Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
6. Что такое линейка контроллеров и ее уровни? 7. Назвать специализированные модули контроллеров для АСУТП. 13 СИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ В АСУТП. 13.1 Необходимость применения противоаварийной защиты 13.2 Назначение системы безопасности гибких производств 13.3 Назначение системы ПАЗ в АСУТП 13.4 Обеспечение системы ПАЗ 13.5 Обеспечение надежности в системе ПАЗ Ключевые слова: модернизация, противоаварийная защита (ПАЗ), аварийные события, обеспечение надежности, метод обработки. 13.1 Необходимость применения противоаварийной защиты В современной российской промышленности важной особенностью развития является модернизация устаревших автоматизированных систем управления технологическими процессами. Необходимость модернизации объясняется следующими причинами: • критическое состояние основных производственных фондов; • необходимость соблюдения жестких международных стандартов по безопасности производства, особенно взрывоопасного; • необходимость применения в АСУТП современного контроллерного оборудования на базе открытых стандартов, разработок в области систем резервирования и аварийных защит от лидеров рынка систем автоматизации. Рассмотрим самый ответственный элемент АСУТП, применяемый в гибком и взрывоопасном производстве, - системе 144 противоаварийной защите (ПАЗ). Системы ПАЗ находят широкое применение в АСУТП, ввиду возросших требований на аварийную ситуацию, возросшего уровня автоматизации технологических процессов, что приводит к увеличению вероятности возникновения аварийной ситуации. Системы ПАЗ подразделяются на две структуры: • ПАЗ в системах безопасности гибких производств; • ПАЗ в АСУТП взрывоопасных производств. 13.2 Назначение системы безопасности гибких производств Системы безопасности гибких производств выполняют функции защиты рабочего персонала и машинного оборудования при возникновении аварийной ситуации. Модули безопасности либо входят в состав модулей контроллера (например,TSXPAY для семейства контроллеров типа Premium фирмы Schneider Electric), либо являются автономными (PREVENTA, ESTOP) и могут интегрироваться в оборудование шкафа автоматики АСУТП. Автономные модули безопасности предназначены для мониторинга аварийного останова и используются для безопасного разрыва одной или нескольких схем управления механизмом. Модули удовлетворяют требованиям европейских стандартов EN 418 – для аварийных остановок и EN – 60204-1 – для схем безопасности. Эти стандарты действуют в особых случаях, где к устройству аварийного останова предъявляются требования разомкнуть несколько схем (аварийная остановка косвенного действия). Модули мониторинга аварийного останова оснащены блоком безопасности на аппаратной логике, управляющей аварийным остановом. Это обеспечивает функцию безопасности до категории 3, согласно стандарту EN-954-1. Дополнительно в модулях аварийного останова предусмотрена полная диагностика системы безопасности (чтением состояния кнопок или ограничительных выключателей во входной цепи аварийного останова), контур обратной связи и контроль двух цепей выхода. Системы безопасности, построенные на автономных модулях, отвечают современным стандартам, но используются в основном в централизованных АСУТП и автоматизированных системах с числовым программным управлением (ЧПУ). В распределенных АСУТП подход в реализации системы безопасности для обслуживающего персонала ПТК и сохранности оборудования должен быть другим. Необходимость управления устройствами на значительном расстоянии приводит к созданию распределенного блока 145 экстренного аварийного останова (БЭАО), основной механизм управления которого находится в шкафу цехового контроллера или специальном шкафу контроллера БЭАО. Исполнительные БЭАО встраиваются в шкафы автоматики, которые задействованы в экстренном аварийном останове (ЭАО). Распределенный БЭАО обеспечивает следующие функции: • мониторинг кнопок пульта аварийного останова для немедленной остановки исполнительного оборудования системы (аварийный останов категории 0 согласно стандарту EN – 418); • аппаратный ЭАО, не зависящий от контроллера; • резервирование цепи ЭАО; • мониторинг источника питания БЭАО; • гальваническая изоляция входных и выходных цепей коммутации БЭАО; • защита входных и выходных цепей коммутации БЭАО от перенапряжения. 