Содержание
Введение
1. Проблемы разработчика АСУ ТП
2. Краткое описание технологической схемы
3. Аппаратные средства
4. Программное обеспечение
5. Надежность и безопасность
Заключение/>
Введение
Высокая степеньавтоматизации дистанционного управления оборудованием, расположенным во взрывоопаснойзоне, достигается за счет использования современных технических и программных средств,а требуемая высокая надежность обеспечивается не только за счет искробезопасныхцепей и взрывозащищенных элементов автоматики, но и за счет использования«холодного» резервирования основных элементов системы управления и контроля,а также сочетания дистанционного и местного режимов управления оборудованием.
В статье рассматриваютсявопросы построения искробезопасных цепей и способы управления оборудованием, расположеннымво взрывоопасной зоне и предназначенным для применения в производстве промышленныхвзрывчатых веществ, медицине, химическом производстве и в других отраслях, где естьнеобходимость перемешивания многокомпонентных составов с весом более 2 тонн прижестком контроле технологических параметров.
1. Проблемы разработчика АСУ ТП
Дистанционное управлениетехнологическим оборудованием, расположенным во взрывоопасной зоне, является актуальнойзадачей инженера-разработчика АСУ ТП, применяемых в химической, нефтегазодобывающей,угольной и других отраслях.
Основные проблемы,которые решает разработчик при внедрении АСУ ТП, известны:
¾ максимально возможная степень автоматизации дистанционного (без участиячеловека) управления технологическим оборудованием;
¾ высокая надежность каналов сбора и передачи информации;
¾ своевременная реакция системы управления на предаварийные и аварийныеситуации;
¾ строгое соответствие алгоритмов управления оборудованием логике технологическогопроцесса;
¾ максимально возможная визуализация состояния оборудования и контролируемыхтехнологических параметров в темпе протекания процессов;
¾ надежность технических средств управления и контроля, простота ихтехнического обслуживания и замены. Инженеры 70-80-х годов помнят, как создавалисьтакие системы на базе отечественных контроллеров типа «Ломиконт»,«Ремиконт», «Электроника» и др. и как проблематично было найти«золотую середину» между техническими возможностями используемых средстви хотя бы удовлетворительным выполнением перечисленных требований.
Из-за ограниченнойноменклатуры специальных средств измерения, контроля и отображения параметров, применяемыхпри построении искробезопасных каналов, низкой степени интеграции используемой элементнойбазы и необходимости аппаратного резервирования для обеспечения требуемой отказоустойчивостисоздавались хоть и надежные, но достаточно громоздкие в конструктивном исполнениисистемы управления.
В частности, системауправления и контроля с небольшими по современным меркам возможностями (10 аналоговыхвходных сигналов, 50 дискретных входных сигналов, 5 аналоговых выходных и 20-30дискретных выходных сигналов) размещалась в 5-7 шкафных конструктивах стандартныхразмеров 600x800x2000 мм. Искробезопасные цепи проектировались на одноканальныхпреобразователях, а регистрация параметров (температуры, давления, глубины вакуума)осуществлялась на диаграммных приборах (КСУ, КСМ, КСП и др.), которые, в лучшемслучае, устанавливались по четыре штуки на передней панели шкафа указанных размеров,то есть для отображения 10 различных аналоговых сигналов требовалось, как правило,три шкафа с контрольно-измерительными приборами (КИП).
Для визуализациитехнологических процессов конструировались различные мнемосхемы с использованиемцветных светосигнальных элементов (лампочек на 12, 24 и реже 220 В). Такие мнемосхемыразмешались в пультовых, занимали достаточно много места и имели невысокую информативность,так как на них трудно было отобразить динамику процесса. Позже программисты сталииспользовать для таких целей экраны алфавитно-цифровых дисплеев в режимах псевдографики,позволяющих отображать технологический процесс в виде элементарных «стрелочек»и «квадратиков».
Некоторые разработчикидля улучшения визуализации процессов создавали собственные графические системы набазе бытовых цветных телевизоров, но и это не спасало положения! Достаточно медленныйвывод изображения на экран ухудшал остальные характеристики системы (увеличивал,например, время реакции на аварийные события).
