Автоматизация производственного процесса получения серы на установках доочистки отходящих газов У-07,08 Оренбургского ГПЗ

4 напряжение изоляции;

- эксплуатационные характеристики:

1 диапазон рабочих температур;

2 относительная влажность воздуха;

- потребительские качества:

1 производительность;

- время выполнения операции;

- функциональность;

2 надежность;

- наработка на отказ (MTBF);

- среднее время восстановления (MTTR);

3 затраты;

- стоимость приобретения;

- стоимость эксплуатации;

- массогабаритные характеристики.

При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора.

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент , учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Терминология и состав критериев оценки ПЛК приведены в соответствии с основными положениями квалиметрии и стандартами качества (ГОСТ 15467-79).

Выбор аппаратуры производится в четыре этапа:

- определение соответствия технических характеристик предъявленным требованиям;

- определение соответствия эксплуатационных характеристик предъявленным требованиям;

- оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры;

- ранжирование изделий.

На первом и втором этапах каждая техническая эксплуатационная характеристика анализируемого изделия сравнивается с предъявленными к проектируемой системе требованиями и если характеристики соответствуют поставленной задаче, проводится оценка потребительских свойств ПЛК.

Для этого используется аддитивный метод оценки, когда суммарная оценка каждой группы свойств (затраты/производительность/надежность) вычисляется по следующей формуле:

,(2.1)

где , - нормированные прямые и обратные характеристики выбираемого изделия (переход к относительным характеристикам);

- весовые коэффициенты характеристик;

l - число прямых характеристик, n-l - число обратных характеристик.

Для прямой характеристики - наилучшие, - наихудшие значения оцениваемого свойства. Для обратных характеристик наоборот. Значения текущих оцениваемых характеристик должны лежать в диапазоне .

Определение весовых коэффициентов для характеристик ПЛК является одной из самых ответственных задач, т.к. именно от их правильной величины зависит достоверность результатов анализа. Для нахождения усредненной оценки каждого коэффициента может быть рекомендована следующая методика экспертных оценок.

Составляется сводная анкета эксперты-коэффициенты (рисунок 2.1.1), в которой проставляются полученные от каждого эксперта ненормированные коэффициенты весомости по шкале от 0 до 10.

	Коэффициент
Эксперт	1	2	…	n
1
2
…
m

Рисунок 2.1.1 - Сводная анкета эксперты-коэффициенты

Определяются среднеарифметические значения ненормированных коэффициентов для каждой группы характеристик:

, при

Затем значения нормированных весовых коэффициентов по группам характеристик ПЛК:

В результате анализа потребительских свойств аппаратуры составляется таблица изделия-потребительские свойства, которая содержит исходные данные для выбора ПЛК.

Ранжирование изделий, т.е. расположение их в порядке возрастания (или убывания) соотношения показателей затраты/производительность/надежность целесообразно проводить по формуле:

.(2.2)

В связи с тем, что объектом автоматизации являются установки Оренбургского ГПЗ, входящего в состав ООО “Оренбурггазпром”, то в качестве РСУ САУ был выбран ПТК I/A Series фирмы Foxboro, а в качестве СПАЗ - контроллер Trident фирмы Triconex. Выше изложенная методика не применялась, т. к. выбор контроллеров этих фирм является одним из требований по автоматизации РАО “Газпром”.

2.2 Разработка структурной схемы АСУ ТП

Наибольшая эффективность управления достигается при объединении отдельных систем, действующих на предприятии, в единую интегрированную АСУ, сочетающую функции управления технологическими процессами (блоками, установками) с функциями управления процессами производства в целом. Такая интеграция систем управления дает возможность существенно повысить эффективность производства, поскольку общий системный эффект значительно превышает простую сумму эффектов раздельно функционирующих систем.

Структура АСУ ТП У-07,08 определена, исходя из характеристик технологических процессов установки, номенклатуры и характеристик технологического оборудования, а также выполняемых системой функций. Структурная схема представлена на рисунке 2.1 и плакате №4.

АСУ ТП У-07,08 является системой централизованного контроля и управления технологическими процессами доочистки отходящих газов процесса Клауса методом Сульфрен с функционально распределённой, территориально сосредоточенной иерархической структурой.

АСУ ТП У-07,08 включает в свой состав три уровня управления:

- верхний уровень - уровень оперативного персонала (операторов-технологов) установки У-07,08;

- нижний уровень - уровень системы автоматического управления (САУ) и систем противоаварийной защиты (ПАЗ) установок У-07,08;

- уровень полевого оборудования КИП и А.

Первые два уровня системы располагаются в операторном помещении цеха с целью обеспечения удобства обслуживания ПТК и защита его от несанкционированного доступа.

Верхний уровень системы. Функции управления на уровне операторов-технологов установки У-07,08 выполняются в автоматизированном режиме реального времени.

На уровне операторов-технологов с использованием программно-технических средств АСУ ТП осуществляется оперативный контроль за текущим состоянием и режимами работы технологического оборудования У-07,08, изменение режимов его работы (при необходимости), выдача уставок по регулированию технологических параметров, дистанционное управление исполнительными механизмами, обмен информацией с нижним уровнем системы.

Реализация функций верхнего уровня АСУ ТП У-07,08 осуществляется с автоматизированного рабочего места оператора-технолога, оборудованного операторской (рабочей) станцией серии AW70 компании Foxboro.

АРМ оператора-технолога размещается в операторной 2-й очереди ОГПЗ и объединяется в полносвязанную (mesh) локальную вычислительную сеть.

Рисунок 2.1 - Структурная схема АСУ ТП У-07,08

Нижний уровень системы. На уровне САУ и системы ПАЗ в автоматическом режиме обеспечивается контроль, регулирование и управление технологическими процессами, поддержание заданных режимов работы.

Нижний уровень АСУ ТП У-07,08 строится по организационно-технологическому принципу и состоит из системы автоматического управления установки У07-08 и системы противоаварийной защиты У-07,08. Система включает в свой состав специальные технические средства контроля и управления (ПЛК, модули ввода/вывода, коммуникационные модули, агрегатная автоматика и т.п.), устанавливаемые в аппаратном помещении операторной второй очереди ОГПЗ.

