Автоматизация технологического процесса абсорбционной очистки природного газа

Таблица 2.2

Технические характеристики анализатора АМЕТЕК 4650

Диапазон измерения	0...1 г/л (возможны другие диапазоны)
Погрешность измерения	± 4% от диапазона
Время отклика	не более 15 сек для 90% ступенчатого изменения концентрации
Температура анализируемого потока	до 130 °С
Давление пробы	до 13,8 МПа
Подключение к точке отбора	линии отбора и сброса пробы Ѕ” с парообогревом (в комплекте с прибором)
Установка нуля	автоматическая
Аналоговые выходы	два независимых 4…20 мА
Интерфейс	RS 485
Управление устройствами	8 релейных выходов
Питание	220 В, 50 Гц Воздух КИП 400…700 к Па, 4 м3/час Вода с давлением, большим на 70…350 к Па, чем в точке возврата пробы, 60 л/час
Исполнение	1ЕхdIICT6
Наработка на отказ	100000 часов
Стоимость комплекта,USD	136700

2.1.3 Структурная схема контура автоматического регулирования

Показателем эффективности процесса десорбции является концентрация сероводорода в очищенном амине, а целью управления - поддержание определенного значения этой концентрации.

Внешние возмущения: изменение расходов раствора аминового сорбента, пара, кислой воды на орошение колонны, концентрации кислых компонентов в богатом амине, и других теплофизических параметров оказывают большое влияние на тепло- и массопередающую способность десорбера.

Десорбер является объектом с большим запаздыванием, поэтому внешние возмущения успевают существенно изменить режим всей колонны, прежде чем изменится состав целевых продуктов и в том числе концентрация H₂S в очищенном амине. Таким образом, система одноконтурного регулирования концентрации Н₂S в регенерированном амине (рисунок 2.3а), для данного технологического процесса, не применима. Управляющее воздействие на исполнительный механизм (регулирующий клапан), формируемое на основании сравнения значений измеренной анализатором (позиция QT02 1-ая полулиния, и позиция QT04 2-ая полулиния) и заданной концентрации H₂S в очищенном амине, приводит к изменению расхода пара подаваемого в рибойлер. При этом, как уже было сказано ранее, концентрация H₂S в потоке регенерированного амина - это параметр, обладающий большим запаздыванием, и до того момента пока он будет скомпенсирован, изменится режим всей колонны. К примеру, выход значения температуры в кубе колонны за пределы, установленные регламентом (более 128°С), приведет к увеличению потерь аминового сорбента и кислой воды, которые будут уноситься вместе с потоком кислого газа.

При решении проблемы построения контура автоматического регулирования концентрации Н₂S в регенерированном амине были использованы рекомендации технологов завода. Улучшение качества управления процессом достигается введением дополнительного контура и использования системы каскадно-связанного регулирования. В качестве вспомогательного параметра, обладающего малым временем запаздывания, учитывающего все внешние возмущения, воздействующие на объект регулирования и характеризующего процесс регенерации (выпаривания кислых компонентов) амина принята температура верха колонны (22 тарелка) позиция TT120 (TT121). Таким образом, окончательный вариант схемы автоматического регулирования расхода пара на десорбцию амина, представленный на рисунках 2.23б, 2.23в, обеспечивает компенсацию внешних возмущений, воздействующих на объект, и получение целевого продукта с заданной концентрацией кислых компонентов (Н₂S).

Рисунок 2.3а - Структурная схема одноконтурного регулирования концентрации Н₂S в регенерированном амине

Рисунок 2.3б - Структурная схема каскадно-связанного регулирования концентрации Н₂S в регенерированном амине



Рисунок 2.3в - Схема контура автоматического регулирования концентрации Н₂S в регенерированном амине.

2.2 Разработка структурной схемы АСУ ТП

В настоящее время автоматизация большого количества производственных процессов выполняется с использованием современных информационных технологий. На нижних уровнях автоматизации применяются интеллектуальные датчики, объединенные в промышленные информационные сети, программируемые логические контроллеры (ПЛК) на базе микропроцессорных компонентов. На верхних уровнях - вычислительные сети масштабов предприятия, автоматизированные рабочие места операторов, системы хранения технологической информации (базы данных) и другие программно-технические средства. Совокупность программно-вычислительных средств автоматизации технологического производства и их инфраструктура образует программно-технический комплекс (ПТК) технологического процесса, который реализует заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдает результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации.