13.3 Назначение системы ПАЗ в АСУТП На рынке промышленных контроллеров отдельную нишу занимают программируемые логические контроллеры (ПЛК) для применения в системах противоаварийной защиты. Системы ПАЗ предназначены для поддержания технологического оборудования и производства в безопасном состоянии, своевременном выявлении и предупреждении аварийной ситуации, проведении аварийных блокировок по заданным алгоритмам в случае возникновения аварийной ситуации, а также останова технологического процесса и оборудования и перевода управляющих механизмов в безопасное для окружающей среды и персонала состояние. Согласно ПБ 09-170-97 АСУТП должна соответствовать требованиям ГОСТ 24.104 – 85 «Системы автоматического управления технологическими процессами и ПАЗ на базе средств вычислительной и микропроцессорной техники», техническому заданию на систему и обеспечивать следующие функции: • постоянный контроль параметров процесса и управление режимом для поддержания регламентированных значений этих параметров; • контроль работоспособного состояния системы ПАЗ и регистрация срабатывания защит; • постоянный контроль состояния окружающей среды в пределах объекта; 146 • постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможной аварии; • контроль с помощью средств управления и ПАЗ за развитием и локализацией опасной ситуации, выбор и реализация оптимальных управляющих воздействий; • проведение операций безаварийного пуска, остановки и всех необходимых для этого переключений; • выдача информации о состоянии безопасности на объекте в вышестоящую систему управления. На рис. 13.1 и 13.2 показаны структурные схемы системы ПАЗ. Ядро системы ПАЗ составляет промышленный контроллер, как правило, резервируемый, с операционной системой реального времени. Быстродействие ПЛК не является решающим моментом в обработке аварийных ситуаций. Контроллер защит должен иметь коммутационные возможности с выходом на локальные шины Рис.13.1 Структурная схема системы ПАЗ на базе промышленных контроллеров типа Premium 147 Рис.13.2 Структурная схема системы ПАЗ в составе АСУТП 13.4 Обеспечение системы ПАЗ Для обеспечения системы ПАЗ необходимо: • промышленный контроллер, построенный на современной элементной база; • отказоустойчивая структура контроллера (на работка на отказ не менее 100000 часов); • своевременное выявление и предупреждение аварийной ситуации; • высокая реактивность системы на событие (прерывание); • высокоскоростной аналоговый/дискретный ввод; • изолирование каналов ввода/вывода не менее 1000В; • дублирование устройств ввода/вывода при одновременном сканировании каналов контроллерами системы управления и защит, а также при резервировании контроллера защит; • обеспечение надежного бесперебойного питания системы ПАЗ; • реализация алгоритмов ступенчатой логики для пуска, останова, блокировок устройств управления объектом и приведение основных блоков системы в исходное, безаварийное состояние; • организация буфера аварийных сообщений в памяти программ контроллера; 148 • доставка аварийных сообщений (транзакций) в режиме реального времени на верхний уровень в рабочую станцию; • формирование и хранение аварийных трендов в архиве рабочей станции; • встроенная самодиагностика, фиксирующая отказ с точностью до типового элемента замены; • обеспечение горячей замены модулей УСО без выключения электропитания контроллера. 