Выделение в составе АСУ ТП У-07,08 подсистемы ПАЗ обусловлено необходимостью достижения высокой надежности системы защиты.

Система ПАЗ обеспечивает:

- контроль над параметрами, определяющими взрывобезопасность технологического объекта управления (цеха);

- контроль работоспособности средств ПАЗ;

- постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и предупреждение возможных аварий;

- противоаварийное действие средств ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации.

Система ПАЗ базируется на отдельном ПЛК Trident и имеет свои каналы ввода/вывода сигналов. Надежность системы ПАЗ обеспечивается аппаратным резервированием, временной и функциональной избыточностью и наличием функции самодиагностики программно-технических средств.

2.3 Описание функционирования системы

Для функционирования системы управления выделены следующие типовые каналы измерения и управления.

Канал измерения температуры.

Канал измерения температуры предназначен для достоверного получения значения измеряемой температуры.

Состоит из датчика температуры, линии связи, платы ввода сигналов, функционального программного модуля.

Датчик температуры - термопреобразователи ТХА, выдают миливольтовый сигнал. Искробезопасность электрической цепи обеспечивается встроенным барьером искробезопасности и искробезопасным источником питания. Для получения значения температуры в системе в физических единицах, для использования в функциях управления и отображения конфигурируется программный модуль аналогового ввода, где указываются шкала, ед. измерения, и может проводиться фильтрация сигнала и проверка на диапазоны сигнализации.

Диагностика канала измерения происходит:

- непрерывно на аппаратном уровне - диагностика платы ввода;

- с частотой опроса датчика, при программном обращении к функциональному модулю.

Система может выявлять следующие виды неисправностей:

- обрыв или короткое замыкание линии связи;

- неисправность платы ввода;

- недостоверность показаний.

Канал измерения давления.

Канал измерения давления предназначен для достоверного получения значения измеряемого давления. Аналоговый канал измерения давления, состоит:

- датчик давления;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Измеряемое давление подводится к открытой приемной мембране первичного преобразователя датчика и через шток передается на измерительную мембрану, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов, которое преобразуется в сигнал pазбаланса мостовой схемы и затем в выходной сигнал датчика.

Значение давления преобразуется в аналоговый выходной сигнал 4-20 мА.

Погрешность измерений датчика 0,5% при 200С.

Питание датчика 12-36В. Подключение датчика к системе, к плате аналогового ввода, унифицированных токовых сигналов, производится по двухпроводной схеме, с питанием схемы от системы.

Для получения значения давления в системе в физических единицах конфигурируется программный модуль аналогового ввода, где указываются шкала, ед. измерения, и может проводиться фильтрация сигнала и проверка на диапазоны сигнализации. Диагностика канала измерения происходит:

- непрерывно на аппаратном уровне - исправность датчика и платы ввода;

- с частотой опроса датчика, при программном обращении к функциональному модулю.

- система может выявлять следующие виды неисправностей:

- неисправность датчика;

- обрыв или короткое замыкание линии связи;

- неисправность платы ввода;

- недостоверность показаний.

Канал измерения расхода.

Канал измерения расхода предназначен для достоверного получения значения измеряемого расхода. Аналоговый канал измерения расхода, состоит:

- датчик расхода;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Аналоговый выходной канал.

Аналоговый выходной канал предназначен для выдачи управляющих воздействий на регулирующие клапаны.

Аналоговый выходной канал состоит из:

- функционального модуля ПИД регулирования;

- платы аналогового вывода;

- электропневмопреобразователя регулирующего клапана.

Функциональный плата ПИД-регулирования выдает через плату аналогового вывода системы токовый сигнал 4-20 мА в электропневмопреобразователь, который преобразует его в пневматический сигнал. Подключение регулирующего клапана к каналу модуля вывода унифицированных токовых сигналов производится по двухпроводной схеме, с питанием схемы от системы. Искробезопасность электрической цепи обеспечивается встроенным барьером искробезопасности и искробезопасным источником питания.

Диагностика канала измерения происходит непрерывно на аппаратном уровне - определяется исправность платы вывода.

Дискретный входной канал.

Дискретный входной канал предназначен для определения состояния исполнительного механизма и имеет два состояния: замкнут или разомкнут.

Дискретный входной канал, состоит из:

- датчика состояния;

- линии связи;

- платы дискретного ввода;

- функционального программного блока.

Датчиками состояния являются контакты реле или концевые выключатели. Подключение датчика к системе производится по двухпроводной схеме, с питанием схемы от системы. При необходимости, искробезопасность электрической цепи обеспечивается встроенным барьером искробезопасности и искробезопасным источником питания. Для получения состояния датчика конфигурируется программный модуль дискретного ввода, который, как правило, входит в функциональный блок управления исполнительным механизмом.

Диагностика канала измерения происходит непрерывно на аппаратном уровне - диагностикой платы ввода.

Дискретный выходной канал.

Дискретный выходной канал предназначен для управления исполнительными механизмами и имеет два состояния: замкнут или разомкнут.

Дискретный выходной канал состоит:

- из промежуточного силового реле;

- линии связи;

- платы дискретного вывода;

- функционального программного блока

Промежуточное силовое реле предназначено для коммутации сильноточных сигналов до 16А, 220В.

Подключение реле к системе производится по двухпроводной схеме, с питанием схемы от системы. Управляющий сигнал, как правило, выдается сконфигурированным модулем в составе функционального блока управления исполнительным механизмом.

Диагностика канала управления происходит непрерывно на аппаратном уровне - диагностикой платы вывода.

По результатам обработки входной информации производится формирование и передача информации на верхний уровень системы и отрабатываются алгоритмы управления.

Аналогичным образом осуществляется дистанционное управление ИМ или программными регуляторами с рабочих станций операторов-технологов. Отличием является то, что входной информацией для ПЛК являются команды в цифровом виде.

ПЛК обеспечивают автоматическую самодиагностику в сети управления, а также выполнение операций по управлению каналами ввода/вывода, управлению обменом данных в коммуникационной сети.

Работа оператора-технолога с использованием рабочей станции заключается в интерактивном (диалоговом) наблюдении за ходом технологического процесса и состоянием оборудования, дистанционном управлении ИМ (исполнительными механизмами) и контурами регулирования (при необходимости), получении отчетных документов.