Структура АСУТП 1У372 (рисунок 2.4) определена, исходя из характеристик технологического процесса установки, номенклатуры и характеристик технологического оборудования, а также выполняемых системой функций. АСУТП 1У372 является 2-х уровневой системой централизованного контроля и управления технологическими процессом абсорбционной очистки газа с функционально распределённой, территориально сосредоточенной иерархической структурой.

Верхний уровень управления АСУТП и системы ПАЗ - уровень оперативного технологического персонала - образован программно - техническими средствами (ПТС) двух автоматизированных рабочих мест (АРМ №1,2) оператора-технолога и администратора системы. Верхний уровень обеспечивает отображение информации о работе установки в удобном для оператора виде, индикацию предупредительной и аварийной сигнализации, состояния агрегатов и оборудования, ведение журналов работы системы, протоколирование действий персонала, ведение архивов технологических параметров, вывод режимных листов по запросу оператора, реализацию функций дистанционного управления технологическим процессом и оборудованием.

Реализация функций верхнего уровня АСУТП 1У372 осуществляется с автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора-технолога и администратора системы, оборудованных операторской (рабочей) станцией серии AW70 компании Foxboro (Invensys, США).

АРМ оператора-технолога и администратора системы размещается в операторной III-ей очереди газоперерабатывающего завода и объединяются в полносвязанную (mesh) локальную вычислительную сеть.

Нижний уровень управления АСУТП и системы ПАЗ включает в себя контроллер автоматизированной системы управления и контроллер системы противоаварийной защиты, модули ввода/вывода, коммуникационные модули, агрегатная автоматика, линии связи и др.

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

Контроллеры нижнего уровня котроллер АСУТП (FCP270) и контроллер ПАЗ (Trident) функционируют полностью автономно, то есть, каждый контроллер имеет свои независимые информационные каналы и каналы управления. Отказы в работе одного из контроллеров не оказывают влияния на работу другого контроллера. Контроллер ПАЗ реализует весь комплекс функций контроля и управления - сбор, обработка, анализ входной информации и формирование сигналов управления - выполняет автоматически без участия оператора - технолога и поэтому независим от рабочей станции верхнего уровня.

Выделение в составе АСУТП 1У372 подсистемы ПАЗ обусловлено необходимостью достижения высокой надежности системы защиты.

Система ПАЗ обеспечивает:

- контроль над параметрами, определяющими взрывобезопасность технологического объекта управления;

- контроль работоспособности средств ПАЗ;

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

- противоаварийное действие средств ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;

- выдачу информации о состоянии установки на верхний уровень системы.

Надежность системы ПАЗ обеспечивается аппаратным резервированием, временной и функциональной избыточностью и наличием функции самодиагностики программно-технических средств.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.4 - Структурная схема АСУ ТП 1У372

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. Аналоговый канал измерения давления, состоит:

- термопреобразователь Метран ТСПУ 276 Ех;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Термопреобразователь состоит из первичного преобразователя и измерительного преобразователя встроенного в головку первичного преобразователя. Измерительный преобразователь (ИП) преобразует сигнал, поступающий с выхода первичного преобразователя, в унифицированный токовый выходной сигнал 4-20 мА, что дает возможность построения АСУ ТП без применения дополнительных нормирующий преобразователей. В состав ИП входит компенсатор нелинейности входного сигнала и компенсатор температуры холодного спая.

Искробезопасность электрической цепи обеспечивается барьером искробезопасности и искробезопасным источником питания.

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 температуры в системе в физических единиц 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 термопреобразователя и платы ввода;

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

Система может выявлять следующие виды неисправностей:

- неисправность термопреобразователя;

- 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 Метран 49 ДИ (ДД) код МП1;

- 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 электрического сопротивления кремниевых пьезорезисторов мостовой схемы чувствительного элемента. Электронное устройство датчика преобразует это изменение электрических сопротивлений в стандартный сигнал постоянного тока. В памяти сенсорного блока хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала. Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала и передает его в цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует его в унифицированный токовый 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 Метран 49 ДД код МП1;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Канал измерения уровня

Канал измерения уровня предназначен для контроля за уровнем жидкости, уровнем поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. Аналоговый канал измерения уровня, состоит:

датчик уровня Метран 49 ДД код МП1;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Температура технологической среды от минус (-20 до + 149) ° С.

