Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
189 - уровень обмена данными между концентратором, сервером и компьютерами АРМ операторов/диспетчеров и специалистов. На нижнем уровне обмен информацией между полевыми устройствами и модулями ввода/вывода возможен двумя путями традиционным способом по физическим каналам связи (проводная связь) и по цифровой полевой шине. Традиционный способ подразумевает передачу информации в виде сигналов напряжения или тока (например, 4...20 мА пропорционально измеряемому параметру - аналоговая информация) или в виде сигналов напряжения двух уровней (напряжение одного уровня - нуль, напряжение другого уровня - единица, дискретная информация. В последние годы проявилась тенденция применения в системах управления технологий сквозного сетевого доступа от компьютеров верхнего уровня до полевых устройств. При этом подразумевается применение интеллектуальных полевых устройств (датчиков и ИУ с встроенным микропроцессором, способных взаимодействовать с контроллерами по цифровым шинам сетям. Не вдаваясь в подробности цифровой передачи данных на этом уровне, следует отметить, что применение полевых шин позволяет - проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерения через полевую шину - обеспечить электропитание от блоков питания контроллеров через полевую шину - увеличить информационный поток между контроллером и приборами - при наличии самодиагностики передавать сообщения о неисправностях в приборах по полевой шине оператору. Наиболее известные цифровые протоколы - HART и Foundation Fieldbus (FF). Одна из основных функций локальных контроллеров - управление (непрерывное и дискретное) технологическим процессом. Сети передачи данных на этом уровне называются управляющими Они должны удовлетворять следующим требованиям - скорость передачи, соответствующая задачам реального времени - объём передаваемых данных - протяжённость сети - допустимое количество узлов в сети. Сегодняшняя ситуация на рынке промышленных управляющих сетей - это Profibus, Modbus, Genius, DH+, ControlNet, In dustrial Ethernet и многие другие сети. Это сети уровня контроллеров и удаленного ввода/вывода. Каждая из них имеет свои особенности и области применения. Устройства верхнего уровня (АРМы, серверы) на своём уровне обмениваются большими объемами информации. Время доставки информации не является доминирующим требованием к этой сети. Сети, обеспечивающие информационный обмен на этом уровне, называют технологическими (информационными) сетями. Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является Ethernet с протоколом TCP/IP. К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся - количество и разнообразие портов в процессорных модулях для подключения к сетям - номенклатура интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров (каждый интерфейсный модуль или процессор обеспечивает как минимум один порт для подключения к сети - поддерживаемые протоколы - скорость обмена данными по каналам связи и их протяженность. Коммуникационные характеристики применяемых в нефтегазовой отрасли контроллеров и характеристика некоторых сетевых протоколов будут приведены в следующей главе. 13.6. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Информация об эксплуатационных характеристиках контроллеров непросто желательна, но и крайне необходима для разработчика системы управления. Далее кратко рассматриваются основные характеристики этой группы Возможности резервирования сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода и т.д. К наиболее распространенным способам резервирования относятся - горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру - троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами (мажоритарная выборка - голосование по 2 из 3), составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным 191 - работа по принципу пара и резерв. Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре. Первая пара тестируется и, либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары. На рис. 13.11 приведен пример горячего резервирования контроллеров Quantum. Для обеспечения резервирования два одинаково сконфигурированных контроллера Quantum связываются между собой через контроллеры горячего резерва (140 CHS 110 00), установленные в каждом из каркасов. Между циклами сканирования программы в центральном процессоре происходит передача данных из активного контроллера в резервный по оптоволоконной линии связи. Скорость обмена информацией между контроллерами равна 10 Мбит/с, а время переключения системы с основного контроллера на резервный - 13...48 мс. Резервированная система проста в настройке и монтаже и обеспечивает непрерывное резервное управление в случае выхода из строя активного контроллера или прекращения подачи на него питания. Рис. Горячее резервирование контроллеров Quantum 192 Таким образом, система горячего резервирования семейства Modicon TSX Quantum обеспечивает высокую надежность при автоматизации процессов с высокими требованиями безопасности. Наличие встроенных аккумуляторов и батарей, обеспечивающих сохранность записанной в контроллерах информации при прекращении питания от сети. Условия эксплуатации - диапазоны температур и влажности окружающей среды - наибольшие вибрации и ударные нагрузки - допускаемые электрические и магнитные помехи и т.