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

Выделенный процессор ввода/вывода на каждом МР управляет обменом данных между МР и модулями ввода/вывода. Тройная шина ввода/вывода, расположенная на монтажных платах, переходит с одной линейки модулей ввода/вывода на другую, используя кабели шины ввода/вывода.

При опросе каждого модуля ввода/вывода, соответствующий канал шины ввода/вывода передает новые входные данные в свой МР. Входные данные компонуются в таблицу в МР и записываются в память для использования в процессе мажоритарной выборки.

Индивидуальная таблица входных данных в каждом МР передается в соседний МР по шине TriBus. После этого производится мажоритарная выборка. Шина TriBus использует программируемое устройство с прямым доступом к памяти для синхронизации, передачи и сравнения данных трех МР.

Рисунок 2.4.17 - Упрощенная блок-схема

Если появится несоответствие, то принимается значение сигнала, обнаруженное в двух из трех таблиц, а третья таблица корректируется надлежащим образом. Однократные несоответствия, вызванные отклонениями тактирования выборки, выявляются путем сравнения различающихся данных. Каждый МР сохраняет данные о необходимых коррекциях в локальной памяти. Любое несовпадение отмечается флагом и используется в конце цикла встроенной программой анализатора ошибок, чтобы определить, присутствует ли неисправность в конкретном модуле.

МР передает скорректированные данные в прикладную программу. 32-х разрядный МР выполняет прикладную программу параллельно с соседними МР и генерирует таблицу выходных значений, которая основывается на таблице входных значений в соответствии с определяемыми пользователем правилами. Процессор управления вводом/выводом на каждом МР управляет передачей выходных данных в выходные модули по шине ввода/вывода.

Тройная шина ввода/вывода переходит с одной монтажной платы на другую с помощью соединительных устройств, модулей расширения ввода/вывода и кабелей шины ввода/вывода. Резервированная схема электропитания логических схем состоит из соединительных устройств и модулей расширения ввода/вывода.

Шина TriBus, состоит из трех независимых последовательных линий, работающих со скоростью передачи данных 25Мб/сек. Шина TriBus синхронизирует главные процессоры в начале цикла. Затем каждый МР передает данные соседним процессорам. Важной особенностью архитектуры контроллера Trident является использование одного передатчика для передачи данных предыдущему и последующему процессорам. Это позволяет процессорам принимать одинаковые данные.

Контроллер может осуществлять связь непосредственно с TriStation или другими устройствами через модуль главного процессора и коммуникационный модуль.

Рисунок 2.4.18 - Архитектура главного процессора

Каждый главный процессор (МР) может обеспечивать непосредственную связь с TriStation или с другими устройствами по шине Modbus.

Коммуникационный модуль (СМ) обеспечивает факультативный, три-к-одному интерфейс с главными процессорами, который поддерживает различные протоколы связи с внешними хост-компьютерами. Один контроллер поддерживает до двух коммуникационных модулей на одной монтажной плате коммуникационных модулей. Каждый коммуникационный модуль работает независимо друг от друга. Два коммуникационных модуля могут обеспечить резервированные коммуникационные соединения или независимые коммуникационные порты.

Каждый коммуникационный модуль обеспечивает три последовательных порта RS-232/485 и два порта Ethernet. Эти порты позволяют контроллеру осуществлять связь с:

- внешними хост-компьютерами;

- распределенными системами управления (DCS);

- открытыми сетями;

- сетевыми принтерами;

- другими контроллерами Trident или Tricon V9.

В таблице 2.4.4 перечислены физические коммуникационные интерфейсы, обеспечиваемые главным процессором и коммуникационным модулем.

Таблица 2.4.4 - Коммутационные интерфейсы

Интерфейс	МР	СМ
Последовательный порт Modbus RS-232/RS-485	+	+
Порт 10 Base T Ethernet	+	+
Порт 10 Base T/100Base TX Ethernet c автоматической передачей		+
Интерфейс подключаемых устройств (AUI) для устройства подключения к среде (MAU)		+
Независимый от среды интерфейс (MII) для MAU		+
Порт отладки	+	+

В таблице 2.4.5 перечислены коммуникационные протоколы, поддерживаемые последовательными и сетевыми портами МР и СМ.

Таблица 2.4.5 - Коммутационные протоколы

Протокол для последовательных портов	МР	СМ
Modbus ведомый	+	+
Modbus ведущий		+
Протокол для сетевых портов Net1 и Net2
TriStation	+	+
ТСР/IР		+
Приложение системного доступа Triconex (TSAA)		+
Временная синхронизация (Time Sync)		+
Одноранговый Triconex		+
Протокол управления каналом передачи данных (DLC)/управления логическим соединением (LLC) cервера сетевого принтера JetDirect® фирмы Hewlett-Packard.		+/

Контроллер управляет обменом данных между МР и следующими модулями ввода/вывода:

1 Модуль аналогового ввода. В модуле аналогового ввода (AI) каждый канал асинхронно измеряет входные сигналы и заносит результаты в таблицу. Каждая таблица входных значений через шину ввода/вывода передается в соответствующий главный процессор. Таблица входных значений в каждом МР передается соседним процессорам по шине TriBus. Каждый главный процессор выбирает среднее значение, и таблица входных значений каждого главного процессора корректируется надлежащим образом. В режиме тройного модульного резервирования (TMR) прикладная программа использует среднее из трех значений; в дуплексном режиме используется среднеарифметическое двух значений.

Предусмотрена функция самодиагностики, позволяющая в течение 500 миллисекунд обнаруживать все неисправности типа залипания или отклонения от заданной точности преобразования с последующей выдачей аварийных сигналов. Данная функция позволяет нормально функционировать системе в условиях множественных отказов.