Канал измерения концентрации

Канал измерения концентрации предназначен для достоверного получения значения концентрации сероводорода Н₂S в очищенном газе и регенерированном амине.

Аналоговый канал измерения концентрации Н₂S, состоит:

- анализатор концентрации Н₂S;

- линия связи;

- плата аналогового ввода;

- функциональный программный блок.

Измерение значения концентрации Н₂S в очищенном газе осуществляется анализатором TRACOR ATLAS (модель 722). Под воздействием потока газа содержащего сероводород на поверхности ленты, пропитанной уксуснокислым свинцом, образуется коричневое пятно. Концентрация Н₂S определяется по скорости формирования пятна с помощью оптической системы и электронного блока, выдающего унифицированный токовый сигнал 4-20 мА.

Измерение значения концентрации Н₂S в регенерированном амине осуществляется спектрофотометрическим поточным анализатором АМЕТЕК модель 4650 (описание представлено в главе 2.1.2)

Диагностика канала измерения происходит:

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

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

Система может выявлять следующие виды неисправностей:

- неисправность анализатора;

- обрыв или короткое замыкание линии связи;

- неисправность платы ввода;

- недостоверность показаний.

Аналоговый выходной канал

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.

- промежуточного силового реле;

- линии связи;

- платы дискретного вывода;

- функционального программного блока

Управляющий сигнал, как правило, выдается сконфигурированным модулем в составе функционального блока управления исполнительным механизмом. Реле, обеспечивает выдачу выходного сигнала 240В перем.т. при 5А (внешний источник) с источником напряжения, подаваемым в контур.

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

Возросшая конкуренция на мировых рынках заставляет компании как можно быстрее автоматизировать свои производственные мощности и объединять их в единую систему. Системы I/A Series отвечают этим требованиям и обеспечивают возможность расширения для решения постоянно усложняющихся прикладных задач. Компания Foxboro постоянно разрабатывает новые функции для I/A Series, которая является первой в мире открытой промышленной системой.

Системы промышленной автоматики должны быть построены на основании такого решения сегодняшних задач, которое будет способно справляться с проблемами завтрашнего дня. Для систем I/A Series таким фундаментом является системная архитектура.

Эти системы не только реализуют гибкое и экономичное решение для современных задач автоматизации, но и обеспечивают архитектуру, на которой в будущем можно построить информационную и автоматизированную систему управления масштаба одного или нескольких предприятий:

· Размер системы, от небольших систем, управляющих локальным оборудованием и до крупных и мощных систем, использующих локальные и широкомасштабные вычислительные сети.

Модульный принцип объединения различного оборудования и программного обеспечения в соответствии с задачами и расположением

Система является распределенной как на функциональном уровне, так и на физическом

Надежный и удобный интерфейс пользователя, использующий графические дисплеи высокого разрешения и многооконный режим работы

Низкая общая стоимость работ по наладке, обучению персонала, эксплуатации и обслуживанию

Большой срок эксплуатации промышленных систем и сетей с открытой за счет соответствия международным стандартам оборудования, программного обеспечения и связи

Интеграция с другим оборудованием с помощью стандартных сетей связи и объектно - ориентированного телекоммуникационного программного обеспечения

Совместимость с уже эксплуатируемым оборудованием, обеспечивающая защиту уже сделанных вложений в системную интеграцию и прикладные программы

Поддержка прикладных программ третьих фирм, благодаря чему достигается практически неограниченная гибкость поддержки дополнительных функций. Система I/A Series разрабатывалась на основе международных стандартов оборудования, программного обеспечения и связи, за счет чего обеспечивается большой жизненный цикл системы. Кроме того, компания Foxboro в своей работе соблюдает такие промышленные стандарты и стандарты качества, как Factory Mutual, ISA и ISO 9001. Благодаря этому Промышленное программное обеспечение I/A Series переносимо на современные совместимые компьютерные платформы, такие как персональные компьютеры и рабочие станции. В систему I/A Series интегрированы более 100 интеллектуальных полевых устройств и по мере появления новых устройств они также могут быть включены в систему.

Соблюдение стандартов для операционных систем, языков программирования и баз данных гарантирует переносимость программного обеспечения на современные открытые платформы вычислений, а также сохранение инвестиций в ПО при переходе на новые поколения систем I/A Series.

Системы I/A Series отличают низкие расходы на установку, подготовку персонала, эксплуатацию и обслуживание. Все аппаратные модули I/A Series выполнены как усиленные конструкции, могут работать в экстремальных климатических условиях и устойчивы к механическим воздействиям и электромагнитным излучениям.