п. Известно, что наиболее крупные российские месторождения нефти и газа находятся в Западной Сибири и на Крайнем Севере. При выборе программно-технических средств автоматизации объектов добычи таких месторождений на первый план могут быть выдвинуты требования их работоспособности в жёстких условиях эксплуатации (например, в широком диапазоне температур. С другой стороны, следует иметь ввиду, что аппаратура, способная работать при очень низких минусовых температурах до -40 С, имеет более высокую стоимость. Способы монтажа контроллеров и модулей ввода/вывода достаточно типизированы. Это и корзины с гнёздами для различных модулей, и базовые платы с разъёмами под модули. Количество модулей, размещаемых в каркасе (корзине) или на базовой плате, может быть различным (от 3 до 18). Сконфигурированные в корзинах и на базовых платах контроллеры могут монтироваться на щитах, в шкафах, профильных рейках. Имеются ПТК, построенные по модульному принципу, в которых монтаж любых модулей (процессорных, ввода/вывода, коммуникационных и т.п.) производится непосредственно на профильной рейке. Габаритные размеры контроллеров и компонентов систем управления достаточно редко могут быть определяющими при выборе. Тем не менее, в описаниях программно-технических средств эта конструктивная характеристика находит своё отражение. 7 — 1 7 8 6 Глава 14 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПЛ К 14.1. ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМ BRISTOL ВАВСОСК, CONTROL MICROSYSTEMS, MOTOROLA Классифицировать контроллеры можно по различным признакам. В предыдущей главе была приведена классификация контроллеров по количеству поддерживаемых вводов/выводов. В этой главе предлагается другая классификация - по назначению. С этой точки зрения предлагается различать - телемеханические контроллеры, передающие сигналы на большие расстояния (десятки километров - общепромышленные контроллеры - встраиваемые контроллеры - противоаварийные контроллеры (резервированные, высоконадежные. Все эти контроллеры нашли применение при автоматизации объектов нефтегазовой отрасли. Далее будет показано, что при автоматизации объектов добычи нефти и газа (кусты нефтяных и газовых скважин, промысловые нефте- и газопроводы) широкое применение нашли телемеханические контроллеры. Для автоматизации площадных объектов (ДНС, УПН, УКПГ и других) применяют контроллеры общепромышленного назначения. Противоаварийные контроллеры - очень важный класс, и далее будет рассмотрена одна современная противоаварийная система. Телемеханические контроллеры по определению предназначены для сбора и передачи информации на большие расстояния. Контроллеры, способные функционировать без обогрева в условиях минусовых температур и предназначенные для автоматизации объектов, находящихся на больших расстояниях друг от друга и от пунктов управления, получили название RTU (Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство. Эти устройства в качестве каналов связи используют телефонные линии или радиоканал. Оба эти канала требуют наличия модемов со стороны приёмника и передатчика и поэтому такие системы называют телемеханическими. В нефтегазовой отрасли RTU нашли применение при автоматизации таких объектов, как кусты добывающих нефтяных и газовых скважин, водонагнетательные скважины, кустовые насосные станции, газораспределительные станции, линейные объекты магистральных нефтегазопроводов и т.п. 194 Среди производителей этого класса контроллеров можно найти и отечественные, и зарубежные предприятия. Среди отечественных разработок выделяются система телемеханики Магистраль московской фирмы «Газприборавтоматика» и телемеханические контроллеры серии ЭЛСИ фирмы «ЭлеСи», г. Томск. Оба эти комплекса нашли широкое применение в автоматизации процессов транспорта нефти и газа. Наиболее яркими представителями этого класса контроллеров, нашедшими применение в добыче нефти и газа, являются контроллеры компаний Bristol Babcock, MOTOROLA и Control Microsystems. Компания Bristol Babcock - известная американская компания по разработке и производству контроллеров для систем телемеханики. В качестве контроллеров нижнего уровня при небольшом числе параметров