2 Модули аналогового вывода. Модуль аналогового вывода принимает три таблицы выходных значений, по одной таблице для каждого канала от соответствующего главного процессора. Каждая точка в каждом канале имеет свой собственный цифро-аналоговый преобразователь (DAC). Один из трех каналов выбирается для управления аналоговыми выходами. Выходные сигналы выбранного канала непрерывно проверяются с помощью входов по контуру обратной связи ввода/вывода от каждой точки, которые считываются всеми тремя каналами. В случае появления неисправности в управляющем канале, этот канал декларируется неисправным и отключается, и выбирается новый канал для управления полевыми устройствами. Функция управляющего канала по очереди передается каждому из каналов, так что все три канала периодически тестируются.

3 Модуль цифрового ввода. Модуль цифрового ввода имеет три идентичных канала (А, В и С). Хотя каналы находятся в одном модуле, они полностью изолированы друг от друга и функционируют совершенно независимо. Каждый канал обрабатывает сигналы самостоятельно и обеспечивает оптическую изоляцию между полевыми устройствами и контроллером. Неисправность в одном канале не влияет на другие каналы. Кроме того, каждый канал содержит запатентованную специализированную интегральную схему (ASIC), которая обеспечивает связь с соответствующим главным процессором и поддерживает диагностику во время выполнения программы.

Рисунок 2.4.19 - Контроллер с платами ввода/вывода

Каждый из трех входных каналов асинхронно измеряет входные сигналы от каждой точки на монтажной плате, определяет соответствующие состояния входных сигналов и помещает их значения в таблицы входных значений "А", "В" и "С" соответственно. Каждая из этих таблиц периодически опрашивается через шину ввода/вывода коммуникационным процессором соответствующего главного процессора.

Предусмотрена функция самодиагностики, позволяющая в течение 500 миллисекунд обнаруживать все неисправности типа залипания или отклонения от заданной точности преобразования с последующей выдачей аварийных сигналов. Данная функция позволяет нормально функционировать системе в условиях множественных отказов.

4 Модуль цифрового вывода. Модуль цифрового вывода (DO) имеет три идентичных изолированных канала. Каждый канал содержит запатентованную специализированную интегральную схему (ASIC), которая принимает таблицу выходных значений от коммуникационного процессора ввода/вывода соответствующего главного процессора. Все модули цифрового вывода используют специальную четырехвариантную схему мажоритарной выборки индивидуальных выходных сигналов непосредственно перед их поступлением на выходную нагрузку. Данная схема выборки основана на параллельно-последовательных цепях, которые пропускают сигнал, если драйверы каналов "А" и "В" или "В" и "С" или "А" и "С" выдают им команду на замыкание - другими словами, два драйвера из трех выбираются схемой голосования. Четырехвариантная схема мажоритарной выборки обеспечивает многократное резервирование всех критических путей прохождения сигналов, гарантируя тем самым безопасность и максимальную готовность.

Модуль цифрового вывода периодически выполняет рутинную программу диагностики схемы мажоритарной выборки выходного сигнала (OVD) для каждой точки. Данная обеспечивающая безопасность функция позволяет нормально функционировать системе в условиях множественных отказов.

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 ПАЗ У-07,08 необходимо использовать следующее количество модулей ввода/вывода (таблица 2.4.6).

Таблица 2.4.6 - Необходимое количество модулей ввода/вывода для системы ПАЗ Trident

Платы ввода/вывода, модель	Функция	Кол-во, Шт	Общее количество входов	Количество используемых входов
Коммуникационный резервированный модуль модель 3201	связь	1	-	-
Модуль аналогового ввода модель 3351 (резервированный)	AI	1	32	14
Модуль дискретного ввода модель 3301 (резервированный)	DI	1	32	6
Модуль дискретного вывода модель 3401 (резервированный)	DO	2	32	25

Программирование контроллера осуществляется посредством специализированной программы TriStation 1131. Возможности данной программы кратко описаны в приложении Б.

2.3.10 Рабочие станции

Прикладная рабочая станция (АР) выполняет интенсивные вычисления функции. Она обладает вычислительными возможностями, чтобы выполнять:

- системное программное обеспечение, написанное фирмой Foxboro;

- прикладные программные пакеты, написанные фирмой Foxboro;

- программы, написанные пользователем, и программы сторонних поставщиков.

Кроме того, станция АР выступает в роли файлового сервера или хоста (ведущего компьютера) для других станций в сети. Файловый сервер обеспечивает сервис загрузки образа для этих станций и хранит информацию, полученную от этих станций, чтобы её можно было использовать в других прикладных программах.

Станция оператора (WР) -- это графический терминал, с помощью которого оператор взаимодействует с дисплеями системы (I/A) Series, чтобы:

- выполнять мониторинг и управление параметрами технологического процесса;

- принимать уведомления об аварийных сигналах технологического процесса;

- выполнять действия с аварийными сигналами технологического процесса;

- выполнять мониторинг состояния аппаратных средств системы;

- отображать заархивированные данные технологического процесса.

Монитор станции оператора (WР) используют для взаимодействия с дисплеями системы (I/A) Series, чтобы работать с некоторыми конфигураторами системы (I/A) Series, создавать и выполнять программы и отчёты. Станция оператора (WР) также обеспечивает функции накопителей данных большой ёмкости для хранения графических дисплеев и других файлов рабочей станции.

- Основная функция станции оператора (WР) состоит в выполнении роли интерфейса между пользователем и технологическим процессом, обеспечивая программы, необходимые для работы с устройствами пользовательского интерфейса.

Инженерная рабочая станция (AW) является комбинацией прикладной рабочей станции (АР) и станции оператора (WР). Поэтому она может выполнять такие функции прикладной рабочей станции, как сбор данных предыстории и загрузку базы данных управления. Она также действует как графический интерфейс, аналогично станции оператора. Доступ ко всем конфигураторам возможен через эту станцию. Инженерные рабочие станции используют операционную систему Windows XP. Последней является инженерная рабочая станция АW-70, являющейся автономной станцией, которая моделирует станцию АW в сети. С помощью этой станции всё конфигурирование может быть выполнено и протестировано в автономном режиме.