При использовании системных компонентов I/А Series размеры системы практически неограниченны. Самая маленькая система может состоять из одной персональной рабочей станции или единственного узла с несколькими модулями.

Модульное построение системы I/A Series обеспечивает ее относительно несложное включение в существующее систему. Малая система может постепенно наращиваться до уровня интегрированной системы автоматизации и информации масштаба предприятия. Это обеспечивает гибкость планирования внедрения начиная с малой системы и позволяет постепенно развивать ее по мере появления новых задач, не выходя при этом за рамки соответствующей статьи бюджета предприятия.

I/A Series представляет собой новое поколение открытых промышленных систем управления, использующих самые передовые технологии и позволяющих выйти на новый уровень решения задач автоматизации предприятий.

2.4.2 Контроллеры

При выборе моделей и количества контроллеров учитывались следующие факторы:

- число контуров управления;

- число входов/выходов аналоговых и дискретных сигналов;

- необходимость аппаратного резервирования контроллеров;

- унификация используемых модулей системы;

- возможность расширения небольшой полнофункциональной системы управления 1У372 до более крупной и мощной автоматизированной системы, позволяющей управлять всей цепочкой технологических процессов 1У370.

В АСУ ТП 1У371 в качестве программируемых логических контроллеров (ПЛК) применены контроллеры серии FCP270 компании FOXBORO (рисунок 2.5)

Рисунок 2.5 - Внешний вид FCP270

Полевой управляющий процессор FCP270 (см. таблицу 2.3) 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 2.5

Основные характеристики FCP270

Основной процессор	Встроен-ная ОС	Память процессора	Процессор ввода/вывода	Энергонеза-висимая 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 мкс;

- 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 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 2.6 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.

Для обеспечения трафика отказоустойчивых FCP270 с верхним уровнем требуется пара разветвителей/объединителей, по одному для каждого канала сети управления Mesh. Разветвитель/объединитель имеет три соединения 100Мб/сек: одно с первичным модулем отказоустойчивой пары, одно с вторичным модулем и одно с сетью Mesh. Один разветвитель/объединитель пары соединен с одним коммутатором Ethernet, другой соединен с еще одним коммутатором Ethernet. Разветвитель/объединитель подключается через волоконно-оптические кабели. Входящий трафик из сети Mesh разделяется и передается на каждый контроллер FCP270. Исходящий трафик передается от первичного модуля, которым может быть любой из двух физических модулей, в сеть Mesh.

Рисунок 2.6 - Схема соединений элементов с использованием FCP270

2.4.3 Модули Fieldbus (FBM)

Модули Fieldbus (FBM) являются компактными, высокопроизводительными модулями распределенного ввода/вывода технологических сигналов (рисунок 2.7). 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.

Рисунок 2.7 - Типичный модуль Fieldbus

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 и обрабатываются встроенными в платы ввода аналого-цифровыми преобразователями и затем, поступают на внутреннюю цифровую шину данных и в контроллер. После проведения контроллером операций контроля, регистрации и вычислений полученные, в соответствии со стратегией и алгоритмами управления, выходные сигналы передаются на платы вывода.

В соответствии со сводным перечнем сигналов ввода/вывода (таблица 2.6) и с учетом обеспечения резерва по каналам в таблице 2.7 представлены типы и количество модулей для построения АСУ ТП 1У372.

Таблица 2.6

Сводный перечень сигналов ввода/вывода АСУТП

Тип канала ввода/вывода	Требуется
Аналоговый вход 4…20мА	86
Аналоговый выход 4…20мА	24
Дискретный вход =24В	40
Дискретный выход	24

Таблица 2.7

Модули FBM АСУТП 1У372

Модули ввода / вывода, модель	Функция	Кол-во, шт	Общее количество входов	Количество используемых входов	Резерв абс./отн
FBM211	AI	7	112	86	26/ 30%
FBM237	AO	4	32	24	8 / 33%
FBM217	DI	2	64	42	22 / 52%
FBM242	DO	2	32	24	8 / 33%

FBM233 - модуль системных интеграторов полевых устройств (FDSI), позволяет интегрировать протоколы полевых устройств сторонних поставщиков в систему I/A Series. Модуль FBM233 имеет один медный разъем (RJ-45) 10/100 Мб/сек Ethernet. Протокол соответствует стандарту 802.3 IEEE (поддерживает TCP/IP). Модуль FBM233 обеспечивает двойное соединение Ethernet (рисунок 2.8) с двухпортовыми полевыми устройствами/сетями.