Организация человеко-машинного интерфейса производится с использованием SCADA-системы I/A Series (FoxView) компании FOXBORO.

Контроль и управление осуществляется с использованием следующих форм представления информации:

- мнемосхемы;

- тренды (графики изменения во времени аналоговых переменных);

- архивные данные;

- сигнализации (выдача визуальных и звуковых сообщений);

- протоколы;

- отчеты.

2.4 Описание ПТК

2.4.1 Общее описание системы I/A Series

Архитектура системы I/А Series фирмы Foxboro удовлетворяет широкому диапазону требований пользователя. Она обеспечивает построение узлов, составленных из взаимозаменяемых аппаратных и программных модулей, которые соединяются и согласовываются так, чтобы соответствовать особенностям производственного процесса.

Для коммуникаций система I/А Series базируется на стандарте взаимосвязей в открытых системах (OSI).

Для связи с оператором предусмотрено дружеское и логичное взаимодействие через окна, меню и графику на экране дисплея, которые могут быть сконфигурированы для обеспечения наибольшего удобства оператора. Операторские станции системы I/A Series просты в использовании, обладают гибким аппаратным и программным обеспечением, так что могут быть легко переконфигурированы по мере развития производства и автоматизации оборудования.

2.4.2 Полевой процессор

Полевой управляющий процессор FCP270 (технические характеристики - таблица 2.4.1) является факультативно отказоустойчивой станцией, которая выполняет функции автоматического регулирования, синхронизации, логического и последовательного управления вместе с подключенными модулями Fieldbus (FBM) и другими устройствами интерфейса с технологическим процессом. Он также выполняет сбор данных (с помощью модулей FBM и/или других устройств) и обнаружение и уведомление об аварийных сигналах.

Таблица 2.4.1 - Основные характеристики FCP270

Основной процессор	Встроенная ОС	Память процессора	Процессор ввода/вывода	Энергонезависимая память	Шина памяти
Elan AMD 520 100Mhz	32-bit Nucleus Plus	16-MB SDRAM 100Mhz	CommControl ASIC	32-MB Flash RAM	66Mhz

FCP270 обеспечивает следующие новые и улучшенные функции по сравнению с традиционными системами:

- прямое соединение через волоконно-оптический кабель 100Мб/сек Ethernet с сетью управления Mesh;

- опция отказоустойчивой работы, которая позволяет получить улучшенный коэффициент готовности и безопасность, используя уникальное сравнение сдвоенных контроллеров для всех исходящих сообщений;

- надежное управление с помощью полевых устройств (100Мб/сек волоконно-оптический кабель Ethernet, контроллер, 2Мб/сек шина Fieldbus, модули FBM серии 200, клеммные сборки и источник питания FPS400-24);

- соединение с Ethernet или с последовательными устройствами через FDSI (модули FBM230, FBM231, FBM232 и FBM233), что позволяет подключать новые устройства без каких-либо изменений программного обеспечения контроллера;

- факультативная глобальная система позиционирования позволяет выполнять внешнюю синхронизацию;

- факультативный регистратор данных переходных процессов (TDR) позволяет осуществлять выборку аналоговых данных с временем выборки 10мсек для последующего анализа событий, используя анализатор данных переходных процессов (TDA). Данные анализатора TDA факультативно имеют отметки времени с точностью 1 мсек;

- интерфейс инфракрасного карманного ПК позволяет устанавливаться и считывать леттербаг контроллера;

- образ, резидентно находящийся в памяти, для быстрой начальной загрузки станции (время загрузки менее 10 секунд);

- улучшенная производительность контроллера, выполнение команд блока в секунду равно 10 000 для FCP270 по сравнению с 3400 для СР60;

- до 4000 блоков могут быть сконфигурированы для FCP270 (или отказоустойчивой пары FCP270);

- расширяемая лицензия позволяет вам начать с небольшой полнофункциональной системы управления.

- улучшение аварийной сигнализации для функциональных блоков: повторная сигнализация в случае изменения приоритета аварийных сигналов, повторная сигнализация, основанная на времени, подавление аварийных сигналов, основанное на времени.

Отказоустойчивая версия FCP270 состоит из двух параллельно работающих модулей с двумя отдельными соединениями с сетью управления Mesh. Два модуля управляющего процессора, связанные друг с другом как отказоустойчивая пара, обеспечивают непрерывную работу объекта управления в случае практически любой аппаратной неисправности одного из модулей этой пары.

Оба модуля принимают и обрабатывают информацию одновременно, и неисправности обнаруживаются самими модулями. Одним из важных методов обнаружения неисправности является сравнение коммуникационных сообщений на внешнем интерфейсе модуля. При обнаружении неисправности, коммуникационное сообщение прерывается, и выполняется самодиагностика обоих модулей, чтобы определить, какой из модулей является неисправным. Затем исправный модуль принимает на себя управление, не оказывая влияния на нормальную работу системы. После этого сообщение о прерванном коммуникационном сообщении передается исправным модулем через механизмы повторной передачи коммуникационного протокола.

При использовании системы с полевым управляющим процессором FCP270 подсистема, монтируемая на рейку DIN, состоит из следующих основных функциональных элементов (на рисунке 2.3.2 показана схема соединений этих элементов):

- полевой управляющий процессор 270 (FCP270);

- модульные базовые платы - модульные базовые платы, монтируемые на рейку DIN, обеспечивают различное количество позиций для монтажа модулей, которые можно увеличивать на 2, 4 или 8 модулей, при этом они могут устанавливаться в вертикальном или горизонтальном положении;

- модули Fieldbus (FBM) - модули FBM служат в качестве интерфейса между полевыми устройствами и управляющим процессором системы I/A Series, они выполняют необходимое преобразование данных, обеспечивая полную поддержку для аналоговых измерений, считывания дискретных данных, аналогового или дискретного управления и цифровой связи4

- системные интеграторы данных сторонних поставщиков (FDSI) - эти модули FBM обеспечивают гибкую и расширяемую платформу, и интерфейс, так что контроллер, такой как FCP270, может осуществлять связь с любым полевым устройством или системой сторонних поставщиков, которая поддерживает 10/100Ethernet или последовательную связь RS-232/RS-422/RS-485;

- межмодульная шина Fieldbus - 2Мб/сек HDLC (высокоуровневый протокол управления каналом) факультативно резервированная последовательная шина, используемая для соединения всех модулей, монтируемых на базовую плату (FBM и FCP);

- сеть управления Ethernet - 100Мб/сек факультативно резервированная сеть Mesh, обеспечивающая обмен данными для системы I/A Series, использует асинхронный протокол и соответствует общим требованиям связи Ethernet;

- клеммные сборки (ТА) - клеммные сборки являются модулями соединения с полевыми сигналами, обеспечивающими факультативное нормирование сигналов и защиту цепей, необходимые для соответствующего модуля FBM.

