвенно характеризует состав парожидкостной смеси при азеотропной реакции;

разработка АСУ температурным режимом стадии в условиях изменения нагрузки на испаритель в широком диапазоне, а также действия неконтролируемых возмущений по жидкой фазе из низа КР и давлению греющего пара;

построение системы управления массовым соотношением компонентов (МСК) УК и БС при значительных колебаниях их концентраций и температур;

разработка алгоритмов стабилизации расходов УК и БС в заданном соотношении, расходов флегмы и охлаждающей воды, давления греющего пара, давлению паров внизу КР, температуры и уровня в КЭ, а также реализация режимов частичного и полного автоматического останова стадии при возникновении аварийных ситуаций;

для оперативного контроля эффективности ведения технологического процесса должны быть установлены система отображения мнемосхем с динамически изменяющимися параметрами, система регистрации и воспроизведения ретроспективной информации с интервалом хранения данных не менее 2 - 3 месяцев, система архивации диагностических сообщений с возможностью получения отчетов на дисплее и бумаге.

2.3 Аппаратные средства

Для создания АСУ ТП было предложено применить в качестве низового контроллера Ломиконт Л-112.

Так как контроллер не отличается высокой надежностью, основной режим работы контроллера - с дублированием, что позволяет существенно повысить живучесть АСУ ТП.

Рис. 1. Структурная схема АСУ ТП на базе контроллера Ломиконт Л-112

Условные обозначения:

КС1 - канал связи для «горячего» резервирования

КС2 - КС4 - каналы связи с рабочими станциями

РС1- РС3 - рабочие станции оператора.

Общее количество подключаемых к Л-112 сигналов для двух линий непрерывной этерификации включает 110 аналоговых и 60 дискретных входов-выходов.

Для осуществления контроля за состоянием технологического процесса двух линий этерификации и оперативного управления применены рабочие станции (РС) на базе IBM PC совместимых компьютеров, которые размещены вместе с контроллером Л-112 в помещении с кондиционированным воздухом и подключены к источникам бесперебойного питания SMART-UPS.

Система поддерживает до трех рабочих станций, имеющих одинаковые функциональные возможности и ПО. Связь рабочих станций с Л-112 осуществляется через адаптер RS-232 и ИРПС со скоростью 9600 бод. Режим работы РС оперативно устанавливается в одно из двух состояний: командный (К) или информационный (И).

2.4 Программное обеспечение

В состав программного обеспечения рабочей станции входят следующие компоненты:

программы создания и корректировки базы данных АСУ ТП;

диспетчер задач с программами первоначального запуска и настройки системы «мягкого» реального времени;

программы настройки систем управления верхнего уровня;

исполнительные модули подсистем реального времени;

комплекс средств человеко-машинного интерфейса (ММI) и обмена информацией с контроллером Ломиконт Л-112.

База данных (БД) РС построена на паспортном принципе и содержит информацию обо всех типах сигналов и переменных АСУ ТП, к которым имеется централизованный доступ из всех приложений. Кроме типов данных, однозначно связанных с подключаемыми сигналами, в БД в виде отдельных типов определены параметры регуляторов, параметры ручного ввода, вычисляемые значения, а также тренды аналоговых входов.

Диспетчер задач реального времени выполняет первоначальный запуск программного обеспечения АСУ ТП в работу, его «холодный» или «теплый» перезапуск в случае сбоев или остановов, а также вызов на выполнение с заданным интервалом и приоритетом задач реального времени.

Минимальный интервал выполнения задач - 1 секунда. Необходимо отметить, что с целью обеспечения безударного восстановления после сбоев для отдельных типов данных поддерживается режим ведения страховых копий.

Подсистема обмена информацией с контроллером Ломиконт Л-112 обеспечивает ввод информации в РС, а также выдачу управляющих команд. Интервал ввода команд может быть установлен с точностью до тика. Данная подсистема имеет гибкий механизм настройки и работает в режиме обработки прерываний.

Программа первичной переработки информации выполняет функции по фильтрации и линеаризации сигналов, аппроксимации шкал датчиков, вычислению действительных значений параметров, а также выполнению технологического и аварийного контроля переменных ТП. Дополнительно подсистема контролирует изменение режимов работы оборудования и систем управления, а также формирует в суточном журнале событий диагностические сообщения, которые одновременно поступают в окна аварийных тревог на панелях РС и сопровождаются звуковыми сигналами различной тональности.