Для подключения нескольких устройств к FBM233 требуется использование концентратора Ethernet или коммутатора Ethernet.

Рисунок 2.8 - Модуль FBM233 в типичных сетевых конфигурациях

Физически модуль FBM233 устанавливается на базовую плату вместе с другими модулями, монтируемыми на рейку DIN представляет собой резервированную версию. Он должен иметь еще один модуль FBM233 в следующем слоте базовой платы. Для него не требуется клеммная сборка (ТА). Пара модулей обеспечивает резервирование на уровне модулей Fieldbus (FBM) (см. рисунок 2.9). В данной конфигурации, один модуль FBM233 является ведущим (Master), а другой - ведомым модулем (Tracker). Входные точки на управляющей станции обновляются от входных сигналов устройства, принимаемых в сети, подключенной к ведущему устройству. Выходные точки устройства записываются как ведущим, так и ведомым модулями. Переключение ролей выполняется автоматически при обнаружении фактических проблем.

Модуль FBM233 с использованием дополнительного драйвера позволяет интегрировать протоколы Tricon/Trident (TSAA) (Ethernet) в систему I/A Series.

автоматический управление технологический газоперерабатывающий



Рисунок 2.9 - Модуль FBM233, монтируемый на рейку DIN

2.4.4 Модульные базовые платы

Модульные базовые платы серии P0926 (рисунок 2.10), 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.

а б

Рисунок 2.10 - Модульные базовые платы: (слева - монтируемые на вертикальную рейку DIN, справа - на горизонтальную)



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.

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 АСУ ТП 1У372, в соответствии с таблицей 2.7, необходимо смонтировать две платы P0926JM на 8 позиций и одну плату P0926HZ на 4 позиции для FCP270 и системных интеграторов FBM233.

2.4.5 Сеть управления MESH

Сеть управления Mesh 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 2.11 - Линейная топология сети Mesh

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

- линейная топология, выбранная для построения сети управления АСУ ТП 1У372 (рисунок 2.11);

- 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 двумя факультативными 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.

Для построения масштабируемой автоматизированной системы управления технологическими процессами 1У372 и обеспечения интеграции с информационными промышленными системами выбран 16-портовый управляемый коммутатор P0972WG

Рисунок 2.12 - 16-портовый коммутатор P0972WG

Управляемый коммутатор (P0972WG) обеспечивает восемь портов 100Base-FX MMF, восемь портов RJ-45 10/100 Мб/сек и два факультативных волоконно-оптических 1 Гб канала выгрузки данных. Порты выгрузки данных совместимы с интерфейсами волоконно-оптических портов 1000Base и портов типа витая пара 1000Base, в зависимости от выбранных факультативных съемных модулей. Восемь волоконно-оптических портов 100Base-FX имеют разъемы MT-RJ c максимальным рабочим расстоянием 2 км при работе в дуплексном режиме. Восемь портов типа витая пара 10/100Base-TX имеют разъемы RJ-45 с максимальным рабочим расстоянием 100 м. Быстродействующая коммутация всех портов и ведущие в отрасли характеристики позволяют интегрировать данный коммутатор в небольшие сети, а также позволяют использовать его в качестве идеального краевого коммутатора в больших сетях управления.

Соответствие стандартам IEEE 802.1w и 802.3 обеспечивает совместимость с другими стандартными сетевыми продуктами. Технология зеркального отражения порта позволяет переадресовать локальный сетевой трафик на внешний зонд для подробного анализа.

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

2.4.6 Система ПАЗ Trident

Тrident - это новейшая отказоустойчивая система управления, основанная на архитектуре с тройным модульным резервированием (Тriр1е-Моdu1аг Redundant, ТМR). ТМR использует три изолированные параллельные системы управления и экстенсивную диагностику, объединенные в единую систему. Система, использует принцип мажоритарной выборки “два - из трех”, чтобы обеспечить высокую надежность, безошибочность и беcперебойное функционирование. Контроллер Trident использует три идентичных канала. Каждый канал независимо обрабатывает сигналы, в параллель с двумя другими. Специальные схемы и программное обеспечение мажоритарной выборки квалифицирует и проверяет все входные и выходные сигналы, поступающие с объекта управления. Аналоговые входные сигналы селектируются по принципу выбора среднего значения. Поскольку каналы изолированы друг от друга, никакая неисправность в любом из каналов не может повлиять на другие каналы. Если в одном из каналов появляется неисправность, другие каналы заменяют его. Таким образом, неисправный модуль можно легко заменить, не отключая контроллер и не останавливая технологический процесс. Установка и подключение системы Trident облегчается тем, что хотя в ней и используется тройное резервирование, с точки зрения пользователя она действует как единая система управления.