Рисунок 2.4.2 - Схема соединений элементов с использованием FCP270

2.4.3 Модульные базовые платы

Модульные базовые платы серии P0926 (рисунок 2.4.3), монтируемые на рейку DIN, используются для монтажа полевых управляющих процессоров FCP270, модулей Fieldbus (FBM) и коммуникационных модулей Fieldbus (FCM). Модульные базовые платы обеспечивают различное количество позиций для монтажа модулей, которые можно увеличивать на 2, 4 или 8 модулей. Модульные базовые платы обеспечивают гибкость монтажа, позволяя устанавливать подсистему, монтируемую на рейку DIN, в разнообразных местах. На базовых платах размещаются модули FCP, FCM, FBM, комбинация модулей FCP и FBM, или комбинация модулей FBM и FCM. Модули FCP, FBM и FCM вставляются в базовую плату с помощью своих двух разъемов, и каждый закрепляется на месте с помощью двух винтов с шестигранной головкой. Базовые платы также обеспечивают необходимые разъемы для резервированного питания, резервированной межмодульной шины Fieldbus, стробирующего импульса и кабелей сигналов ввода/вывода.

Рисунок 2.4.3 - Модульные базовые платы

(а - монтируемые на вертикальную рейку DIN, б - на горизонтальную)

Все модульные базовые платы поставляются для двух основных конфигураций монтажа - монтаж на вертикальную рейку DIN или монтаж на горизонтальную рейку DIN. Каждая из этих конфигураций монтажа может быть использована внутри или снаружи шкафа.

Базовые платы различных размеров позволяют наращивать существующие системы или создавать экономичные небольшие системы. Использование этих базовых плат позволяет устанавливать управляющий процессор (FCP270) внутри того же шкафа, что и другие модули Fieldbus.

Все соединения между базовыми платами для межмодульной шины Fieldbus A/B выполняются экранированными кабелями типа витая пара, чтобы исключить воздействие шума, для соединений между модульными базовыми платами, кабели могут иметь следующие длины: 0,25м, 1м, 3м, 5м, 10м, 20м, 30м и 60м.

Межмодульные шины Fieldbus могут использовать резервированные кабели. Чтобы использовать резервированную межмодульную шину Fieldbus, на каждой базовой плате используется разветвитель/терминатор межмодульной шины Fieldbus A/B для разветвления межмодульной шины Fieldbus.

Для обеспечения необходимого количества посадочных мест модулей ввода/вывода, в соответствии с таблицей 2.3.2, необходимо смонтировать две платы P0926JM на 8 позиций, две платы P0926KH на 2 позиции и одну плату P0926HW для FCP270.

2.4.4 Сеть управления Mesh

Сеть управления Mesh (Multiple-path Ethernet Self-healing High-speed) представляет собой коммутируемую сеть Fast Ethernet, основанную на стандартах IEEE 802.3u (Fast Ethernet) и IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet). Сеть управления Mesh состоит из ряда коммутаторов Ethernet, соединенных в сеточную конфигурацию.

Архитектура сети управления Mesh интегрирует мощные станции управления и рабочие станции в сеть 100Мб/1 Гб. Эти станции управления, рабочие станции и сети образуют масштабируемые системы для мониторинга технологических процессов, управления технологическими процессами и интеграции с информационными промышленными системами.

Сеть управления Mesh обеспечивает:

- масштабируемость системы путем подключения коммутаторов Ethernet, каждый из которых имеет 8, 16, 24 или более портов, для соединения различных станций в линейную, кольцевую, звездообразную или обращенную древовидную сетевую топологию;

- коммутаторы Ethernet, соединенные в ячеистую конфигурацию;

- поддержка Fast Ethernet (100Мбит) и Gigabit Ethernet (1000Мбит), (только для пересылки на верхний уровень);

- модульные каналы выгрузки данных с высокоскоростными магистралями сети с использованием стандартов 1 Гб 1000Base-T, 1000Base-SX и 1000Base-LX;

- работа в дуплексном режиме, основанная на стандартах IEEE 802.3;

- высокоскоростной протокол остовного дерева (RSTP - IEEE 802.1w), который управляет резервированными путями, предотвращает циклы и обеспечивает высокую скорость сходимости для сети;

- управление сетью и конфигурирование через локальный порт для управляемых коммутаторов;

- программу системного управления (System Management) для мониторинга за состоянием работоспособности системы управления и управления оборудованием системы;

- программное обеспечение на каждой станции, которое управляет резервированными портами Ethernet в ответ на отказы сети;

- высокоскоростной отклик на неисправности сети и станций для обеспечения высоконадежной отказоустойчивой сети.

Сеть управления Mesh спроектирована для обеспечения многочисленных каналов связи между любыми двумя устройствами или станциями, подключенными к этой сети. Такая архитектура сети обеспечивает очень высокий коэффициент готовности, при этом уменьшая сложность сети, стоимость и требования к техническому обслуживанию.

Рисунок 2.4.4 - Линейная топология сети Mesh

Существует четыре основных топологии для сети управления Mesh, поддерживаемые системой I/A Series. К ним относятся:

- линейная топология (рисунок 2.4.4);

- кольцо;

- звезда;

- обращенное (перевернутое) дерево.

Каждая вышеперечисленная топология имеет уникальные характеристики, и выбор топологии для конкретной сети зависит от конкретных требований объекта или установки.