2.4.11 Полевое оборудование КИП

Выключатель путевой типа ВПВ-1А21 предназначенный для сигнализации конечного положения исполнительного механизма и используемый в цепях переменного или постоянного тока. Коммутационное устройство выключателя имеет «механическо-мгновенное действие», обеспечивающее включение или переключение контактов, а также контактное давление не зависящее от положения привода.

Условия эксплуатации:

-- климатическое исполнение УХЛ-1 по ГОСТ 15150-69;

-- степень защиты IP-65;

-- взрывозащищённого исполнения 1ExdIAT6;

-- высота над уровнем моря не более 2000 м.;

-- рабочие значения температуры воздуха от -50С до +45С;

-- относительная влажность окружающей среды до 100% при температуре 35С с конденсацией влаги.

Коррозионностойкие датчики давления "Метран-49" предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования, управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Датчики работают со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала.

В датчиках давления "Метран-49" за счет реализации схемы трехмембранного приемника давления достигнуто сочетание высокой точности и стабильности измерений с высокой коррозионной стойкостью.

Измеряемые среды: агрессивные среды с высокой химической активностью (газ с содержанием сероводорода, кислоты, щелочи, нефтепродукты, сырая нефть, морская вода), исполнения: обыкновенное, взрывозащищенное Ех, Вн, выходной сигнал: 0-5, 0-20, 4-20, 5-0, 20-0, 20-4 мА, степень защиты датчиков от воздействия пыли и воды IP65, внесены в Госреестр средств измерений под №19396-00, сертификат №7633/1.

Датчики разработаны по техническому заданию ОАО "Газпром".

Клапан соленоидный пилотный КСП-8 предназначен для дистанционного и автоматического управления пневматическими исполнительными устройствами в системах автоматизации газопромысловых объектов.

Клапан выполнен во взрывонепроницаемой оболочке, имеет взрывобезопасный уровень взрывозащиты и может применяться во взрывоопасных помещениях всех классов и наружных установках, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси паров и газов с воздухом категорий 1, 2 и 3 групп А, Б, Г.

Технические характеристики:

-- питание 24 В постоянного тока, мощность 3,5 Вт;

-- управление работой в сети сжатого воздуха с давлением до 1 МПа;

-- взрывозащищённого исполнения 1ExdIICT6 по ГОСТ 12.2.020;

-- продолжительный режим работы;

-- рабочие значения температуры воздуха от -40С до +50С.

Термоэлектрический преобразователь (ТХА) фирмы Berger (Франция). ТХА развивает электродвижущую силу при изменении температуры рабочего спая, которая фиксируется измерительным прибором (HID 2062). Рабочая температура хромель алюмелевого преобразователя: -200 ч 1100 С.

Датчики-реле уровня РОС 101И предназначены для контроля уровня электропроводных и неэлектропроводных жидкостей, твердых сред, нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов. Относятся к классу емкостных сигнализаторов уровня. В состав прибора входит первичный преобразователь и передающий преобразователь. Исполнение первичного преобразователя по маркировке взрывозащиты 0ЕxiaIICT6, передающий преобразователь ЕxiaIIC. Диапазон температур окружающего воздуха при эксплуатации от -50 до +60оС.

Датчики загазованности фирмы General Monitors. Газоанализаторы серии S4100 модели S4100С. Пределы измерения 0 - 100% (0 - 70%) НКПВ. Датчики расположены в местах, наиболее вероятной утечки газа.

2.5 Расчет надежности ПТК

2.5.1 Методика расчета

Надежность - свойство системы сохранять во времени в восстановленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Объектом расчета надежности является автоматизированная система управления технологическими процессами У-07,08 Оренбургского ГПЗ.

Оцениваемыми показателями надежности являются:

- показатель безотказности;

- показатель ремонтопригодности.

Система является восстанавливаемой в процессе применения.

Неработоспособным состоянием системы считается:

- прекращение сбора, обработки, передачи, представления информации, выход погрешности измерения технологических параметров за допустимые пределы, искажение информации или не предоставление ее оперативному персоналу (информационная функция системы);

- прекращение формирования или передачи команд управления, выдача ложных команд (функция управления системы);

- отсутствие любой команды управления, формируемой системой САУ или ПАЗ при наличии аварийной ситуации на объекте управления, либо выдача любой команды управления при отсутствии аварийной ситуации на объекте (функция защиты системы).

Показатель ремонтопригодности опущен, т.к. на восстановление работоспособности АСУ ТП из-за вышедшего из строя элемента программно-технического комплекса уйдет не больше 0,5 часа.

Для расчета свойств, составляющих надежность, и комплексных показателей надежности используем структурный метод расчета - основанный на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы (в соответствии с ГОСТ 27.301-95).

Предполагаем, что как вся система, так и любой ее элемент могут находиться только в одном из двух возможных состояний - работоспособном и неработоспособном и отказы элементов независимы друг от друга. Состояние системы определяется состоянием элементов и их сочетанием. Поэтому теоретически возможно расчет безотказности любой ТС свести к перебору всех возможных комбинаций состояний элементов, определению вероятности каждого из них и сложению вероятностей работоспособных состояний системы.

Системой с последовательным соединением элементов называется система, в которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Такое соединение элементов в технике встречается наиболее часто, поэтому его называют основным соединением. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременно безотказной работы n элементов определяется по теореме умножения вероятностей:

.(2.3)

Очевидно, что даже при высокой надежности элементов надежность системы при последовательном соединении оказывается тем более низкой, чем больше число элементов.

Если все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации и имеет место простейший поток отказов, наработки элементов и системы подчиняются экспоненциальному распределению, т.е. можно записать:

.(2.4)

Системой с параллельным соединением элементов называется система, отказ которой происходит только в случае отказа всех ее элементов. Такие схемы надежности характерны для систем, в которых элементы дублируются или резервируются, т.е. параллельное соединение используется как метод повышения надежности.