компания предлагает технологические контроллеры RTU3305 и RTU3310, а при большом числе параметров - DPC 3330/3335 (Distributed Programmable Controller). Контроллеры имеют от трех до шести встроенных последовательных портов RS-232/RS-485 с возможностью подключения модема для выделенных линий или радиоканалов, а также модема для оптических линий связи. Контроллер DPC 3330/3335 - интеллектуальный контроллер для управления распределенными технологическими процессами. Контроллер подходит и для применения в производствах сне прерывным циклом. При использовании на верхнем уровне контроллер DPC 3330/3335 решает такие задачи, как - сбор данных с контроллеров нижнего уровня - автоматическое регулирование (до 12 контуров, включая каскадное регулирование, регулирование соотношения и т.п.; - логическое управление (до 80 дискретных входов/выходов), включая пуски остановку двигателей, управление последовательностью включения насосов, блокировки, аварийные переключения и т.п.; - вычисление косвенных показателей расхода, КПД и т.п. Для применений с большим числом входных и выходных сигналов DPC 3330/3335 может поддерживать десять удаленных расширителей ввода/вывода RIO 3331 с общим количеством модулей ввода/вывода до 50. Каждый расширитель RIO 3331 может содержать до 10 модулей ввода/вывода. RIO 3331 подключается к контроллеру через порт RS-485, при этом не требуется дополнительного программного обеспечения. DPC 3330/3335 может оснащаться периферийными устройствами, включая переносной компьютер, дисплей оператора, клавиатуру и принтер. 7* 195 Контроллер DPC 3330/3335 имеет широкий набор модулей ввода/вывода, включая полный набор модулей для ввода/вы вода стандартных сигналов (DI 8/16, DO 8/16, AI 4/8, АО 2/4) и может быть подключен к большинству измерительных систем. Контроллер может работать автономно либо взаимодействовать с другими контроллерами в сети Network 3000 с распространенными контроллерами и интеллектуальными датчиками других производителей. Характеристика контроллера Процессор - 386 ЕХ, 24 МГц, ОЗУ 512 Кб, Flash 512 Кб. Дополнительный математический сопроцессор. Батарея резервного питания ОЗУ. До четырёх последовательных портов RS-232/RS-485. Встроенный модем (выделенные, коммутируемые линии или оптоволоконный кабель. Два конструктивных исполнения для подсоединения 6 или 12 модулей ввода/вывода. Модуль интерфейса с радиосистемой. Расширитель ввода/вывода RIO 3331. Рабочая температура от -40 до +70 С. Контроллер имеет два последовательных порта в базовой конфигурации, четыре - дополнительных. При работе через порт RS-485 допускается подключение до 32 узлов. На рис. 14.1 приведена обобщенная схема системы управления на базе контроллера DPC 3330. На схеме показана возможность применения контроллера на нижнем уровне АСУТП в качестве удалённого терминального устройства, взаимодействующего с верхним уровнем по радиоканалу или кабельной связи (ко- аксиал, оптоволокно). С другой стороны, контроллер может играть роль концентратора данных, взаимодействуя с локальными контроллерами по ЛВС. Аббревиатура КП означает контролируемый пункт, TeleFlow и Teletrans - системы для измерения расхода. Канадская компания Control Microsystems специализируется на разработке и производстве контроллеров для дистанционного контроля и управления. Основная номенклатура изделий компании - модульные контроллеры семейств TeleSAFE Microl6 и SCADAPack. Кроме того, компания выпускает модули ввода/вывода серии 5000 и модемы. Все эти аппаратные средства адаптированы для построения систем телемеханики. Одной из первых в России эти контроллеры начала применять компания ЛУКОЙЛ для автоматизации процессов добычи нефти. 196 Рис. 14.1. Обобщенная архитектура системы управления наб азе контроллера D P C 3330 198 Рис. 14.2. Контроллер S C A D A P a c k Контроллеры TeleSAFE Microl6 и SCADAPack предназначены для работы в качестве удаленных терминальных устройств систем телеметрии с функциями местного управления и обработки данных работы в качестве концентраторов для удаленных систем, построенных на базе контроллеров TeleSAFE Micro 16 и SCADAPack. Контроллеры SCADAPack (рис. 14.2) являются модификацией контроллеров TeleSAFE Microl6 и обладают более широкими коммуникационными возможностями. Контроллер состоит из базового блока (собственно контроллера/процессора) и модулей ввода/вывода серии 5000. Контроллер и модули ввода/вывода монтируются на стандартной рейке и соединяются с помощью межмодульного кабеля, представляющего собой ленточный кабель из 16 проводов. Контроллеры SCADAPack снабжены энергонезависимым с батарейкой) ОЗУ ёмкостью до 1Мбайт и ГШЗУ ёмкостью до 2 Мбайт. В ЭСППЗУ (1 Кбайт) хранятся настроечные параметры конфигурации контроллера. Контроллеры имеют встроенные часы реального