13.5 Обеспечение надежности в системе ПАЗ Основная проблема обеспечения надежности заключается в выборе системы резервирования ПАЗ. Основываясь на принятых правилах (ПБ 09-170-97) и требованиях ГОСТ 24.104-85, часто предлагается реализовать систему ПАЗ с резервированием процессорного модуля. Недостатки резервирования процессорного модуля состоят в следующем: • не все современные промышленные контроллеры имеют возможность построения многопроцессорной архитектуры. Широко известный вариант это контроллеры с шиной VME. Но это достаточно дорогие контроллеры; • отказоустойчивая система предполагает своевременное выявление, предупреждение аварийной ситуации и обеспечение замены неисправного элемента системы без прерывания технологического процесса. Это не обеспечивается резервированием процессорного модуля; • при выходе из строя источника питания контроллера система ПАЗ неработоспособна; • при выходе из строя арбитра (он необходим в многопроцессорной системе) система ПАЗ не работоспособна; • в системах с высокоскоростными параллельными шинами данных, адреса и управления, где возможно построение двухпроцессорной архитектуры, часто происходят непредвиденные отказы с невозможностью продолжения процесса. Необходим общий сброс или переключение питания контроллера и перезагрузка программы контроллера, а это недопустимо для системы ПАЗ; • при выходе из строя основного процессора резервный может не подхватить процесс (безударное переключение), ввиду возникновения конфликтной ситуации на шине (зависание); • на процессорный модуль приходится значительная доля стоимости всего контроллера (более 50%). 149 Поэтому высокая надежность системы ПАЗ предполагает резервирование всех составных частей контроллерного оборудования, а именно: • резервирование процессора; • резервирование локальной шины обмена ПЦ-УСО; • резервирование крейта; • резервирование источника питания (ИП) контроллера; • резервирование коммуникационных интерфейсов. А это выливается в дублирование контроллера. Такая система ПАЗ обеспечивает 100-процентное «горячее» резервирование. Высокая реактивность системы ПАЗ реализуется с помощью двух методов. Первый метод основан на применении высокоскоростных дискретных модулей УСО. Приложение контроллера работает с прерываниями, при этом в памяти контроллера формируется кольцевой буфер (FIFO), объем которой зависит от времени сохранения архивного тренда. Недостатком данного метода является необходимость хранения предысторий аварийного события в памяти контроллера, которая не рассчитана на хранение аварийных трендов. При использовании второго метода (рис.13.3) аварийное сообщение, сопровождаемое меткой времени (taimstamp), передается из выполняющейся в контроллере прикладной программы на верхний уровень в АРМ. Именно там обрабатывается предыстория Рис.13.3 Метод обработки аварийных событий на верхнем уровне 150 события и хранится аварийный тренд (на жестком диске). Память контроллера используется для формирования таблиц и буфера аварийных сообщений, но при этом не требуется большого объема памяти буфера. Транзакции происходят с высокой скоростью, на порядок выше традиционного обмена между приложением и системой SCADA. Данный метод не требует применения высокоскоростных контроллеров и модулей УСО, а также специальной области памяти для хранения временного массива аварийного события. Вопросы для самопроверки: 1. Чем вызвана необходимость модернизации устаревших АСУТП 2. Что такое ПАЗ и их структура? 3. Какие задачи решает система безопасности гибких производств? 4. Назначение системы ПАЗ в АСУТП. 5. Какие недостатки резервирования процессорного модуля? 6. Какие части системы ПАЗ необходимо резервировать? 7. Какие методы обеспечения реактивности системы ПАЗ? 151 Список литературы: 1. Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). М. «Финансы и статистика». 1982 2. Закер К. Компьютерные сети. Модернизация и поиск неисправностей. Санкт-Петербург. «БХВ-Петербург». 2003 3. Олифер В.Г. Олифер Н.А. Компьютерные сети. Учебник. Санкт-Петербург. Питер. 2001 4. Жеретинцева Н.Н. Курс лекций по компьютерным сетям. Владивосток 2000 5. Панфилов И.В., Заяц А.М. Архитектура ЭВМ и систем. Учебное пособие. ЛТА. СПб. 2003 6. Панфилов И.В., Хабаров С.П., Заяц А.