2.5.2 Расчет показателей надежности

Для расчета показателей надежности по функциям выполняемым АСУ ТП исходим из того, что система состоит из последовательно соединенных элементов (т.е. отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения в целом).

Для информационной функции интенсивность отказа системы определяется по формуле:

,(2.3)

где - интенсивность отказов датчиков, ;

- интенсивность отказов линии связи, ;

- интенсивность отказов УСО, ;

- интенсивность отказов ПЛК, ;

- интенсивность отказов АРМ оператора, .

.

Следовательно, среднее время безотказной работы системы:

года.

Значение коэффициента надежности определяется по формуле:

.(2.4)

Т.е. коэффициент надежности для времени в один год будет:

.

Вероятность безотказной работы в течении года:

.

Коэффициент готовности системы определяется по формуле:

,(2.5)

где - время восстановления элементов системы, .

.

Для управляющей функции интенсивность отказа системы определяется по формуле:

,(2.6)

где - интенсивность отказов исполнительных механизмов, .

.

Следовательно, среднее время безотказной работы системы:

года.

Коэффициент надежности для времени в один год будет:

.

Вероятность безотказной работы в течение года:

.

Для функции защиты интенсивность отказа системы определяется по формуле:

.(2.7)

.

Следовательно, среднее время безотказной работы системы:

лет.

Коэффициент надежности для времени в один год будет:

.

Вероятность безотказной работы в течение года:

.

Методика определения зависимости эффективности работы системы от показателей надежности представлена в приложении А.

2.6 Разработка программного обеспечения

Программное обеспечение (ПО) АСУ ТП У-07,08 ГПЗ включает в себя следующие составные части:

- системное ПО - операционная система Windows XP SP2;

- фирменное ПО - пакет программ «I/A Series»;

- прикладное ПО - ПО созданное на основе пакета программ «I/A Series».

Операторский интерфейс интегрирован в системе управления I/A Series и позволяет выполнять широкий круг операций, как по конфигурированию системы, так и по управлению процессом.

Конфигурированные функции дают возможность как начальной настройки рабочей станции на текущую конфигурацию объекта управления, так и оперативной ее корректировки в режиме «on-line».

В состав фирменного программного обеспечения входят также инструментальные (сервисные) средства для разработки отладки и документирования прикладного программного обеспечения, проведения наладочных работ.

FoxDraw - это графический редактор для создания и обслуживания дисплеев графического отображения динамики управления технологическим процессом. На дисплеях могут отображаться технологическая установка, технологическая зона, или подробное изображение части технологического процесса. Дисплейные объекты динамически связаны с выбранными переменными или с выборами оператора.

Программа FoxCAE представляет мощную, работающую под Windows, систему, которая полностью автоматизирует процесс разработки баз данных для станций управления системы I/A Series. FoxCAE повышает эффективность процесса разработки, позволяя создавать и документировать программы управления в графической среде. FoxCAE также обеспечивает такой же удобный для пользователя доступ к существующим базам данных процессоров управления, упрощая обслуживание и документирование.

Операторские средства используются в ходе повседневной эксплуатации системы управления технологическим процессом. Основные инструменты оператора - FoxView, AIM Historian, Alarm Manager, AIM Explorer.

FoxView - это «окно» в ПО системы I/A Series, обеспечивающее удобный пользовательский интерфейс для доступа к данным технологического процесса. Пользователь может взаимодействовать в реальном времени с любыми данными установки, полевого оборудования и процесса.

AIM Historian - это прикладная программа, которая выполняет сбор, хранение, обработку и архивацию данных системы управления, необходимых для построения трендов, графиков статического управления процессами (SPC), ведения журналов регистрации, отчетов, таблиц и прикладных программ. Программа AIM Historian принимает данные, поступающие от системы I/A Series фирмы Foxboro и других систем автоматизации и управления, включая распределенные системы управления (DCS), программируемые логические контроллеры и системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Данные предыстории могут включать в себя значения точек в реальном времени (RTP), сообщения о событиях, таких как аварийные сигналы технологического процесса, и сообщения об описаниях периодических процессов.

FoxAlert - это администратор алармов, обеспечивающий удобный пользовательский интерфейс для просмотра заранее сконфигурированных дисплеев алармов и быстрых ответных действий на алармы технологического процесса. В окне дисплея алармов выводятся сообщения, инициированные управляющими блоками и относящиеся к дискретному вводу, изменениям состояния, абсолютным аналоговым значениям, отклонениям, скорости изменений, несоответствиям состояний устройств и другим аларменным условиям.

AIM Explorer - это прикладная программа для архитектуры типа клиент/сервер фирмы Foxboro, позволяющая пользователям отображать поступающие в реальном времени или архивные технологические данные на рабочем столе Windows.

В системе I/A Series используется модульный принцип при разработке стратегии управления. Управляющие модули являются уникальными поименованными управляющими единицами в системе I/A Series. Функциональный блок - это основной компонент управляющего модуля, то есть, это блоки, из которых строится управляющий модуль. Каждый функциональный блок содержит в себе управляющий алгоритм. Алгоритмы усовершенствованного управления процессом также включены в функциональные блоки, например, регулирование с функцией Нечеткой логики. Будучи соединенными, вместе в определенной последовательности, несколько функциональных блоков образуют управляющий модуль.

ПО I/A Series поддерживает различные языки управления, в соответствии со стандартом IEC 61131-3, для разработки конфигураций, в том числе функциональные блоки и язык релейной логики. В пределах одного управляющего модуля можно смешивать эти управляющие языки.

Функциональный блок представляет собой конструктивный элемент для создания алгоритмов, выполняющих управление технологическим процессом или его мониторинг. Каждый функциональный блок включает в себя алгоритм и параметры, которые позволяют настраивать этот алгоритм. Алгоритмы функциональных блоков варьируются от простого преобразования входного сигнала до сложных управляющих стратегий.