Суточные архивы технологических параметров и диагностических сообщений хранятся в отдельных файлах, структура которых соответствует СУБД Paradox фирмы Borland International.

Средства человеко-машинного интерфейса в данном проекте представлены комплексом панелей определенной структуры, предназначенным для отображения информации и ведения диалога. В большинстве панелей имеется верхнее и нижнее меню направлений диалога. Общее количество функциональных клавиш или их комбинаций достаточно велико, причем часть из них могут быть скрытыми. Отображение динамической информации на панелях производится посредством таких элементов, как значение параметра, семафор, кнопка, панель регулятора, график, столбцовая диаграмма, тренд, поле сигнализации и окно аварийных сообщений.

Кроме автоматически измеряемых параметров, ряд переменных состояния ТП определяется с помощью лабораторных анализов или различных методик вычисления. Информация, поступающая через панель ручного ввода информации, размещается в БД РС и используется в вычислительных процедурах, а также доступна для архивации.

Реализация систем стабилизации отдельных параметров, каскадных схем с коррекцией и соотношения общим количеством более 20 выполнены в рамках ПО контроллера Ломиконт Л-112 на базе стандартной библиотеки алгоритмов, при этом доступную точность управления можно считать удовлетворительной.

Особое внимание было уделено системе управления температурой парожидкостной смеси на выходе испарителя, нагрузкой для которого являются подаваемые исходные компоненты УК и БС, а также жидкая фаза из низа КР. Экспериментальные исследования динамических характеристик испарителя подтвердили наличие нестационарности объекта управления и высокий уровень неконтролируемых возмущений. В этих условиях было решено применить адаптивную систему управления, основанную на принципах беспоисковой самонастройки.

Результаты идентификации КР по каналу «расход флегмы - температура на «контрольной тарелке» выявили его инерционный характер и наличие транспортного запаздывания, превышающего величину наибольшей постоянной времени. Кроме того, изменения нагрузки на стадию и действие неконтролируемых низкочастотных возмущений приводят к нестационарности коэффициента передачи объекта управления. В этой ситуации необходимо применять системы с компенсацией транспортного запаздывания и самонастройкой канала управления. Цифровое моделирование остановило выбор на системе управления для объектов с запаздыванием.

Программное обеспечение рабочих станций разработано на языке С++ версии 3.0 фирмы Borland International, Inc.

2.5 Результаты работы

По результатам опытно-промышленной эксплуатации достигнут устойчивый режим работы стадии этерификации с увеличенной в 1,7 раза производительностью и заданным качеством БА. Существенно сокращено потребление греющего пара; выведен из эксплуатации ряд самопишущих приборов.

Дальнейшие пути совершенствования или создания новых АСУ ТП в производстве БА видятся на пути применения более современных контроллеров нижнего уровня в сочетании с качественными программными средствами человеко-машинного интерфейса, работающими под управлением Windows.

3. СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Представлена система автоматизации ТРОЛЛЬ, внедренная на Саянском алюминиевом заводе. Большое внимание уделено техническим аспектам применения контроллеров MicroPC в крупном проекте автоматизации. Проект был реализован фирмой ТоксСофт в течение 1996-97 годов. Панорама Саянского алюминиевого завода.

3.1 Особенности поставленной задачи

Задача автоматизации состоит в разработке, изготовлении и внедрении оборудования и программного обеспечения для управления процессом производства алюминия электрохимическим способом.

Производство алюминия является многоступенчатым процессом, включающим в себя производство сырья, получение алюминия электролизом криолито-глиноземного расплава и литье заготовок для дальнейшей переработки. Нас интересует производство алюминия в процессе электролиза. Электролиз алюминия происходит в специальной ванне, называемой электролизёром (примерные размеры от 3х6х2 до 5х12х4 м). В каждом корпусе алюминиевого завода в среднем находится 80-100 ванн, включенных последовательно в цепь постоянного тока. На Саянском алюминиевом заводе (СаАЗ), стояла задача автоматизировать два корпуса, в каждом из которых находится 98 электролизёров.