Коммутатор является активным многопортовым сетевым и мостовым устройством, которое обеспечивает отдельный коллизионный домен для каждого порта и использует уровень протокола управления доступом к среде передачи (MAC) для направления сетевых пакетов на соответствующую станцию или коммутатор. Это позволяет осуществлять одновременные связи между сетевыми устройствами, подключенными к коммутатору.

Сеть управления Mesh использует стандартные серийно выпускаемые коммутаторы Ethernet, что позволяет вам сконфигурировать систему, удовлетворяющую функциональным требованиям объекта управления. Эти коммутаторы были протестированы и одобрены компанией Invensys для использования с продуктами системы I/A Series. Были одобрены следующие коммутаторы Ethernet:

- 8-портовый медный управляемый коммутатор (P0972MF) c встроенным 100 Мб многомодовым волоконно-оптическим (MMF) каналом выгрузки данных;

- 8-портовый медный управляемый коммутатор (P0972MG) c встроенным 100 Мб одномодовым волоконно-оптическим (SMF) каналом выгрузки данных;

- 16-портовый (8 медных и 8 волоконно-оптических портов) управляемый коммутатор (P0972WG) c максимум двумя факультативными медными или волоконно-оптическими 1 Гб каналами выгрузки данных;

- 24-портовый управляемый волоконно-оптический коммутатор (P0972YC) c максимум двумя факультативными волоконно-оптическими 1 Гб каналами выгрузки данных;

- 24-портовый управляемый медный коммутатор (P0972WP) c максимум двумя факультативными медными или волоконно-оптическими 1 Гб каналами выгрузки данных;

- управляемый коммутатор на шасси c максимум 336 портами или до 42 медными или волоконно-оптическими 1 Гб каналами выгрузки данных.

24-портовый волоконно-оптический управляемый коммутатор (рисунок 2.4.5) обеспечивает 24 порта 10/100Base-FX и два модуля выгрузки данных 1000Base-TХ с разъемами RJ-45. Каждый из двух установленных модулей выгрузки данных RJ-45 может быть заменен модулем (P0972WR), который имеет один модуль выгрузки данных 1 Гб RJ-45 и одно незанятое гнездо для модуля выгрузки данных (P0972WT или P0972WU). Установка модуля выгрузки данных (P0972WT или P0972WU) в незанятое гнездо отключает порт RJ-45 модуля (P0972WR). Данный коммутатор обеспечивает высокоскоростное полнофункциональное коммутирование уровня 2 сети Ethernet для сетей небольших и средних размеров, а также обеспечивает высокоскоростную прямую связь с оконечной станцией.

24-портовый волоконно-оптический управляемый коммутатор имеет следующие функции и возможности:

- 24 порта 10/100Base-FX;

- содержит два модуля выгрузки данных 1Гб 1000Base-TX;

- поставляемые модули выгрузки данных 1000Base-TX могут быть заменены двумя модулями выгрузки данных 1000Base-SX/LX;

- разъемы LC для портов коммутации, разъемы RJ-45 для медных разъемов, разъемы типа LC для волоконно-оптических портов выгрузки данных;

- работа в дуплексном режиме;

- мониторинг и конфигурирование через локальный порт консоли или с помощью любой программы управления, основанной на простом протоколе сетевого управления (SNMP) или удаленном мониторинге (RMON);

- соответствует промышленным стандартам, в том числе IEEE 8802.3u, высокоскоростному протоколу остовного дерева (RSTP), 802.1w;

- факультативный резервированный источник питания;

- монтаж в 19-ти дюймовой стойке, настольный монтаж или монтаж на полку;

- наращиваемые (стековые) коммутаторы работают как один коммутатор.

2.4.5 Модули полевой шины

Модули Fieldbus (FBM) являются компактными, высокопроизводительными модулями распределенного ввода/вывода технологических сигналов (рисунок 2.4.6). Они выполняют преобразование сигналов, необходимое для сопряжения электрических входных сигналов, поступающих на/от полевых датчиков, с факультативно отказоустойчивой станцией управления системы I/A Series.

Для обеспечения поддержки различных аналоговых измерений, дискретных измерений и требований по аналоговому или дискретному управлению существует широкий диапазон типов модулей FBM. Все эти различные типы модулей FBM являются компактными и конструктивными идентичными модулями, корпус которых изготовлен из штампованного алюминия. Светодиодные индикаторы, расположенные на лицевой стороне каждого модуля, обеспечивают визуальную индикацию состояния модуля FBM.

FBM217 - интерфейсный модуль дискретного входа обеспечивает 32 входных канала, при этом на каждый канал поступает сигнал по двухпроводной линии от источника напряжения постоянного тока до 30В постоянного тока. Соответствующие клеммные сборки (ТА) предусмотрены для дискретных входных сигналов 30В постоянного тока, 120В переменного тока/125В постоянного тока или 240В переменного тока. Эти каналы изолируются по группам - они электрически разделяют модули, но не разделяют каналы на одном и том же модуле.

Помимо выполнения преобразования сигналов, необходимого для сопряжения электрических входных сигналов от полевых датчиков с факультативно резервируемой шиной Fieldbus, данный модуль выполняет прикладные программы для дискретного входа, многозвенной логики, отсчета импульсов и последовательности событий с конфигурируемыми опциями времени фильтрации входа и отказоустойчивой конфигурации.

FBM242 - интерфейсный модуль дискретного выхода с внешним источником и изолированными каналами имеет 16 выходных каналов дискретных сигналов, которые поступают от внешнего источника, с номинальным значением 2А для 60В постоянного тока. Соответствующие клеммные сборки (ТА) предусмотрены для дискретных выходных сигналов для нагрузок до 5А при 220В переменного или 125 В постоянного тока, для релейных выходов или релейных выходов с распределением питания и предохранителями. Каждый выход гальванически изолирован от других каналов и земли.

Помимо выполнения преобразования сигналов, необходимого для сопряжения электрических выходных сигналов на полевые датчики от станции управления, данный модуль выполняет прикладную программу ввода/вывода дискретных сигналов с поддержкой многозвенной логики и конфигурируемой опцией отказоустойчивой конфигурации для его выходов.

FBM237 - интерфейсный модуль резервируемого выхода 0-20мА с изолированными каналами имеет восемь изолированных выходных каналов 0-20мА. Данный модуль может использоваться без резервирования (один модуль) или в паре с другим для резервирования (два модуля FBM 237). Каждый канал гальванически изолирован от других каналов и земли.