Существовавшие вто время зачатки операционных систем реального времени позволяли создавать многозадачныесистемы с использованием системы прерываний. Для удовлетворительной работы многозадачнойсистемы использовались диспетчеры задач собственной разработки, но такая разработкабыла по силам только опытным программистам-практикам и требовала достаточно многовремени.
Экскурс в проблемыразработки и внедрения АСУ ТТЛ 70-80-х годов для взрывоопасных производств проведёнавторами сознательно: с одной стороны, чтобы воздать должное программистам 80-хгодов, создававшим работоспособные системы управления и находившим уникальные программно-техническиерешения, а с другой стороны, чтобы показать, как использование современных программно-техническихсредств и технологий автоматизации упростило и ускорило создание подобных систем,какие принципиально новые возможности предоставлены современным разработчикам.
Анализ техническиххарактеристик современных средств автоматизации склонил авторов разработки в пользуприменения в качестве основных элементов системы изделий фирмы Advantech. На выбор повлияли их высокая техническая надежность,многофункциональность и простота обслуживания, позволяющие в сжатые сроки создаватькачественные системы, ориентированные как на российского, так и зарубежного заказчика.
Далее описываетсявариант системы управления для установки получения промышленных взрывчатых веществ,спроектированной и внедренной в экспортном варианте всего за четыре месяца.
/>
Рисунок 1.1 — Технологическаясхема и структура управления
2. Краткое описание технологической схемы
Технологическаясхема автоматизируемого процесса достаточно проста и представлена на рисунке 1.1.
Технология состоитв том, чтобы в чаше заданной емкости провести перемешивание многокомпонентного порошкообразногосостава известной рецептуры и выгрузить полученный продукт в подготовленный бункер-накопитель(на схеме не показан), расположенный в том же производственном помещении.
Для перемешиваниясостава используется устройство, внешне напоминающее миксер (рисунок 1.2) с вращающимисяэлементами (лопастями). Благодаря специальному редуктору вращение лопастей происходитпо сложному закону: они вращаются вокруг собственной оси и дополнительно вокругоси главной конструкции (планетарное перемешивание).
Для приведения вдвижение такой установки используются два двигателя переменного тока с короткозамкнутымротором мощностью 15 и 35 кВт, обеспечивающих постоянную нагрузку на валу (безударныйстарт-стопный режим). Один двигатель вращает лопасти мешалки, а другой обеспечиваетих планетарное движение.
/>
Рисунок 1.2 — Установка смешения
Чаша поднимаетсяк смесителю гидроцилиндром и фиксируется специальными зажимами. Для обеспеченияболее тщательного перемешивания в чаше формируется вакуум. После перемешивания чашаопускается на транспортную тележку и перевозится к месту проведения операции (напозицию) вытеснения. Вытеснение производится поршнем, установленным на специальнойраме, к которой пристыковывается чаша с готовым продуктом. Дополнительно предусмотренои вспомогательное оборудование, позволяющее подавать, например, горячую и холоднуюводу в рубашку чаши, готовить воздух для исполнительных пневмомеханизмов, нагнетатьмасло в гидросистемы (маслостанции 1,2), устанавливать или снимать крышку, закрывающуючашу, поднимать или опускать чашу, вытеснять готовую массу (смесь) в приемный контейнер,фиксировать тележку с чашей на позициях и т.д.
Технологическое оборудование размещено во взрывоопасной зоне1 по классификациям МЭК, или в зоне класса В-1а по российской классификации, чтопредъявляет особые требования к аппаратным средствам и элементам автоматики. Этитребования, усугубленные условиями эксплуатации (температура до +50°С, влажностьдо 90%), предопределили выбор аппаратных средств, включая компьютер, в индустриальномисполнении для жёстких условий эксплуатации.
/>
Рисунок 1.3 — Структурная схема вычислительного комплекса
3. Аппаратные средства
Вычислительный комплекссистемы реализован на 1ВМ РС совместимом промышленном компьютере фирмы Advantech.В 14-слотовом шасси IРС-610 размещены основные элементы системного блока и устройствсвязи с объектом (УСО). На рисунке 1.3 приведена структурная схема вычислительногокомплекса.
Центральное местов аппаратуре комплекса занимает процессорная плата РСА-61451 с интерфейсами VGAи твердотельного диска.