Функциональный блок использует данные параметров, полученные от пользователя, от самого функционального блока или от других функциональных блоков для выполнения своих вычислительных и логических функций и для передачи выходного значения в другие функциональные блоки или в полевые приборы. Некоторые функциональные блоки могут также определять условия алармов.

Язык релейной логики позволяет создавать модульные логические схемы управления в удобных, простых для использования релейных символах. Программы релейной логики определяют простые релейные операции. Программы релейной логики, вместе с непрерывными и последовательными блоками управления управляющего процессора, может использоваться для реализации сложных стратегий управления. На основе функций обмена данными и наличия сети управления выполнение программ релейной логики в одном модуле Полевой шины может быть скоординировано с другими логическими, непрерывными и периодическими функциями в любом сетевом управляющем процессоре.

В качестве операционной среды для всех операторских станций используется операционная система Windows XP Service Pack 2.

Windows XP - это надежная, современная, высокооперативная, мощная и высокопроизводительная операционная система, позволяющая естественным образом реализовать решения на базе архитектуры клиент-сервер.

Вытесняющая многозадачность, многопроцессорность и многопоточность, страничная организация виртуальной памяти, поддержка симметричной многопроцессорной обработки (SMP), встроенные сетевые возможности обеспечивают высокую производительность Windows XP.

2.6.1 Разработка мнемосхем процесса

FoxDraw - это графический редактор (рисунок 2.6.1) для создания и обслуживания дисплеев графического отображения динамики управления технологическим процессом. На дисплеях могут отображаться технологическая установка, технологическая зона, или подробное изображение части технологического процесса. Дисплейные объекты могут быть динамически связаны с выбранными переменными или с выборами оператора.



Рисунок 2.6.1 - Окно FoxDRAW

С помощью FoxDraw можно рисовать основные объекты, используя при этом мышь вместе с панелями инструментов, позициями меню и быстрыми клавишами, присваивать графические атрибуты объектам и конфигурировать объекты, чтобы отображать изменения технологических параметров или действия оператора.



Рисунок 2.6.2 - Мнемосхема №1



Рисунок 2.6.3 - Мнемосхема №2



Рисунок 2.6.4 - Мнемосхема №3



Рисунок 2.6.5 - Мнемосхема №4

FoxDraw имеет многочисленные палитры объектов, такие как насосы, резервуары, трубы, электрические двигатели, клапаны и символы ISA, можно создавать собственные палитры для хранения сложных объектов и стандартных символов компании.

Для визуализации состояния технологического оборудования и отображения текущих значений, контролируемых параметров используются мнемосхемы, отображаемые на экране монитора (рисунок 2.6.2 - 2.6.5). Наряду с виртуальной панелью контроля и управления мнемосхема предназначена для использования операторами-технологами в качестве основного средства контроля и управления технологическим процессом.

На мнемосхемах в реальном масштабе времени отображается ход технологического процесса, а использование объемных изображений элементов мнемосхемы, максимально приближенных к виду реальных конструкций технологического оборудования, облегчает работу оператора и обеспечивает хорошее восприятие им фактического состояния управляемого в дистанционном режиме оборудования.

Мнемосхемы САУ повторяет с некоторыми особенностями функциональную схему автоматизации, содержит основное технологическое оборудование и направления движения материальных потоков, отражает принципиальную схему КИПиА с одновременной индикацией в цифровой форме:

- значений контролируемых и регулируемых технологических параметров;

- значений сигналов, характеризующих действительное состояние двухпозиционных, исполнительных механизмов (отсекателей);

- состояния (ВКЛ/ВЫКЛ) различного электротехнического оборудования;

состояние технологического параметра относительно технологических и аварийных регламентных значений.

Наибольшее внимание на мнемосхеме уделяется запорно-регулирующей арматуре, а также позициям, на которых установлены датчики технологического процесса.

Элементы, участвующие в автоматизации: трубопроводы, запорно-регулирующая арматура, - сделаны динамическими объектами, свойства которых (видимость, цвет, анимированные возможности) меняются в соответствии с выполняемыми операциями процесса.

При помощи мнемосхем осуществляется контроль за основными параметрами технологического процесса. Для этого в оформлении мнемосхемы присутствуют динамические элементы индикаторы физических параметров процесса, связанные с соответствующими технологическими параметрами.

2.6.2 Разработка контуров управления

Программное обеспечение FoxCAE (Control Application Engineering) полностью использует графический интерфейс пользователя Microsoft Windows, оно организует процесс разработки базы данных управления в ряд окон для каждой из главных задач или в рабочие области. Когда вы открываете базу данных проекта, система открывает окно рабочих областей, в котором представлены функции системы (рисунок 2.6.6).

FoxCAE позволяет перемещаться от одной функции к другой, не закрывая первую задачу и возвращаясь в главное меню или окно. Каждое окно рабочей области обеспечивает набор пиктограмм, позволяющих переходить от задачи к задаче.

Рисунок 2.6.6 - Окно рабочих областей FoxCAE

FoxCAE обеспечивает графическую среду для создания контуров управления, которые, в свою очередь, генерируют базу данных компаундов и блоков, которые нужно загрузить на станцию управления системы I/A Series.

Контуры создаются с помощью редактора контуров управления путем выбора блоков управления и идентификации входов и выходов технологического процесса. Чтобы автоматизировать данный процесс, FoxCAE обеспечивает оперативные библиотеки с заранее сконфигурированными данными управления, которые можно выбрать, чтобы создать контур управления.

Используя возможности программы FoxCAE, были разработаны простейшие контура управления на языке функциональных блоков (Function Block Diagrams, согласно стандарту IEC 61131-3), которые представлены на рисунках 2.6.7 и 2.6.8 соответственно.

Краткое описание функциональных блоков.