С точки зрения автоматизации, электролизёр представляет собой объект, с которого снимается информация о его состоянии и выдаются сигналы для управления оборудованием, установленным на нем. Анализируемая информация включает в себя текущее напряжение на ванне (обычно 4-5В, доходит до 80 В) и силу тока (порядка 172000 А). Учитывая, что все 196 электролизёров включены последовательно, достаточно измерять ток в одном месте. Совокупность соединенных последовательно электролизёров часто называют серией.

Конструктивно электролизёр представляет собой ванну электролиза с неподвижным катодом и подвижным анодом, приводимым в движение двумя электродвигателями трехфазного тока мощностью 3 кВт. Кроме того, на электролизёрах установлены системы автоматического питания глинозёмом (АПГ). Система АПГ предназначена для подачи сырья (глинозема) в область электролиза. Подача осуществляется парами «пробойник + дозатор». При срабатывании пробойник пробивает корку над жидким электролитом и дозатор, установленный в нижней части бункера с глиноземом, засыпает в ванну фиксированное количество (3-8 кг) сырья. Таким образом, управление режимом работы электролизёра осуществляется следующими двумя путями:

1. Изменение положения анода, то есть его высоты над расплавленным алюминием. Это так называемое межполюсное расстояние (МПР) влияет на сопротивление электролита.

2. Изменение интервала между подачами доз глинозема (обычно порядка 2-3 минут), что, в свою очередь, влияет на концентрацию глинозема в электролите.

Основной задачей системы является расчет и поддержание оптимальных значений этих параметров. Для управления электролизёром рядом с ним устанавливается блок управления (БУ), который измеряет напряжение ванны, получает значение текущего тока, и управляет двигателями привода анода и пневматическими клапанами включения пробойников и дозаторов. В современных системах один блок управляет двумя электролизёрами.

Главной отличительной особенностью системы автоматизации электролиза алюминия является наличие множества однотипных объектов управления. В рассматриваемой системе наличие 196 электролизёров привело к необходимости изготовить ровно 100 блоков управления. Количество блоков управления даже в рамках одного проекта приближается к серийному, и соответственно возрастают требования к цене, надежности и удобству эксплуатации. Кроме того, к системе предъявляется ряд особых требований, связанных с условиями её эксплуатации, а именно:

наличие сильного постоянного магнитного поля (БУ работает в непосредственной близости от проводника тока на 100-300 кА);

работа в широком температурном диапазоне (на сибирских заводах, к которым относится СаАЗ, диапазон рабочих температур БУ составляет от -40до+55°С);

отсутствие возможности заземления - каждая ванна фактически ^висит в воздухе», и напряжение между ванной и землей доходит до 800-900 В при возможном токе до сотен тысяч А;

наличие в воздухе мелкодисперсной пыли, содержащей глинозем и фтористые соли, а также газообразного фтороводорода (фтор является одним из самых активных окислителей);

сильные электромагнитные помехи, вызванные работой оборудования цеха (краны, напольная техника и т. п.).

3.2 Структурная схема АСУ ТП

Основным элементом системы являются блоки управления (БУ) электролизёром. Каждый блок управляет двумя ваннами, кроме БУ. установленных у торцов корпусов, каждый из которых управляет одной ванной. Соответственно, в каждом корпусе на 98 ванн (1 и 2 корпуса электролизного цеха) установлено по 50 БУ. Все блоки объединены в единую сеть корпуса электролиза, В эту же сеть включены компьютер верхнего уровня (АРМ оператора корпуса) и контроллер тока/напряжения серии (КТНС). АРМ операторов корпусов соединены по сети Ethernet с АРМ технолога.

3.3 Блок управления ТРОЛЛЬ

Блоки управления ТРОЛЛЬ производятся на заводе СПУ (Санкт-Петербург). При проектировании блока и выборе комплектующих учитывались многие типичные для России неисправности. Например, кнопки ручного управления и пускатели двигателей не имеют движущихся частей, что исключает их залипание от попадания влаги или грязи. Реализована, разумеется, и многоуровневая программная защита от различных аппаратных сбоев.

Простота и удобство обслуживания обеспечиваются модульной конструкцией на разъёмах, что делает возможным быструю замену отдельных блоков.

БУ ТРОЛЛЬ установлены в корпусе электролиза рядом с электролизёрами, Размеры блока составляют 1600х600х400 мм (высота/ширина/глубина).