времени и сторожевой таймер. Программируемые контроллеры SCADAPack поставляются в трех конфигурациях. Каждая из конфигураций состоит из платы контроллера, нижнего или/и верхнего модулей ввода/вы вода: • SCADAPack - плата контроллера и нижний модуль вво да/вывода. • SCADAPack Light - плата контроллера и верхний модуль ввода/вывода. • SCADAPack PLUS - плата контроллера, нижний и верхний модули ввода/вывода. Плата контроллера содержит встроенный блок питания, три дискретных/счётных входа (один из которых может использоваться как вход прерывания платы контроллера, выход сигнала состояния контроллера и два последовательных порта. Блок питания имеет выходы 5 В и 24 В постоянного тока. Мощность источника питания достаточна для питания платы контроллера, верхнего и нижнего модулей ввода/вывода и ограниченного числа модулей ввода/вывода серии 500. Верхний модуль ввода/вывода (контроллеры SCADAPack Light и SCADAPack Plus) имеет пять аналоговых входов, два дискретных выхода и последовательный порт RS-232. Нижний модуль ввода/вывода (контроллеры SCADAPack и SCADAPack Plus) имеет восемь аналоговых входов, шестнадцать дискретных входов, двенадцать дискретных выходов и последовательный порт RS-232. В модуле может быть установлено по заказу два аналоговых выхода. В дополнение к встроенным входам/выходам контроллер SCADAPack поддерживает до 40 модулей ввода/вывода серии 5000. Максимальные возможности по вводу/выводу в любом сочетании - 128 аналоговых входа (8 модулей по 16 каналов - 64 аналоговых выхода (16 модулей по 4 канала - 256 дискретных входа (16 модулей по 16 каналов - 256 дискретных выхода (16 модулей по 16 каналов - 32 счетных входа (8 модулей по 4 канала. Контроллеры компании Control Microsystems используют единую серию 5000 модулей ввода/вывода, в которую входят - модули дискретного ввода/вывода; - модули дискретного ввода - модули дискретного вывода - модули ввода аналоговых сигналов - модули ввода сигналов термометров сопротивления - модули ввода сигналов термопар - модули вывода аналоговых сигналов - модуль высокоскоростного счетчика - модуль интерфейса. В последнее время выпускаются модификации контроллеров SCADAPack со встроенными радиостанциями. В системах управления, требующих малого потребления питания, контроллеры SCADAPack могут быть переведены в режим ожидания (спящий режим. В спящем режиме остаются активными только входы счетчиков, вход прерывания и часы реального времени. Верхний и нижний модули ввода/вывода и все модули, подсоединенные к внутренней шине ввода/вывода 5000 серии, отключены. Вовремя режима ожидания происходит следующее - все программы прекращают выполнение - питание 5 В отключается от большинства цепей и шины ввода/вывода; - питание 24 Вне отключается, и продолжают работать вход прерывания, часы и сигнализация. 199 Контроллер SCADAPack входит в режим ожидания под управлением прикладной программы и выходит из режима ожидания при следующих условиях - при перезапуске контроллера, возникающей при отключении и подаче питания к контроллеру - при появлении сигнала от часов реального времени, определенного прикладной программой - при подаче сигнала на вход прерывания. Для взаимодействия с другими устройствами системы управления контроллер SCADAPack имеет несколько последовательных коммуникационных портов (табл. 14.1). Порт RS-232 позволяет подключать контроллеры к модемам модем 5902 BELL 202) для работы по выделенным телефонным линиям, кабельным линиями по радиоканалу. Порт RS-485 позволяет подключать до 32 устройств. Максимальная рекомендуемая длина кабелям (витая пара. Интерфейсный модуль (шлюз) Ethernet модели 5905 преобразует последовательный интерфейс RS-232/RS-485 Modbus в Modbus/TCP сети Ethernet. Модуль 5905 представляет собой стандартный модуль серии 5000, который соединяется с системной шиной ввода/вывода, как часть единой системы. Монтаж модуля 5905 производится на рейке. Модуль 5905 имеет три порта RS-232, RS-485 и Ethernet. Шлюз может быть применен в системах, использующих стандартный протокол обмена Modbus. Порт RS-232 может быть использован для подключения телефонного или радиомо дема (модель 5902). Порт RS-485 поддерживает до 32 устройств по кабелю протяженностью дом. Обобщенная архитектура системы управления на базе контроллеров SCADAPack представлена на рис. 14.3. На схеме рабочая станция диспетчера подключена к сети Ethernet через встроенный порт компьютера. К сети Ethernet также подключен ведущий (мастер) контроллер SCADAPack через модуль/шлюз Ethernet 5905. Ведущий контроллер SCADAPack опрашивают сеть удаленных посети подчиненных (slaves) контроллеров SCADAPack. Поддержка последовательного интерфейса RS-232 позволяет использовать модули 5905, как шлюзы между локальной сетью Таблица Контроллер |