Особенности контроллера Trident, обеспечивающие высочайшую надежность системы:

* Способность работать в тяжелых условиях окружающей среды, существующих на промышленных предприятиях.

* Поддерживает до 14 модулей ввода/вывода.

* Модули ввода/вывода с горячим резервированием.

* Возможность установки и замены модулей на работающем контроллере, без прерывания процесса управления и нарушения подключений полевых кабелей.

Система Тrident содержит три главных процессора для управления тремя каналами системы. Каждый процессор контролирует отдельный канал и работает в параллель с двумя другими процессорами. Специальный коммуникационный процессор (IOP) в каждом главном процессоре управляет обменом данными между главным процессором и модулями ввода/вывода. Тройная шина ввода/вывода, находящаяся на монтажных платах переходит с одной линейки модулей ввода/вывода на другую через кабели шины ввода/вывода. IOP процессор, управляющий вводом/выводом, опрашивает входные модули и передает новые входные данные в главные процессоры. Главные процессоры организуют входные данные в виде таблиц, которые хранятся в памяти для использования в процедуре мажоритарной выборки. Индивидуальная таблица входных данных каждого главного процессора передается соседнему главному процессору через шину TriBus. После этого производится мажоритарная выборка. TriBus использует программируемое устройство с прямым доступом к памяти для синхронизации, передачи и сравнения данных трех главных процессоров.

Рисунок 2.14 - Упрощенная архитектура системы Trident



Модуль главного процессора модели 3101

Система Trident с минимальной конфигурацией содержит одну монтажную плату МР(2101), на которой находится три главных процессора (МР). Каждый модуль МР действует как один канал системы Trident. Модуль МР состоит из процессоров, которые выполняют следующие встроенные программы:

* Прикладной процессор и системная управляющая программа (SX).

* Процессор ввода/вывода и управляющая программа ввода/вывода (IOX).

Технические характеристики модуля главного процессора

Прикладной процессор:

- Процессор SX - Motorola MPC860, 32-разрядный, 50 МГц.

- Флэш-память PROM (Программируемое ПЗУ) - 6 МБ, используется для хранения SX, IOX и прикладной программы управления.

- DRAM (Динамическое ОЗУ) - 16МБ, используется для управляющей

программы SX и данных последовательности событий (SOE).

- NVRAM (Энергонезависимое ОЗУ) - 8КБ, используется для сохраняемых переменных.

- Батарея Ѕ АА литиевая, расчетный срок службы - 15 лет.

Процессор ввода/вывода:

- Процессор IOX - Motorola MPC860, 32-разрядный, 50 МГц.

- DRAM (Динамическое ОЗУ) - 16МБ, используется для управляющей программы IOX.

- Совместно используемая память - 128КБ, используется для осуществления связи с SX.

Шина TriBus, находится на монтажной плате главного процессора и состоит из трех независимых последовательных линий со скоростью передачи данных 25 мегабит в секунду. Главные процессоры синхронизируются в начале каждого цикла опроса, затем каждый процессор пересылает свои данные соседним процессорам. После этого TriBus выполняет следующие действия:

- передает входные данные, диагностическую информацию и коммуникационные данные;

- сравнивает данные и выявляет несоотвествия между выходными данными и данными предыдущего цикла опроса, хранящимися в оперативной памяти программы управления.

Важной особенностью архитектуры системы Trident является использование одного и того же передатчика для передачи данных предыдущему и последующему главному процессорам. Это гарантирует, что процессоры получат одни и те же данные. Каждая линейка модулей должна иметь отдельное подключение к источнику питания. Подключение полевых сигналов к каждой монтажной плате осуществляется индивидуально.

Передача полевых сигналов к или от каждого из входных модулей осуществляется через соответствующее терминальное устройство на монтажной плате. Два слота для модулей ввода/вывода на монтажной плате связаны как один логический слот. В любом из двух слотов может стоять активный или резервный модуль ввода/вывода.