Блок аналогового ввода (AIN) принимает входной сигнал от одной точки (объекта управления), который может быть аналоговым, частотно-импульсным или от интеллектуального полевого устройства типа Fieldbus (FBC) или модуля Fieldbus (FBM или от другого блока, и преобразует его в подходящую форму для применения в стратегии управления системы I/A Series. Входной сигнал, поступающий на данный блок, представляет оцифрованные данные из блока управления оборудованием (ЕСВ) модуля FBM, а выходной сигнал представляет значение, выраженное в соответствующих физических единицах измерений.

Блок AIN сопрягается с блоком ЕСВ, который хранит значения, поступающие от модуля FBM или FBC, принимая аналоговые электрические сигналы, число-импульсные или частотно-импульсные входные сигналы. Во время каждого цикла обработки модуль FBM или FBC передает значения на соответствующий блок ЕСВ в управляющем процессоре (FСР), и блок AIN считывает его рабочее состояние, состояние канала и входные данные из блока ЕСВ для указанной точки. После выполнения проверки на достоверность, блок AIN преобразует необработанные данные канала в число с плавающей запятой в физических единицах измерений, в соответствии со сконфигурированным индексом преобразования сигнала (SCI), верхним и нижним значениями шкалы диапазона физических единиц измерений и любым указанным преобразованием единиц измерений или опцией фильтрации. Данный выходной сигнал представляет собой параметр Point (PNT) в стратегии управления. Его исходное значение, представленное в блоке ЕСВ, сохраняется и доступно в виде выходного параметра Raw Count (RAWC).

Блок PIDЕ (блок ПИД-регулирования с алгоритмом настройки EXACT) обладает дополнительными функциями, в том числе функцией самонастройки, по сравнению с традиционными функциями трехчленного связанного ПИД-регулятора. Часть данного блока, выполняющая ПИД-регулирование, и расширенные характеристики совпадают с блоком PID, за исключением того, что блок PIDXE не поддерживает параметра MODOPT.

Блок аналогового вывода (AOUT) обеспечивает возможность вывода одного аналогового значения, направленного в любой модуль Fieldbus (FBM) или модуль FBC), способный управлять аналоговыми выходными сигналами, для применения в стратегии управления системы I/A eries. Данный блок поддерживает автоматический и ручной режимы работы, преобразование (нормирование) сигнала, смещение диапазона и балансировку выходного сигнала. Также данным блоком поддерживается каскадная инициализация и возможность диспетчерского управления.

На блок AOUT подается входной сигнал из параметра MEAS (Измерительный сигнал). Если активизирован режим диспетчерского управления, входной сигнал подается из параметра SUP_IN. Данный входной сигнал факультативно масштабируется и смещается с помощью параметров MSCALE (Масштабный коэффициент) и BIAS (Коэффициент смещения шкалы). Функция использования последнего достоверного значения обеспечивается как для входного сигнала, так и для смещения шкалы.

Затем масштабированный и смещенный сигнал модифицируется путем добавления терма сброса балансировки выходного сигнала, который инициализируется при переходе из состояния сохранения последнего достоверного значения параметра MEAS или BIAS или при замыкании каскада. После инициализации данный терм балансировки передается в каждый последующий цикл обработки блока, так что он затухает с откликом, характеризуемым задержкой первого порядка. После того как результирующий сигнал будет ограничен рабочими пределами параметров HOLIM (Верхний предел выходного сигнала) и LOLIM (Нижний предел выходного сигнала), он становится доступным для применения в стратегии управления в виде параметра OUT (Выходной сигнал). Значение параметра OUT может быть факультативно использоваться блоком для линеаризации сигнала, поступающего из модуля FBM, в соответствии с индексом SCO, а результат сохраняется в параметре RAWC Raw Count (Исходный код, выраженный в импульсах счета). Если к блоку подключен модуль FBM или FBC, значение параметра RAWC передается в указанную точку аналогового выхода.

Рисунок 2.6.7 - Контур регулирования уровня

Модуль FBM передает данные, полученные от датчика уровня, на вход блока AIN, которые обработав их передает на свой выход точки (PNT). Данный выход связан с измерительным входом (MEAS) блока ПИД-регулятора. PIDE осуществив обработку полученного сигнала в соответствии со своим алгоритмом, уставками (вход дистанционной уставки (RSP) связан с входом уставки (SPT) блока), коэффициентами настройки (которые могут быть получены с использованием алгоритма самонастройки EXACT) и т.д. передает результат на выход (OUT) и соответственно на измерительный вход блока AOUT. Выходной блок логически связан с выходным модулем FBM, что позволяет ему передать результат обработки информации в модуле PIDE на выходной модуль FBM.

Для осуществления функции обратной связи некоторые выходы блока PIDE связаны с выходами блока AOUT, а именно, инициализация входа (INITI) с инициализацией выхода (INITO) и обратно вычисленный вход (BCALCI) и сброс обратной связи (FBK) с обратно вычисленным выходом (BCALCO).

Блок дискретного (контактного) ввода (CIN) обеспечивает стратегию управления с возможностью ввода одного дискретного входного сигнала или вывода одного дискретного выходного сигнала в любом модуле Fieldbus (FBM) или модуле FBC, содержащих такие сигналы. Данный блок также обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, касающиеся такого ввода.

Блок CIN сопрягается с блоком управления оборудованием (ЕСВ), который хранить значения дискретных входных или выходных сигналов от модуля FBM или FBC. Во время каждого цикла обработки блок представляет значение указанной дискретной точки как свой выходной сигнал, называемый дискретным (контактным) входным сигналом (CIN). Когда ни модуль FBM, ни FBC не подключены, в качестве входного сигнала блока используется другой блок, подключенный к входному параметру IN. Блок CIN обеспечивает факультативную инверсию точки, сигнализацию неисправности ввода/вывода (Bad I/O), сигнализацию нарушения состояния (State), обработку изменения состояния и автоматический и ручной режимы работы.