В нижней части блока находятся силовые модули управления двигателями привода анодной рамы, а также клеммные колодки, к которым подключается оборудование электролизёра и подводится питание БУ. На дверце нижней части расположены автоматы-расцепители питания двигателей.

В верхней части блока находится контроллер MicroPC фирмы Octagon вместе с модулями оптической развязки фирмы Grayhill. Все входы и выходы блока управления имеют гальваническую развязку. В верхней же части находятся модули термостатирования БУ, в том числе нагреватели и вентиляторы, обеспечивающие постоянную положительную температуру внутри блока.

На дверце верхней части расположена панель индикации и управления блоком, состоящая из двух светодиодных дисплеев индикации параметров работы электролизёров, совмещенных с мембранными клавиатурами управления электролизёрами. Посередине расположена мембранная клавиатура выбора режима индикации. Панель, управляемая отдельным микроконтроллером, позволяет:

отображать до 64 различных параметров работы электролизёров и блока управления;

задавать уставочные значения параметров управления электролизёрами;

осуществлять переключение между ручным, автоматическим и специальными режимами управления;

управлять в ручном режиме двигателями анода и системами автоматической подачи глинозема.

Следует отметить, что все сигналы ручного управления проходят через контроллер MicroPC. Надежность канала (клавиатура контроллер М1сгоРС модули опторазвязки оборудование) не уступает применяемым обычно для этого релейным схемам, при этом контроллер «знает» о ручных воздействиях, протоколирует их и учитывает при дальнейшем автоматическом управлении, а также может ограничивать или запрещать их при определенных условиях, исправляя грубые ошибки персонала.

Над панелью размещены лампы индикации 3-фазного напряжения двигателей и аварийной сигнализации.

В состав контроллера блока управления входят : процессорная плата 5025А (процессор - i386SX-25 МЩ; оперативная память - 1 Мбайт; энергонезависимая память - 512 Кбайт; флэш-диск - 512 Кбайт; операционная система - ROM-DOS 6.22), две платы ввода/вывода 5648 и сетевая плата Arcnet 5560. Контроллер получает сигналы с 2 аналоговых и 25 дискретных входов и управляет 22 дискретными выходами (все входы/выходы с оптической развязкой 1.5-4 кВ).Дополнительно может быть установлено до 14 аналоговых входов, 34 дискретных входов и 6 дискретных выходов. Следует отметить, что характеристики контроллера на порядок превосходят аналогичные параметры других систем, где типичный контроллер пмсе'1¹ быстродействие 16-разрядного процессора с тактовой частотой

имеет быстродействие 16-разрядного процессора с тактовой частотой 10-16МГц при памяти в 16-б4 Кбайт. Избыточная же мощность контроллера MicroPC позволила реализовать некоторые алгоритмы, принципиально невозможные в других системах. Блоки поставляются с оригинальным программным обеспечением, соответствующим реальному оборудованию завода (оперативная доработка базового ПО в соответствии с ТЗ заказчика). Программное обеспечение контроллера является открытым. Добавление новых или изменение существующих алгоритмов возможно не только при поставке специалистами АО ТоксСофт. но и заводскими программистами в процессе эксплуатации.

Разработанные для системы алгоритмы были проверены и отработаны на Саянском алюминиевом заводе в течение двух лет. В процессе отработки не было ни одного сбоя в работе алгоритмов и была подтверждена эффективность их работы с различными типами электролизёров.

3.4 Контроллер тока и напряжения серии (КТНС)

Контроллер тока и напряжения серии установлен на Кремниевой Преобразующей Подстанции (КПП) серии. Конструктивно КТНС представляет собой шкаф в исполнении IP54. в котором установлен контроллер MicroPC фирмы Octagon и аналоговые модули ввода. На вводы подаются тоновые сигналы с датчиков тока серии и напряжения корпусов. КТНС включен в единую локальную сеть с БУ корпуса.