Когда он используется в паре с другим модулем, эти модули позволяют получить резервируемую конфигурацию на уровне FBM. Для получения резервируемого выхода, адаптерный модуль резервирования устанавливается на двух соседних кабельных разъемах базовой плиты, чтобы получить соединение с помощью одного кабеля. Один кабель используется для соединения адаптера с резервированием и соответствующей клеммной сборки (ТА). Каждый модуль независимо пытается зафиксировать выходной сигнал(ы) на его заданном уровне, и каждый независимо протоколирует наблюдаемое значение входных сигналов. Резервируемый блок аналогового выхода в программном обеспечении системы управления проверяет достоверность каждого выхода в соответствии с информацией, поступающей на/от модуля.

FBM211 - интерфейсный модуль дифференциального входа 0-20 мА содержит 16 каналов аналогового входа 20 мА постоянного тока, при этом каждый канал принимает аналоговый входной сигнал по двухпроводной линии от датчика 4-20мА или источника 20мА с собственным энергоснабжением. Каналы модуля FBM211 изолируются по группам - они электрически разделяют модули, но не разделяют каналы на одном и том же модуле.

Помимо выполнения преобразования сигналов, необходимого для сопряжения электрических входных сигналов от полевых датчиков с факультативно резервируемой шиной Fieldbus, данный модуль выполняет прикладную программу аналогового входа с конфигурируемыми опциями пределов времени интегрирования и скорости изменения.

Полученные от датчиков сигналы проходят через искробезопасные барьеры (см. пункт 2.4.7) и обрабатываются встроенными в платы ввода АЦП и затем, поступают на внутреннюю цифровую шину данных и в контроллер.

В соответствии с таблицей 1.2 для обеспечения ввода и вывода необходимого количества сигналов АСУ ТП У-07,08 необходимо использовать следующее количество модулей FBM (см. таблицу 2.4.2).

FBM233 - интерфейс с управляющим процессором и другими аппаратными/программными элементами системы I/A Series для обеспечения управления, аварийной сигнализации, построения трендов и создания дисплеев. Программное обеспечение, резидентно находящееся в управляющем процессоре и рабочих станциях I/A Series, обеспечивает полную поддержку модулей FBM230/231/232/233. Основными функциональными компонентами данного программного обеспечения (ПО) являются:

- драйверы ввода/вывода - драйверы ввода/вывода динамически загружаются в модули FBM230/231/232/233 c кодом ПО, специально разработанным для интерфейса с протоколом устройств сторонних поставщиков. Заказные конфигурационные файлы предусмотрены с некоторыми драйверами ввода/вывода для таких уникальных аспектов конфигурирования конкретного протокола. Процедуры конфигурирования и программные требования для каждого драйвера описываются в документе по конкретному протоколу устройства;

- ПО конфигурирования FDSI - обеспечивает конфигурирование модулей FBM230/ 231/ 232/ 233 в сети, к которой они подключены. ПО подготавливает конфигурационные файлы, которые содержат информацию, необходимую модулям FBM для осуществления связи с устройствами, с которыми они связаны. Данное ПО выполняется на рабочей станции I/A Series и содержит необходимый интерфейс пользователя. Элементы ПО в управляющем процессоре и модуле FBM поддерживают использование сконфигурированной информации во время рабочего цикла;

- ПО рабочего цикла - поддерживает чтение и запись данных от и на устройства в сети как стандартные полевые значения ввода/вывода в системе I/A Series. Данное ПО включает в себя блоки управления интерфейса распределенного управления (DCI), которые используются в качестве интерфейса для сигналов ввода/вывода от устройств;

- ПО системы I/A Series - интегрирует модули FBM230/231/232/233 и подключенные устройства в общую конфигурацию оборудования системы I/A Series. Данная интеграция совместима с интеграцией других типов модулей Fieldbus (FBM) системы I/A Series и полевых устройств;

- диагностика - обеспечивает диагностику и обнаружение неисправностей при запуске и техническом обслуживании модулей FBM230/231/232/233.

Модули FBM232/233 имеют один медный разъем (RJ-45) 10/100 Мб/сек Ethernet. Протокол соответствует стандарту 802.3 IEEE (поддерживает TCP/IP). Модуль FBM232 обеспечивает одно соединение Ethernet с однопортовыми полевыми устройствами, а модуль FBM233 обеспечивает двойное соединение Ethernet с двухпортовыми полевыми устройствами/сетями.

Для подключения нескольких устройств FBM232/233 требуется использование концентратора Ethernet или коммутатора Ethernet. Физически модуль FBM232/233 устанавливается на базовую плату вместе с другими модулями, монтируемыми на рейку DIN. Модуль FBM233 представляет собой резервированную версию модуля FBM232. Пара модулей обеспечивает резервирование на уровне модулей Fieldbus.

Количество модулей FBM, необходимых для обеспечения ввода/вывода необходимого количества сигналов представлено в таблице 2.4.2. Для размещения подсистемы монтируемой на рейку DIN выбран двухсторонний шкаф Rittal. Схема размещения модулей показана на рисунке 2.4.7.

Рисунок 2.4.7 - Схема размещения модулей

Таблица 2.4.2 - Необходимое количество модулей FBM на одну установку

Платы ввода/вывода, модель	Функция	Кол-во, Шт	Общее количество входов	Количество используемых входов
FBM211	AI	3	48	44
FBM237	AO	1	8	7
FBM217	DI	2	64	57
FBM242 (на пускатели)	DO	1	16	6
FBM242 (на КСП-8)	DO	2	32	18
FBM233		2	Связь с контроллером ПАЗ

2.3.6 Блоки питания

Три типа блоков питания предусмотрено для индивидуальных требований по электропитанию и безопасности: 250 Вт - сертифицированный, 24 В пост.тока, LL, Степень 2, 500 Вт - стандартный, 500Вт - сертифицированный, 24 В пост.тока, LL, Степень 2.