Принцип работы комплексапостроен на опросе датчиков состояния и положения технологического оборудования,температур, давлений, глубины вакуума, контроля за состоянием электроприводов, атакже на выполнении команд, поступающих от виртуального пульта оператора и кнопоклокального управления, и на формировании соответствующих управляющих сигналов.
Сигналы от датчиковсостояния и положения через модуль гальванической развязки поступают на модули дискретноговвода. Аналоговые сигналы через измерительные преобразователи поступают на АЦП.
В зависимости отсостояния опрошенных параметров и команд оператора в текущий момент времени системнымблоком формируются управляющие сигналы для исполнительных механизмов, в соответствиис заданным алгоритмом. Выходные дискретные сигналы переключают твердотельные реле,передавая тем самым управляющие воздействия на исполнительные механизмы. В качествеэлементов гальванической развязки и твердотельных реле использованы модули фирмы.
ЦАП формирует установкискорости электроприводов. Управление электроприводами и съем информации об их состоянии(реальная скорость вращения и нагрузка, готовность к работе и возможные сбои) осуществляютсяпо интерфейсу Я8-485.
Выбор режима работыи задание команд управления проводятся при помощи клавиатуры и манипулятора. Текущие,аварийные и архивные значения контролируемых параметров могут быть задокументированыпечатающим устройством. Устройство оповещения на базе звуковой карты и акустическихколонок предназначено для выдачи предупредительных звуковых сигналов обслуживающемуперсоналу при возникновении предаварийных ситуаций.
Бесперебойное питаниевычислительного комплекса обеспечивает источник фирмы АРС серии Smart-UРS мощностью 700 ВА. Оборудование комплекса размещено в шкафу вычислительном,общий вид которого показан на рисунке 1.4.
Помимо промышленногокомпьютера в состав системы управления входят измерительные, коммутационные, вспомогательныеустройства, датчики и преобразователи.
Основные элементыэтого оборудования перечислены в таблице 1.1.
Искробезопасныецепи для измерения температуры смеси и воды в рубашке чаши построены с использованиемвзрывозашищенных термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-Ех-32240-100°С.
Для измерения остаточногодавления в чаше применен взрывобезопасный датчик «Сапфир», а для визуализациизначений остаточного вакуума и давления сжатого воздуха используются взрывозащищённыеманометр и вакуумметр.
Таблица 1.1 — Элементыоборудования системыНаименование Количество Назначение 1 2 3 Термопреобразователи ТСМУ-Ех-3224, 0-100°С 6 Для измерения температуры смеси и воды в рубашке чаши Блоки питания БПД-40, Ех 1, 4-20 мА 2 Для питания искробезопасных цепей датчиков температуры Датчик остаточного давления «Сапфир»-22-МТ-Ех-2ОЗО/ 6,3 кПа 1 Для измерения остаточного давления при вэкуумировании чаши Датчик давления МТ100Р-11036/10 МПа 2 Для измерения давления масла в гидросистеме Блок питания 4БП-36 1 Для питания датчиков давления Блок преобразования сигналов БПС-90П 1 Для питания датчиков «Сапфир» Манометр сигнализирующий ДМ2005Сг1ЕхПродолжение таблицы 1.1 1 2 3 Барьер искроэащиты МС13-8Ех0-К/24VDC 10 Для организации искробезопасных цепей датчиков положений Индуктивный бесконтактный датчик положения NI10 G18SК-У1Х1 100 Для установки на исполнительные механизмы Блок подготовки воздуха ПБ16.31 1 Для очистки и подачи воздуха в пневмосистему Пневмораспределитель В64-34А 1 Для управления подачей воздуха в пневмосистему Частотные преобразователи 2 Для безударного управления электродвигателями Пост управления кнопочный КУ-91/КУ-92, 1ЕхdIIВТ5 10 Для взрывозащищенного локального пульта
Модули УСО Grауhill
73G-IDC5В
73G-ОDС5
73С-ОАС5А
132
32
16 Для коммутации сигналов — входных 24 В постоянного тока — выходных 24 В/3 А постоянного тока — выходных до 240 В/3 А переменного тока Клеммы WАGО 420 Для организации кроссовых соединений внутри шкафа Шкафы 2 Для размещения устройств автоматики, управления и промышленного компьютера
Искробезопасныецепи датчиков положения NI10 С185К-У1Х1 построены с использованием8-канальных барьеров искрозащиты МС13-8Ех0-К/ 24\ТЗС, что значительно уменьшилоаппаратную часть схемы управления. В последующих разработках вместо барьеров фирмыТursk предпочтение отдавалось аналогичнымустройствам фирмы Реррегl+Fuchs.