3.5 Технологическая сеть Arcnet

БУ объединены в общую для каждого корпуса сеть Arcnet. Сеть реализована по совмещенной схеме «звезда» и «шина». В каждом корпусе стоит концентратор, к которому оптоволоконным кабелем подключены 8 групп БУ. В тех БУ. к которым подходит оптический кабель, установлены трансиверы, преобразующие оптический сигнал в сигнал для коаксиального кабеля. Шина между блоками внутри группы реализована на коаксиальном кабеле с оптоволоконными перемычками. Такое решение архитектуры сети обеспечивает: автоматизированный производство аппаратный программный

минимизацию возможных гальванических связей по сетевому кабелю. Коаксиальным кабелем, по которому .может возникнуть гальваническая связь, соединены блоки, работающие не более чем с 6 последовательными ваннами, падение напряжения на которых не превышает обычно 30 В;

гальваническую изоляцию помещений операторов серии и КПП от потенциала серии;

достижение значительной суммарной протяженности сетевых линий (длина корпуса составляет порядка 700 м) при длине коаксиальных сегментов не более 100 - 120 м, что обеспечивает устойчивую работу сети Arcnet.

К этому же концентратору оптоволоконным кабелем подключены АРМ оператора корпуса и контроллер тока/напряжения серии. При этом в КТНС установлены четыре сетевые платы, благодаря чему один КТНС включен в две независимые сети корпусов.

3.6 АРМ оператора

АРМ оператора корпуса включено в сеть Arcnet корпуса. Оно берет на себя большую часть работы персонала, уменьшая возможность ошибок и неточностей в работе операторов. Программное обеспечение APM оператора реализовано в среде DOS/DPM132 с использованием библиотеки графического интерфейса GWM разработки ТоксСофт. АРМ оператора выполняет следующие основные функции:

одновременно показывает на экране состояние всех ванн и/или подробные характеристики и параметры работы подсистем одной ванны;

звуковым сигналом и сообщениям на экране предупреждает оператора о возникновении нештатных ситуаций;

в большинстве нештатных ситуаций производит голосовое оповещение в корпусе об их возникновении;

дает оператору возможность менять уставки, управлять движением анода, работой АПГ и других подсистем;

проводит самодиагностику и проверку работоспособности аппаратуры и программ нижнего уровня.

3.7 АРМ технолога

Компьютеры операторов корпусов соединены по сети Ethernet с АРМ технолога (компьютером базы данных), предназначенным для накопления данных, печати сводок и анализа работы серии. Программа АРМ технолога, разработанная на базе Borland Delphi, работая в автономном режиме, автоматически составляет и распечатывает сводки. При этом оператор и технолог могут в любой момент получить доступ к данным о работе алюминиевого производства. Работая в автономном режиме, программа АРМ технолога

сохраняет информацию о работе всех электролизёров серии в течение 3 лет для последующей обработки и анализа;

составляет и печатает сводки за смену и сутки;

проводит самопроверку и устраняет возможные неполадки. Программа позволяет технологу

работать с базой данных процесса электролиза, создаваемой системой, то есть генерировать отчеты, сводки, проводить специальный анализ;

видеть на экране и одновременно печатать результаты анализа;

просматривать на экране и печатать цветные графики работы как отдельных электролизёров, так и корпуса или серии в целом.

3.8 Преимущества применения контроллеров MicroPC в ТП производства алюминия

Применение контроллеров MicroPC в качестве основной интеллектуальной части системы производства алюминия обеспечило:

надежную работу оборудования в особых технологических условиях - мощном магнитном поле, широком температурном диапазоне, отсутствии возможности заземления, наличии в воздухе химически активной пыли, сильных электромагнитных помехах;

мощные вычислительные ресурсы, позволившие реализовать технологические, контрольные и сервисные алгоритмы на качественно новом уровне, обработку и сохранение объемов информации, сравнимых с обрабатываемой специально сконструированными экспериментальными системами;

возможность разработки программного обеспечения в привычной для программистов среде DOS, его отладки стандартными средствами, использования распространенных библиотек, драйверов и утилит;

совместимость программного обеспечения всех уровней системы, его полную открытость для пользователей и возможность оперативной доработки и адаптации

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ OPTOSOFT

4.1 Общие сведения о системе OPTOSOFT

В последнее время все большей популярностью пользуются распределенные системы, где «интеллект» рассредоточен по контроллерам, расположенным непосредственно у объектов контроля и управления. Контроллеры, как правило, связываются между собой и системами управления верхнего уровня с помощью низко- или среднескоростных сетей, в том числе с использованием специальных промышленных шин (fieldbus). Именно для таких контроллеров нижнего уровня фирмой «Парагон» разработано программное обеспечение реального времени OPTOSOFT. Система OPTOSOFT работает на IBM PC совместимых платформах под управлением операционной системы DOS. Система имеет модульную открытую архитектуру (рис.2), позволяющую гибко настраивать программное обеспечение под конкретную конфигурацию аппаратных средств контроллера и используемые коммуникационные протоколы. Основой OPTOSOFT является ядро реального времени, в котором реализованы принципы приоритетной вытесняющей многозадачности. Ядро вместе с API сообщений и расширенными функциями реального времени выполнено в виде TSR - программы DOS.