Блок дискретного (контактного) вывода (COUT) обеспечивает возможность вывода одного дискретного состояния, направленного в любой модуль Fieldbus (FBM) или модуль (FBC), способный управлять дискретными выходными сигналами, для применения в стратегии управления системы I/A Series. Выполняет хранение выходного дискретного сигнала и его адресацию и, в случае инвертирования, обеспечивает инвертирование сигнала.

В направлении исходящих сигналов, блок СOUT принимает двоичное значение из схемы управления, или от оператора, и передает его в адресуемую точку модуля FBM или FBC. В направлении входящих сигналов, подтвержденная блоком структура выходного сигнала позволяет обратно считать любое изменение значения внешнего устройства с помощью этого блока системы I/A Series. Таким образом, логика блока позволяет изменить значение точки с двух сторон, при этом обе стороны всегда остаются синхронизованными.

В автоматическом режиме блок СOUT принимает дискретный входной сигнал от схемы управления, расположенной вверх по потоку данных, на входе параметров (IN). В ручном режиме, блок принимает двоичное значение от оператора, обычно через дисплейный диспетчер (Display Manager) cистемы I/A Series или дисплей FoxView, для параметра уставки (SET). Блок посылает это значение в адрес устройства, указанного в параметре Point Number (Номер точки), (PNT_NO).

Блок General Device (GDEV) обеспечивает двухпозиционное управление (Открыть/Закрыть) электрическими и пневматическими клапанами, а также двухпозиционное управление (Пуск/ Останов) электродвигателями с двухпроводными или трехпроводными схемами.

Блок поддерживает двухпроводную конфигурацию, используя один постоянный (sustained) выход, или трехпроводную конфигурацию, используя два импульсных выхода.

В качестве контроллера открытия/закрытия клапана, блок поддерживает двухпозиционное управление (Открыть/Закрыть) в ручном или автоматическом режимах в зависимости от состояния параметра МА. В ручном режиме принимаются запросы оператора на открытие/закрытие клапана. В автоматическом режиме принимаются запросы на открытие/закрытие клапана от другого блока или задачи.

В качестве контроллера электродвигателя, блок поддерживает двухпозиционное управление (Пуск/Останов) в ручном или автоматическом режимах в зависимости от состояния параметра МА. В ручном режиме принимаются запросы оператора на Пуск/Останов электродвигателя. В автоматическом режиме принимаются запросы на Пуск/Останов электродвигателя от другого блока или задачи. Вы задаете длительность выходного импульса.

Положение клапана контролируется концевыми выключателями в полностью открытом и полностью закрытом положениях. Состояние электродвигателя контролируется концевыми выключателями в полностью работающем и полностью остановленном состояниях.

Входной сигнал обратной связи состояния клапана или электродвигателя используется вместе с параметром сигнализации нарушения таймаута. Входной сигнал состояния клапана или электродвигателя поступает от блока CIN или MCIN, или факультативно от модуля Fieldbus (FBM). Если активизирован параметр таймаута, происходит сигнализация нарушения, когда запрос на требуемое состояние клапана или электродвигателя не совпадает с обнаруженным состоянием в течение заданного пользователем временного интервала.

Блок GDEV может считывать сигналы концевого выключателя прямо из модуля FBM или через входные параметры. Данный блок может передавать дискретные (контактные) выходные сигналы прямо в модуль FBM или через выходные параметры. При считывании сигналов концевых выключателей непосредственно из модуля FBM и передаче дискретных выходных сигналов в модуль FBM вы должны использовать один и тот же модуль FBM.

Обнаружение дублирующего выходного канала предназначено для того, чтобы предупредить вас, что данный блок и еще один блок дискретного вывода подключены к одной выходной точке. Это не обязательно приводит к конфликту, так как другой блок может находиться в компаунде, который не предназначен для работы в то же время, что и компаунд, содержащий данный блок GDEV, или дублирующее соединение специально предусмотрено для работы сложной схемы управления. К блокам дискретного вывода относятся COUT, MCOUT, GDEV, MTR, VLV, MOVLV и MDACT.

Проверка на наличие дублирующего выходного канала также выполняется при перезагрузке управляющего процессора (СР). Она не выполняется при включении или выключении компаунда.

Рисунок 2.6.8 - Контур управления отсекателем

Модуль FBM передает данные, полученные от датчика концевого выключателя, на вход блока CIN, который, обработав их, передает на вход концевого выключателя блока GDEV. Этот блок сравнивает их с требуемым положением отсекателя и выдает необходимый сигнал на свой дискретный выход COUT. AUTDSR показывает, что блок автоматически отслеживает требуемое состояние отсекателя, о чем сигнализирует индикатор DSRIND.

2.6.3 Разработка алгоритмов управления

При функционировании системы алгоритмы обрабатывают команды оператора, изменение параметров, входные параметры, поступающие от устройств ввода/вывода и выдают управляющее воздействие на исполнительные механизмы, а также сообщения оператору.

Алгоритмы по каждому исполнительному механизму составлены с учетом их подключения к устройствам ввода/вывода, подвода питания, а также функциональных задач, реализацию которых обеспечивает данный исполнительный механизм. Исполнительный механизм может находиться в автоматическом режиме или ручном/дистанционном режиме. При отработке алгоритма учитываются: возможный запрет по блокировке, время отработки каждой стадии, появление отказа.

Выдача команд управления на исполнительные механизмы производится с последующим контролем их выполнения, для чего запускается таймер на время, отведенное на выполнение команды. Если подтверждение приходит раньше установленного времени, то команда считается отработанной. Если после времени задержки подтверждение не пришло, то выдается сообщение об ошибке.

Согласно РД50-34.698-90, условия, при которых прекращается решение комплекса задач автоматизированным способом и оператору необходимо обеспечить безаварийный останов технологического процесса (возможен также перевод процесса на управление по месту), следующие:

- пропадание питания на рабочем месте оператора-технолога;

- обрыв линий связи между контроллерами и шкафами Foxboro или Trident.