Для формированиясигналов управления, обеспечения надежной коммутации и гальванической изоляции междуустройствами системы применены модули УСО фирмы Grayhill серии 73G. На рисунке 1.4 представленазадняя часть шкафа преобразователей, где хорошо видны кросс-панели с модулями УСО.Надежность электрических соединений внутри шкафа обеспечивают клеммы WАGО. По наблюдениям авторов, использованиеэтих пружинных клемм сокращает время монтажа кроссовых соединений более чем на 40%по сравнению с традиционным винтовым способом.
Частотное регулированиескорости вращения двигателей позволяет осуществлять безударное старт-стопное управлениемешалкой с постоянным моментом на валу, что очень важно при перемешивании взрывоопасныхкомпонентов. Система управления обеспечивает два режима работы частотного преобразователя:местный и дистанционный. В местном режиме все команды управления задаются с пультапреобразователя.
/>
Рисунок 1.4 — Шкафвычислительный
Пульт имеет наборфункциональных клавиш, позволяющих задавать требуемые параметры разгона и торможения,запоминать их, задавать установки и наблюдать на жидкокристаллическом индикатореконтролируемые параметры: ток нагрузки, частоту, напряжение и потребляемую мощностьв цепях управления. Для дистанционного управления приводами используется интерфейсЯ8-485, позволяющий задавать все необходимые параметры управления с удаленного пультаоператора, расположенного вне взрывоопасной зоны.
Весь комплекс техническихсредств системы управления размещен в 2 шкафах размером 600x800x2200 мм, которымтребуется помещение площадью всего 12 квадратных метров (рисунок 1.5).
/>
Рисунок 1.5 — МодулиУСО в шкафу преобразователей
/>
Рисунок 1.6 — Размещениекомплекса технических средств системы в двух шкафах
4. Программное обеспечение
Система обеспечиваетобработку сигналов, перечень которых приведен в таблице 1.2.
Программное обеспечениеразработано с использованием пакета Genie, позволившегов короткие сроки создать удобный интерфейс оператора, а также алгоритмы управленияи регистрации событий.
Для визуальногонаблюдения за состоянием технологического оборудования и значениями контролируемыхпараметров используется мнемосхема, индицируемая на экране монитора (рисунок 1.7).На мнемосхеме в реальном масштабе времени отображается динамика технологическогопроцесса, а использование объемных изображений элементов мнемосхемы, максимальноприближенных к виду реальных конструкций технологического оборудования, облегчаетработу оператора и обеспечивает хорошее восприятие им фактического состояния управляемогов дистанционном режиме оборудования.
Таблица 1.2 — Характеристикиобрабатываемых сигналовСигнал Количество Характеристика Назначение Дискретный входной 132 3-32 В От датчиков положения Дискретный выходной 48 24-280 В/3 А (перем.) 5-60 В/3 А (пост.) На исполнительные механизмы Аналоговый входной 16 -10. +10 В (2 кОм) От датчиков температуры, давления, вакуума Аналоговый выходной 6 По напряжению: — 10. +10 В, по току: 0-5 мА (2 кОм) На управление электродвигателями мешалки и водила
Выбранная частотавыполнения задач контроля и управления 2 Гц обеспечивает необходимое время для реакциисистемы управления на нештатные ситуации, своевременного их анализа и предотвращенияаварий.
Логика управляющейпрограммы обеспечивает анализ 20 различных блокировок, не позволяющих даже неподготовленномуоператору выполнить какую-либо запрещенную операцию.