Все задачи, включая драйверы для плат расширения и логические драйверы коммуникационных протоколов, представляют собой однотипные программные модули, которые во время запуска ядра реального времени подгружаются в память по принципу DLL - библиотек системы Windows. Перечень запускаемых на выполнение задач определяется пользователем с помощью специального конфигурационного файла и зависит от конкретного сочетания аппаратных средств контроллера, а также от коммуникационных управляющих функций, которые он должен выполнять. Ядро реального времени решает проблему нереентерабельности DOS и корректно переключает контексты задач, включая контекст арифметического сопроцессора и различные системные таблицы DOS.

В настоящее время системой OPTOSOFT поддерживаются все платы расширения серии MicroPC, а в качестве коммуникационного протокола поддерживается широко используемый в системах промышленной автоматизации протокол OPTOMUX. Как правило, OPTOMUX в качестве физической среды передачи данных использует стандарт RS-485 и позволяет адресовать до 256 различных устройств.

4.2 Руководство пользователя

Так как система OPTOSOFT изначально разрабатывалась для использования на оборудовании MicroPC, то обеспечена очень тесная интеграция системы с данным оборудованием. В частности, руководство пользователя по OPTOSOFT содержит подробное описание драйверов для работы с платами ввода/вывода MicroPC. Дополнительно приводится краткое описание каждой платы, схемы подключения в наиболее вероятных ситуациях, а также пример использования команд протокола OPTOMUX в этих конфигурациях. Таким образом, пользователь сможет сразу использовать все свое оборудование, не изучая дополнительно описания плат расширения и спецификации протокола OPTOMUX. Настройка и подключение системы займет минимальное время. Самое главное, что использование протокола OPTOMUX избавляет от программирования на низком уровне - ведь, как правило, для каждого конкретного внедрения какой-либо системы требуется написание программ для подсистемы ввода/вывода.

4.3 Пример функционирования системы

Покажем на примере, как функционирует система. Как правило, для управления какими-либо производственными процессами используют удаленные методы контроля в сочетании с работой прикладной программы на вычислительном узле сети промышленных контроллеров.

Для передачи команд по протоколу OPTOMUX используется интерфейс RS-485. Узел сети получает команды через драйвер последовательного порта системы OPTOSOFT . Драйвер последовательного порта формирует соответствующее служебное сообщение и передает его логическому драйверу OPTOMUX - протокола. В свою очередь, драйвер протокола OPTOMUX распознает устройство, которому предназначается запрос, определяет, какое действие необходимо выполнить соответствующему драйверу аппаратного устройства, и отправляет сообщение этому драйверу во внутреннем представлении.

После выполнения запроса результат операции посылается как служебное сообщение драйверу протокола OPTOMUX, а затем, после преобразования в формат протокола OPTOMUX, драйверу последовательного порта для передачи по RS-485.

4.4 Локальный способ управления сбором данных

Дополнительно для пользователя предусмотрен локальный способ управления сбором данных. Запросы по протоколу OPTOMUX могут поступать не только по интерфейсу RS-485, но и от прикладных задач, которые работают локально. Это либо обычные приложения DOS, либо драйверы, разработанные для системы OPTOSOFT в соответствии со спецификациями интерфейса. Для этих программ предусмотрен способ передачи запросов по протоколу OPTOMUX через вектор прерывания. Эти запросы получает специальный драйвер системы OPTOSOFT , после чего они передаются как служебные сообщения драйверу протокола OPTOMUX.

Рис. 2. Структура системы OPTOSOFT.

Дальнейшая схема обработки запроса идентична случаю удаленного управления.