Алгоритмы контроля и сигнализации.

В системе I/A Series используется модульный принцип при разработке стратегии управления. Управляющие модули являются уникальными управляющими единицами. Функциональный блок - это основной компонент управляющего модуля.

Функциональный блок представляет собой конструктивный элемент для создания алгоритмов, выполняющих мониторинг и управление технологическим процессом. Каждый функциональный блок включает в себя алгоритм и параметры, которые позволяют настраивать этот алгоритм. Алгоритмы функциональных блоков варьируются от простого преобразования входного сигнала до сложных управляющих стратегий.

Для отображения сигнализации параметра состояния на экране станции оператора используется смена цвета:

- зеленый - нормальное состояние параметра или оборудования;

- желтый - предупредительная сигнализация;

- красный - аварийная сигнализация.

Отклонения и отключения сопровождаются на мнемосхеме мигающим светом и дополнительно подачей звукового сигнала.

Система снабжена алгоритмами диагностики исправности технических средств системы и устройств, которые она обслуживает (датчики, исполнительные механизмы и т.д.).

Отображение на экране монитора контуров регулирования обеспечивает возможность контроля текущего состояния параметра, уставки и состояния исполнительного механизма, график изменения параметра во времени, возможность выбора режима работы регулятора (автоматический/ручной), изменение уставки или состояния исполнительного механизма.

Отображение на экране монитора исполнительных механизмов с дискретным управлением (краны, отсечные клапана, электрозадвижки, насосы), обеспечивает возможность контроля текущего состояния механизмы и управления этим механизмом.

Алгоритмы управления отсекателями.

Алгоритмы предназначены для управления пневмоприводом отсекателей через пилотный клапан и контроля над их состоянием (рисунки 2.6.9 - 2.6.10).

Для контроля состояния на отсекателе установлены сигнализаторы крайних положений.

Схема управления предусматривает:

- два дискретных выходных сигнала (ОТКРЫТЬ, ЗАКРЫТЬ);

- два дискретных входных сигнала (ОТКРЫТ, ЗАКРЫТ);

- команды управления оператора или алгоритмов управления.

Рисунок 2.6.9 - Алгоритм открытия отсекателя

Сигнализация «Превышено время открытия/закрытия» выдается в случае, если после времени выделенного на отработку команды состояние отсекателя не соответствует команде алгоритма.

По команде управления - выдается соответствующий дискретный выходной сигнал и запускается таймер для проверки реакции крана на команду управления, по размыканию конечных выключателей текущего состояния. После чего запускается таймер на время полного срабатывания крана.



Рисунок 2.6.10 - Алгоритм закрытия отсекателя

При появлении сигнала неисправности производится сброс таймера и вырабатывается сообщение об отказе, с последующим выходом из алгоритма, либо неисправность снимается оператором для продолжения алгоритма управления.

Алгоритмы аналогового управления.

Модули аналогового управления реализованы с учетом того обстоятельства, что технологические процессы на установке имеют сравнительно медленный характер. Поэтому в контурах аналогового управления применен закон ПИД-регулирования, реализованный по стандартной схеме с использованием функционального блока PIDХE и AO. В зависимости от вида клапана, которым управляет модуль (НО или НЗ), меняется структура модуля и его параметры. Значения настроечных коэффициентов регуляторов (коэффициент пропорциональности, постоянные времени интегрирования и дифференцирования) будут определены при наладке системы на объекте.

Выработку предупреждающих и аварийных сигналов (алармов) производят модули аналогового ввода. По данным этих модулей контроллер осуществляет выработку дискретных сигналов, по которым производится автоматическая блокировка или пуск назначенных устройств.

Алгоритмы управления электрическим приводом газодувок, насосов.

Схема управления предусматривает:

- три дискретных выходных сигнала (ПУСК, ОСТАНОВ, ЗАПРЕТ ПУСКА ПО МЕСТУ);

- дискретный входной сигнал состояния (РАБОТАЕТ);

- команды управления, выдаваемые оператором или алгоритмом управления (ПУСК, ОСТАНОВ).

Электрическая цепь, которая управляет реле включения электропривода, состоит:

- кнопки включения;

- параллельных контактов самоблокировки цепи, контактов пуска по команде оператора или контроллера и кнопки выключения;

- контактов размыкания цепи для останова электропривода по команде оператора или контроллера;

- реле включения привода.

Контакт пуска последовательно соединен с контактом запрета пуска по месту.

После выдачи управляющего сигнала, например ПУСК (рисунок 2.6.11), и замыкания контактов контроллера срабатывает реле включения привода и одновременно самоблокируется цепь управления.

По команде ОСТАНОВ (рисунок 2.6.12) вся цепь кратковременно размыкается - электропривод выключается, контакты самоблокировки размыкаются.

Алгоритм управления отрабатывается по командам оператора или автоматически.

автоматизированный система управление программный



Рисунок 2.6.11 - Алгоритм запуска

Первоначально отображается текущее состояние привода.

По команде управления ПУСК или ОСТАНОВ запускается таймер (1-2сек.) для проверки реакции на команду управления, при совпадении сигнала РАБОТАЕТ с состоянием выданной команды оператора до истечения времени отработки таймера, алгоритм заканчивается. Если же состояние входного сигнала не соответствует команде, то появляется сообщение об отказе.

В случае срабатывания алгоритмов блокировок электропривод отключается.



Рисунок 2.6.12 - Алгоритм останова

В соответствии с циклограммой реакторов, которая была описана в пункте 1.2 был разработан алгоритм управления отсекателями (рисунок 2.6.13), регулирующими подачу материальных сред в реактор №1 установок У-07,08. Данный алгоритм применим и к реакторам 2 и 3, с учетом позиций отсекателей, установленных на трубопроводах.