Рисунок 2.4.9 - Схема раздельного питания

Проектируемая система АСУ ТП предназначена для управления технологическим процессами на двух установках, поэтому была предусмотрена схема раздельного питания базовых плат, соответствующих разным установкам, с целью возможности отключения модулей при плановой остановке установки для профилактического ремонта. Один из вариантов такой схемы представлен на рисунке 2.3.9. Напряжение на блоки питания базовых плат планируется подавать через блок бесперебойного питания, например через промышленный UPS 8-15 kVA, что исключит потерю работоспособности АСУТП при аварийном исчезновении напряжения сети электропитания.

Предусмотрено также наличие 24 В для питания КСП-8 от внешнего источника постоянного тока через клеммные сборки (P0916JY/RJ), а также подача 220В - для пускателей насосов и воздуходувок через P0916NG/RK.

2.4.7 Барьеры искрозащиты

HID 2025/2026 (рисунок 2.4.10) - повторитель источника питания, совместимый с интеллектуальными датчиками, обеспечивает полностью изолированный от земли источник питания для 2-х проводных датчиков в опасной зоне, повторяет токовый сигнал от датчика на нагрузке в безопасной зоне.

Рисунок 2.4.10 - HID 2026

Выходы изолированы от входов и соединены с общим (минусовым) проводом источника питания.

Потребляемый ток: 50 мА при 24 В и выходном сигнале 20 мА (на канал).

Сигнал опасной зоны (вход): диапазон входного сигнала: 4-20 мА (перегрузка ограничена 26 мА). Напряжение, подаваемое на датчик и линию: 15.5 В мин. при токе 20 мА (уровень переменной составляющей 10 мВ эфф.).

Сигнал безопасной зоны (выход): выбирается пользователем: 4-20 мА или 1-5 В (на внутреннем шунте 250 Ом). Уровень переменной составляющей: 10 мВ эфф. на нагрузке 250 Ом, необходимой для передачи данных. Нагрузка: 0-650 Ом.

Частотная характеристика коммуникационного канала: (от датчика к выходу и от выхода к датчику) 0.5 кГц - 40 кГц в пределах 3 дБ (-6 дБ на 100 кГц).

Пригоден для использования с интеллектуальными датчиками, использующими HART® или подобный протокол. Время реакции: 40 мсек, при скачке уровня сигнала с 10% до 90%.

HID 2061/2062 (рисунок 2.4.11) - преобразователь для термопары, низковольтного источника (мВ), принимает входной сигнал от термопары или от низковольтного источника (мВ) из опасной зоны и преобразует их в изолированный аналоговый токовый сигнал в безопасной зоне. Каналы полностью независимы. Тип входа, диапазон и параметры, определяющие ошибки, задаются при помощи микропереключателей и подстроечных резисторов. С каждым модулем поставляется компенсатор потенциала холодного спая термопары, который устанавливается на входных клеммах объединительной платы (HAT).

Выходы изолированы от входа и соединены с общим (минусовым) проводом источника питания.

Потребляемый ток: 30 мА при 24 В и выходном сигнале 20 мА (на канал).

Сигнал опасной зоны (вход): тип входа выбирается пользователем: мВ, термопары типов B, E, J, K, N, R, S, Т (согласно стандарта МЭК 584-1) и L (согласно ГОСТ). Диапазон: От -10 мВ до +100 мВ.

Пределы установки амплитуды: 2.6 мВ мин., 100 мВ макс. Пределы смещения нуля: 500 % от амплитудного значения.

Рисунок 2.4.11 - HID 2062

Сигнал безопасной зоны (выход): выбирается пользователем: 4-20 мА или 1-5 В (на внутреннем шунте 250 Ом). Уровень переменной составляющей: 10 мВ эфф. Нагрузка: От 0 до 650 Ом.

HID 2821/2822/2824 (рисунок 2.4.12) - повторитель состояния контактного датчика/проксимитора, с релейным выходом, повторяет состояние «сухого» контакта или искробезопасного проксимитора, находящихся в опасной зоне, на релейном выходе(ах) в безопасной зоне. Система обнаружения неисправностей линии (используется в основном с проксимиторами) обесточивает выходное реле (реле индикации статуса выходов и реле аварийной сигнализации в HiD 2821), включает светодиодный индикатор аварии и выдает сигнал на шину аварийной сигнализации объединительной платы. Система обнаружения может использоваться и с контактными датчиками. В этом случае к датчику подключается дополнительная цепь, состоящая из параллельного и последовательного резисторов.

Потребляемый ток: 15 мА при 24 В и включенном выходном реле (на канал).

Сигнал опасной зоны (вход): «Сухой» контакт или проксимитор, соответствующий стандарту DIN 19234(NAMUR).

Пороговые величины:

От 0 до 0.2 мА = обрыв линии (отказ проксимитора).

От 6.5 мА до макс. мА= короткое замыкание линии (отказ проксимитора).

От 0.2 до 1.2 мА= контакт разомкнут/ проксимитор с объектом.

От 2.1 до 6.5 мА= контакт замкнут/ проксимитор без объекта.

Рисунок 2.4.12 - HID 2824

Сигнал безопасной зоны (выход): DPST (двухполюсное реле на одно положение) на канал (2822). SPST (однополюсное реле на одно положение) на канал (2824). DPST на каждый выход статуса (2821).

Нормально включенное реле DPST на аварийном выходе, с одним нормально разомкнутым и одним нормально замкнутым контактами (2821). Максимальная нагрузка контактов: 50 В пост., ток 0.5 А, неиндуктивная нагрузка. Время реакции: 20 мсек. Выбирается переключателями: Реле нормально включено/нормально выключено (фаза). Система обнаружения повреждений линии включена/выключена.

HID 2033/2034 (рисунок 2.4.13) - драйвер ЭПП, с питанием от сигнального контура, передает сигнал 4-20 мА, поступающий из безопасной зоны от управляющей системы, в опасную зону для управления находящимися там ЭПП, электроприводами клапанов и дисплеями. Разработан для применений, требующих высокой надежности. Каждый канал питается от сигнального контура с низким падением напряжения, и позволяет системе управления контролировать состояние линии. Разомкнутый полевой контур представляет собой высокое входное сопротивление на входе управляющего устройства, это используется в качестве признака аварии.

Рисунок 2.4.13 - HID 2034

Потребляемый ток: 35 мА при 24 В и выходном сигнале 20 (на канал).