Для обеспечения многозадачности запросы от локальных приложений выполняются в асинхронном режиме, то есть прикладная программа, инициирующая запрос, получает управление сразу после прохождения запроса в систему. Для того чтобы получить результат выполнения запроса, прикладная задача в режиме опроса периодически проверяет статус выполнения.

Таким образом, можно сочетать как удаленный, так и локальный способы управления.

4.5 Протокол OPTOMUX

Система OPTOSOFT имеет дополнительный набор драйверов, которые используются для отладки. Например, драйвер SOFTTST позволяет вводить с клавиатуры OPTOMUX и получать результат в интерактивном режиме. Это очень удобное средство для настройки и отладки системы на этапе внедрения. Выбор протокола OPTOMUX не случаен. Многие производители программного обеспечения поддерживают этот протокол в своих системах.

Практически все пакеты SCADA (Genesis, и т.п.) поддерживают OPTOMUX, что позволяет применить IBM PC совместимые промышленные контроллеры, использующие систему OPTOSOFT, без дополнительных затрат на написание специальных драйверов для программного обеспечения верхнего уровня.

4.6 Особенность системы OPTOSOFT

Одна из особенностей системы OPTOSOFT - возможность развития и надстройки. Это означает, что система позволяет создавать новые драйверы для нового оборудования без модификации самой системы. Это возможно благодаря тому, что система OPTOSOFT имеет модульную архитектуру и универсальный интерфейс между модулями. Для того чтобы обеспечить возможность развития системы, в комплект поставки входят исходные тексты эталонного драйвера. На базе этих исходных текстов (шаблона) можно создать драйвер для оборудования, которое еще не поддерживается в рамках системы OPTOSOFT.

4.7 Возможности развития

Возможное направление развития - использование протоколов, отличных от OPTOMUX. Для внедрения в систему нового протокола достаточно создать новый драйвер, удовлетворяющий спецификации протокольного драйвера. В следующих версиях OPTOSOFT планируется поддержка Device Net, Arcnet, Ethernet и других.

5. ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ПАРОВОГО КОТЛА

5.1 Общие сведения

Значительное число тепловых электростанций на территории стран СНГ испытывают острую необходимость в модернизации систем контроля и управления (СКУ) основного технологического оборудования. Это обусловлено, помимо моральной деградации, исчерпанием физического ресурса средств КИПиА (как правило оборудование находится в эксплуатации 15-20 и более лет), а также отсутствием запасных частей (большинство используемых приборов снято с производства).

Радикальным решением проблемы является демонтаж существующей СКУ с заменой ее полномасштабной АСУ ТП (так называемый «бульдозерный» вариант). Однако он требует «крутых» единовременных затрат, длительного простоя оборудования, серьезной подготовки персонала, что не всегда приемлемо, учитывая сегодняшние реалии в энергетике, а также ограниченный оставшийся срок эксплуатации основного оборудования.

Вместе с тем существенное снижение остроты проблемы может быть достигнуто при внедрении относительно недорогих локальных наращиваемых информационно-управляющих систем (ИУС), которые бы «вписывались» в существующие СКУ с постепенным вытеснением по мере освоения и развития ее наиболее слабых узлов («безударный» вариант). Примером такого решения является ИУС Termocont-2000, разработанная и внедренная Киевским политехническим институтом при участии специалистов Киевского института автоматики и фирмы «Децима» на двух энергетических котлах БКЗ-420-140 НГМ Самарской ТЭЦ. Существенную помощь в организации и выполнении данной работы оказали сотрудники электростанции и специалисты служб АО «Самарэнерго».

5.2 Назначение и конфигурация системы

Система Termocont-2000 выполняет следующие основные технологические задачи:

оперативный контроль (мониторинг) технологического процесса;

автоматическое регулирование технологических параметров;

постоперативный контроль качества эксплуатации оборудования;

диагностику состояния наиболее теплонапряженных элементов поверхностей нагрева.

Система состоит из рабочих станций различного функционального назначения (рис. 3), которые объединены между собой локальной вычислительной сетью Ethernet (10 Мбит/с, протокол TCP/IP). Каждая из станций передает информацию об изменениях технологических параметров с дискретностью 0,1 с остальным абонентам системы. Реализован обмен информацией с вычислительной сетью АСУ ТЭЦ.

Технические средства системы размещены на групповом щите управления и обслуживают одновременно два газо-мазутных барабанных котла паропроизводительностью 420т/час.