М. Информационные сети. Учебное пособие. ЛТА. СПб. 2003 7. Компьютерные сети. Учебный курс. Мю, Русская редакция, 1997 8. Страшун Ю.П. Основы сетевых технологий для автоматизации и управления. М., Издательство МГГУ 2003 9. Домрачев С.А., Компьютерные сети. Учебное пособие. М. 1999 10. Егоров С.В., Мирахмедов Д.А. Моделирование и оптимизация в АСУТП. М. 1988 11. Громов В.С., Тимофеев В.Н. Системы противоаварийной защиты в АСУТП. Мир компьютерной автоматизации, №3, 2003 12. Громов В.С., Покутный А.В., Вишнепольский Р.Л., Тимофеев В.Н. особенности проектирования распределенных АСУТП. http://www.astp.ru/?p=600406 13. Иванов А.Н., Золотарев С.В. Построение АСУТП на базе концепции открытых систем. http;/www.osp.ru/pcworld/1998/01/40/htm 14. Норенков И.П., Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2002.№1 15. Егоров А.А. Открытые технологии и промышленные АСУ. Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. №1 16. Калядин А.Ю. Использование масштабируемой архитектуры в АСУТП на промышленных предприятиях. Промышленные АСУ и контроллеры. 2001. №2 17. Ремизевич Т.В. Современные программируемые логические контроллеры. Приводная техника. 1999. № 1-2 152 Содержание Введение 3 I.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1 Основные понятия и определения 4 1.2 Функции АСУТП 7 1.3 Состав АСУТП 11 1.4 Общие технические требования 12 1.5 Классификация АСУТП 13 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СЕТЕВОЙ ТЕРМИНОЛОГИИ 2.1 Основные определения и термины 18 2.2 Преимущества использования сетей 20 2.3 Архитектура сетей 22 2.4 Выбор архитектуры сетей 27 3.ПОСТРОЕНИЕ АСУТП НА БАЗЕ КОНЦЕПЦИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ 3.1 Особенности АСУТП 29 3.2 Работа сети 29 3.3 Взаимодействие уровней модели OSI 31 3.4 Описание уровней модели OSI 32 4.Топология сети 4.1 Виды сетей 35 4.2 Топология типа «звезда» 36 4.3 Кольцевая топология 38 4.4 Шинная топология 40 4.5 Выбор топологии 42 4.6 Древовидная структура локальной сети 42 5 КОМПОНЕНТЫ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ 5.1 Состав локальной сети 44 5.2Файловый сервер 45 5.3 Рабочие станции 46 5.4Сетевые адаптеры 47 5.5 Сетевые программные средства 49 5.6 Кабели 51 6 ПРОТОКОЛЫ 6.1 Определение протоколов 57 6.2 Работа протоколов 57 6.3 Стеки протоколов 58 7 СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ 7.1 ETHERNET 62 7.2 Кадр ETHERNET 64 153 7.3 Стандарты IEEE 68 8.Требования, предъявляемые к современным локальным сетям 8.1 Производительность 71 8.2 Надежность и безопасность 74 8.3 Расширяемость и масштабируемость 75 8.4 Прозрачность 75 8.5 Поддержка разных видов трафика 77 8.6 Управляемость 78 8.7 Совместимость 78 9.ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ АСУТП 9.1 Особенности ТОУ 79 9.2 АСУТП как система функциональных задач 81 9.3 Алгоритмическое обеспечение задач контроля и первичной обработки информации 84 9.4 Статистическая обработка экспериментальных данных 93 9.5 Контроль достоверности исходной информации 100 9.6 задачи характеризации 104 10 Архитектура АСУТП 10.1 Задачи проектирования 108 10.2 Архитектура АСУТП 108 11.ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ 11.1 Место программируемого контроллера в АСУ предприятия 115 11.2 Терминология технических средств 118 11.3 Структура ПЛК 119 11.4 Операционная система ПЛК 123 11.5 Классификация ПЛК 126 12 Выбор промышленных контроллеров 12.1 Критерии выбора промышленных контроллеров 134 12.2 Адекватность функционально-технологической структуре объекта 135 12.3 Производительность контроллеров для АСУТП 139 12.4 Специальные модули контроллеров для АСУТП 141 13 СИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ В АСУТП 13.1 Необходимость применения противоаварийной защиты 142 13.2 Назначение системы безопасности гибких производств 143 13.3 Назначение системы ПАЗ в АСУТП 144 13.4 Обеспечение системы ПАЗ 146 13.5 Обеспечение надежности в системе ПАЗ 146 Список литературы 150 Содержание 151 154 |