Виртуальная панель управления, также индицируемая на экране монитора,обеспечивает быструю обучаемость оператора и простоту формирования команд управленияоборудованием в дистанционном режиме. На рисунке 1.7 показана мнемосхема с виртуальнойпанелью управления для операции смешения. Здесь представлено одно из промежуточныхсостояний оборудования:
¾ тележка с чашей зафиксированы на позиции, о чем свидетельствуют зеленыетреугольники перед колесами тележки (когда тележка не зафиксирована, цвет треугольниковкрасный);
¾ из 9 необходимых условий процесса смешения выполнены 7, о чем свидетельствуютзеленые квадратные транспаранты слева от позиции (если транспарант красный, то соответствующееусловие для выполнения операции не выполнено;
¾ для того чтобы узнать, какое именно условие не выполнено, достаточнонавести указатель мыши на транспарант и щелкнуть клавишей управления, в результатев верхней части мнемосхемы высветится расшифровка необходимого условия, например,«давление в гидросистеме ниже нормы»;
¾ наиболее важные для данной операции параметры индицируются на виртуальнойпанели; в верхней части правого активного окна видно, что в текущий момент временитемпература смеси равна 25,3°С, подводящей воды 25,9°С, отводящей воды 25. ГС, давлениев гидросистеме 42,3 МПа, приводы мешалки и водила остановлены (о чем свидетельствуюткак переключатель «АG. ON-РL. ОN», так и красный цвет самойнадписи «SТОР»); по положениям остальных переключателей«F1Х-ING», «СLАМРS», «ТRАУ»,«GАТЕ» легко определить истинное состояние оборудования(в данном случае никаких активных действий не производится, так как все переключателинаходятся в положении «SТОР»). Практический опытработы по управлению установкой показал, что даже неподготовленный оператор после3-4 часов работы вполне удовлетворительно справляется с виртуальной панелью управления,которая на первый взгляд кажется не очень понятной.
Полный переченьпараметров и их значения регистрируются системой управления и запоминаются в специальномфайле. После окончания операции и процесса в целом по команде оператора на принтервыводится протокол работы системы, в котором фиксируются все управляющие сигналы,формируемые системой по командам оператора, и информационные сигналы, поступающиес объекта управления. Протокол ведется в реальном масштабе времени, что позволяетпри необходимости (например, в случае аварии) восстановить картину всего процессас указанием времени конкретных событий.
/>
Рисунок 1.7 — Мнемосхема технологического процесса
5. Надежность и безопасность
Высокая степеньавтоматизации дистанционного управления оборудованием, расположенным во взрывоопаснойзоне, достигается за счет использования современных технических и программных средств,а требуемая высокая надежность обеспечивается не только за счет искробезопасныхцепей и взрывозащищенных элементов автоматики, но и за счет использования«холодного» резервирования основных элементов системы управления и контроля,а также сочетания дистанционного и местного режимов управления оборудованием.
Способ «холодного»(а не «горячего») резервирования выбран потому, что, с одной стороны,последовательность выполнения операций управления исполнительными механизмами привзрывоопасных технологических процессах всегда строго регламентирована, а с другойстороны, временные интервалы между отдельными операциями работы технологическогооборудования достаточно большие — 10-20 минут. Такие большие, с точки зрения быстродействиясистемы управления,
паузы между отдельнымиоперациями необходимы для взрывоопасных технологий, и их логическое назначение заключаетсяв том, чтобы система управления при работе в дистанционном режиме могла выработатьадекватные решения по устранению предаварийных ситуаций (если такие возникают накаком-либо из циклов), либо сам оператор успел принять такие решения.
Программная логикадистанционного управления процессом построена таким образом, что при возникновениипредаварийной ситуации система доводит выполняемую операцию до безопасного состояния(в худшем случае просто останавливает текущий процесс) и передает управление оператору,извещая его при этом звуковым сигналом и мигающим транспарантом красного цвета намнемосхеме. Далее оператор самостоятельно принимает решение о продолжении процесса.Если возникшая ситуация может быть устранена дистанционно за счет повторения незавершеннойоперации, то управление процессом продолжается в прежнем режиме с точки останова;в противном случае процесс доводится до завершения операции в режиме местного управления.После этого либо неработоспособный блок заменяется на резервный в течение указанноговремени, либо весь технологический процесс завершается с локального пульта управления.
Заключение
Установка получения промышленных взрывчатых веществ внедренав ФНПЦ «Алтай», и её эксплуатационные характеристики соответствуют самымжестким требованиям взрывоопасного производства. Установка тиражируется в трех различныхпо производительности модификациях. Применение современных высоконадёжных средствавтоматизации при создании системы управления установкой не только сократило времяи финансовые затраты на проектные, монтажные и пусконаладочные работы, но и привелок почти двукратному увеличению производительности установки, существенному ростубезопасности производства и улучшению условий работы обслуживающего персонала.