Сигнал опасной зоны (выход): 4-20 мА на нагрузке от 0 до 500 Ом макс, влияние нагрузки: <0.2% от полной шкалы при изменении нагрузки от 0 до 500 Ом, переменная составляющая выходного сигнала: 40 мкА пик-пик, время реакции: 50 мсек при скачке уровня сигнала с 10 до 90%.

Сигнал безопасной зоны (вход): Питание от сигнального контура, от 7 до 30 В макс. (защита от неправильного включения полярности). Входной ток: питание от сигнального контура, 4-20 мА (падение напряжения 7 В при токе 20 мА и нагрузке 500 Ом). Потребление при разомкнутой цепи < 0.8 мА при 24 В.

2.3.8 Клеммные сборки

Полевые провода подключаются к модулям FBM с помощью клеммных сборок (ТА), как показано на рисунке 2.4.14. В зависимости от типа модуля FBM, одна или несколько клеммных сборок (ТА) предназначены для каждого модуля FBM для обработки конкретных сигналов и/или уровней напряжения. Подключение сигналов ввода/вывода к данному модулю FBM и его клеммной колодке (ТА) показано на рисунке 2.4.15.

Модуль FBM242 является интерфейсным модулем для вывода дискретных сигналов, запитываемых от внешнего источника, с изолированными каналами. В таблице 2.4.3 указан список выходных сигналов, поддерживаемых клеммной сборкой, используемой вместе с модулем FBM242.

Таблица 2.4.3 - Клеммные сборки модуля FBM242

Номер части TA	Выходные сигналы	Развязка
P0916JY/RJ	Переключатель 15-60В пост.тока при 2А (Внешний источник)	Между каналами
P0916NG/RK	Переключатель 30В пост.тока при 5А, 125В пост.тока при 600 мА для резистивной нагрузки, или 125В пост.тока при 250мА для индуктивной нагрузки, или 120В перем.тока при 5А или 240В перем.тока при 5А (Внешний источник)	Между каналами
P0916JZ/RL	Переключатель 30В пост.тока при 5А, 125В пост.тока при 600 мА для резистивной нагрузки, или 125В пост.тока при 250мА для индуктивной нагрузки, или 120В перем.тока при 5А или 240В перем.тока при 5А (Внешний источник) с напряжением возбуждения или распределения питания, подаваемым за пределы контура (через TA)	Группы



Рисунок 2.4.15 - Подключение сигналов ввода/вывода

Ограничение конструкции клеммной сборки в 5А на канал приводит к следующим эксплуатационным ресурсам реле:

- 200 000 операций для 250В перем.тока при 5А (индуктивная нагрузка))

- 250 000 операций для 30В пост.тока при 5А (резистивная нагрузка))

- 250 000 операций для 250В перем.тока при 5А (резистивная нагрузка).

2.4.9 Контроллер противоаварийной защиты

Контроллер Trident имеет следующие функции и возможности:

- обеспечивает архитектуру с тройным модульным резервированием (TMR), в которой каждый из трех идентичных каналов независимо выполняет прикладную программу, и специальные аппаратные и программные средства осуществляют мажоритарную выборку входов и выходов;

- позволяет работать в жестких промышленных средах;

- интегрирует модуль ввода/вывода с клеммной сборкой;

- позволяет выполнять монтаж и ремонт полевых устройств на уровне модулей, при этом контроллер продолжает работать в режиме онлайн;

- поддерживает до 14 модулей ввода/вывода;

- обеспечивает связь с использованием протоколов Modbus и Tristation от главного процессора (МР) или от коммуникационного модуля (СМ);

- выполняет прикладные программы, разработанные и отлаженные с помощью системы программирования TriStation;

- использует выделенный сопроцессор, который управляет модулями ввода/вывода, для уменьшения рабочей нагрузки главного процессора (МР);

- обеспечивает интегрированную диагностику в режиме онлайн с возможностями адаптивного ремонта;

- позволяет выполнять нормальное техническое обслуживание при работающем контроллере, не оказывая влияния на управляемый технологический процесс;

- поддерживают модули ввода/вывода с горячим резервированием для критических применений, для которых может отсутствовать возможность быстрого технического обслуживания;

- обеспечивает интегрированную поддержку резервированных источников питания для логических и полевых цепей.

Отказоустойчивость, являющаяся наиболее важной характеристикой контроллера, представляет собой возможность обнаруживать ошибки во время переходных и устойчивых состояний и предпринимать соответствующие корректирующие действия в режиме онлайн. Отказоустойчивость позволяет увеличить надежность и коэффициент готовности контроллера и управляемого технологического процесса.

Архитектура контроллера. Контроллер имеет архитектуру с тройным модульным резервированием для обеспечения отказоустойчивости и безошибочного бесперебойного управления процессом в случае отказа компонентов или сбоев внутренних или внешних источников питания.

Каждый модуль ввода/вывода имеет три независимых канала. Каждый канал входного модуля считывает технологические данные и передает их в соответствующий главный процессор (МР). Все три главных процессора осуществляют связь друг с другом, используя запатентованную высокоскоростную шину TriBus.

В каждом цикле главные процессоры (МР) синхронизируются между собой и осуществляют связь по шине TriBus. TriBus передает копии всех аналоговых и цифровых входных данных на каждый МР и сравнивает выходные данные, поступающие от каждого МР. Главные процессоры производят мажоритарную выборку входных данных, выполняют прикладную программу и передают обработанные выходные сигналы на выходные модули. Кроме того, контроллер производит мажоритарную выборку выходных данных на выходных модулях, расположенных как можно ближе к полевым устройствам, чтобы обнаруживать и компенсировать любые ошибки, которые могут произойти на этапе между мажоритарной выборкой TriBus и окончательным выходным управляющим сигналом.

Для каждого модуля ввода/вывода контроллер может поддерживать факультативный модуль горячего резерва. В этом случае, модуль горячего резерва берет на себя управление, если во время работы обнаруживается неисправность основного модуля. Позиция модуля горячего резерва также используется для выполнения ремонта неисправного модуля ввода/вывода в режиме онлайн.

Контроллер содержит три главных процессора (МР). Каждый МР управляет одним каналом и работает параллельно с двумя другими МР (рисунок 2.4.17).