В данной реализации применены следующие типы рабочих станций.

Станция оператора (1 шт. на котел) обеспечивает ввод сигналов от датчиков информационной системы котла, мониторинг технологического процесса и интерфейс «оператор-система». Она базируется на промышленном компьютере i486DX-100/16/540 производства фирмы Advantech, который вместе с SVGA-монитором 15, функциональной клавиатурой и манипулятором мышь был вмонтирован в существующий пульт управления котлом.

Используется операционная система Windows 95, языки программирования Borland C++ и Delphi 2.0.

Рис. 3.Структурная схема информационно-управляющей системы парового котла.

Станция авторегулирования (1шт. на котел) осуществляет цифровое автоматическое регулирование основных технологических параметров и процессов: давления пара с главным регулятором и стабилизацией расходов газа и мазута, питания котла водой, экономичности процесса горения, температуры перегрева пара, рециркуляция дымовых газов, расхода непрерывной продувки.

По просьбе заказчика станция выполнена на платформе промышленного контролера фирмы PEP Modular Computers на базе процессора Motorola 68030/40. Следует отметить недостаточную развитость инфраструктуры (слабая информационная поддержка, большие сроки поставки, узкий круг специалистов) для применения контролеров VME в странах СНГ. К числу недостатков следует также отнести высокую стоимость оборудования по сравнению с контролерами MicroPC. Контроллер вместе со вспомогательным оборудованием размещен в шкафу фирмы Scroll, установленном в отдельной приборной панели.

Используется операционная системы OS-9 (язык программирования - Ultra C, среда разработки - FasTrack).

Инженерная рабочая станция (1 шт. на 2 котла) представляет собой полномасштабную рабочую станцию (ПЭВМ Pentium 100/16/1000), позволяющую в полном объеме выполнять все функции станции оператора, в т.ч. осуществлять подхват при отказе.

Помимо этого, она осуществляет ведение системных и технологических протоколов, архивирование истории процесса, обмен информацией с АСУ ТП, санкционированную модификацию баз данных (уставок, параметров настройки регуляторов, конфигураций, паролей и т.п.) и мнемосхем в режиме on-line, хранение резервных копий программного обеспечения с возможностью их загрузки на все рабочие станции системы.

Станция располагается на рабочем столе операторов группового щита управления.

Все рабочие станции ИУС запитываются через источник бесперебойного питания.

5.3 Ввод/вывод информации

Ввод сигналов от датчиков информационной подсистемы котла в рабочую станцию оператора осуществляется с помощью модулей удаленного ввода информации серии ADAM-4000 фирмы Advantech: ADAM-4017 - для ввода токовых сигналов, ADAM-4018 - для ввода для ввода термопар и млливольтовых датчиков, ADAM-4013 - для термометров сопротивления, ADAM-4052 - для дискретных сигналов.

Количество контролируемых параметров на котел составило 175 аналоговых и 32 дискретных. Количество установленных модулей ADAM - 30 шт., демонтированных штатных аналоговых приборов, не связанных с работой защит и сигнализации, - 20 шт.

Модули ADAM устанавливались рассредоточенно в непосредственной близости к существующим клемным сопротивлениям цепей датчиков. Ввод информации от модулей в компьютер осуществляется по интерфейсу RS-485 с помощью витой пары.

Измерение технологических параметров выполняется в заданной последовательности и с заданным темпом. Ввод относительно «быстрых» параметров (расход, давление) производится с периодичностью 1 с, «медленных» (температурные параметры) - 3с.

При решении задач авторегулирования для ввода информации применены модули ADAM-4000 для «медленных» регуляторов (температуры перегрева пара, рециркуляции дымовых газов и непрерывной продувки) и скоростной 16-ти канальный АЦП VADI-4 для остальных («быстрых») регуляторов. Для гальванической развязки и нормализации сигналов, поступающих на вход АЦП, использованы нормализаторы сигналов типа ADAM-3012.

Выдача управляющих воздействий цифровых регуляторов на исполнительные механизмы осуществляется с помощью двух шестнадцатиразрядных плат VDOUT с твердотельными реле (нагрузочная способность =30В/0,5А) с питанием выходных цепей от двух спаренных источников LX-200 фирмы Computer Products (=24В/9А).