Автоматизация теплоэнергетических объектов на базе серийных контроллеров

Автоматизированная система управления технологическими процессами многогорелочного парового или водогрейного котлоагрегата представляет собой программно-технический комплекс (ПТК, далее «комплекс»), спроектированный на базе контроллеров серии КОНТРАСТ. Комплекс включает в себя одну (или несколько) компьютерную рабочую станцию с установленной на ней системой программирования контроллеров LEONA и SCADA - системой одного из типов: КАСКАД [1], TRACE MODE, КРУГ-2000 (или какого-либо другого). Этот комплекс относится к разряду автоматизированных систем управления, так как предусматривает работу технических средств под контролем и при участии оперативного персонала. Структура комплекса двухуровневая.

Верхний уровень управления обеспечивает взаимодействие операторов-технологов и инженерного персонала с технологическим оборудованием. В состав этого уровня в общем случае входят автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора котла, старшего оператора, инженера АСУ ТП, а также сервер АСУ ТПЮ, который может совмещать функции сервера технологических архивов и WEB-сервера. Дополнительно предусмотрена возможность организации клиентских рабочих станций главного инженера, инженера производственно-технического отдела и других руководителей путем расширения сети Ethernet, объединяющей все компьютеры верхнего уровня управления котлоагрегатом.

Нижний уровень управления обеспечивает ввод информации от объекта и формирование управляющих воздействий. Этот уровень выполнен на базе контроллеров КР-З00ИШ, объединенных в локальную сеть МАГИСТР. При этом аппаратура управления для двух- и трехгорелочных котлов ДКВР-10, КВГМ-50, ДКВР-20, КВГМ-100 размещается в типовом шкафу управления, для котлоагрегатов большой мощности с шестью горелками и более - на щите управления и в местных шкафах управления горелками, объединенных цифровым каналом связи.

По функциональным признакам комплекс делится на отдельные подсистемы, выполняющие определенный круг задач под управлением SCADA-системы и технологических программ контроллеров. К ним относятся следующие подсистемы:

- измерения и контроля;

- технологических защит;

- автоматического розжига;

- автоматического регулирования.

При построении каждой подсистемы с успехом используются технические особенности контроллеров серии КОНТРАСТ, а именно:

- блочно-модульная конструкция;

- возможность ввода/ вывода всех видов сигналов, применяемых в АСУ ТП;

- быстродействующие цифровые каналы контроллерной сети МАГИСТР.

Подсистема измерения и контроля предназначена для представления оператору информации о технологическом процессе в виде значений технологических параметров и сигналов состояния оборудования. Контроллерная база такой подсистемы характеризуется большим количеством аналоговых измерительных каналов и дискретных информационных сигналов.

Оптимальность по структуре и стоимости рассматриваемой подсистемы, выполненной на базе контроллеров КР-300ИШ, достигнута благодаря следующим техническим решениям:

- возможности ввода в контроллер большого количества входных сигналов через модули УСО с увеличенным количеством каналов, в том числе через модули непосредственного подключения термопар (ТП) и термометров сопротивления (ТС);

- возможности расширения комплекса путем подключения к портам с интерфейсом RS-485 удаленных блоков и модулей УСО по пяти каналам полевых сетей, причем каждый канал программируется в соответствии с протоколом, поддерживаемым подключаемыми устройствами (Modbus, БУСО-1, Adam-400, I-7000 и др.);

- наличию в составе комплекса блока расширения БУСО-1, являющегося, по сути, удаленным УСО с четырьмя модулями из комплекта КР-300ИШ в любом наборе, а также метрологически аттестованных измерительных каналов и методики их поверки.

Подсистема технологических защит, в соответствии со своим назначением, является полностью автоматической. Она должна удовлетворять повышенным требованиям надежности, живучести и ремонтопригодности, а также специальным требованиям.

Повышение надежности связи контроллеров с верхним уровнем управления обеспечивается резервированием канала связи. В дополнение к основному каналу связи RS-232/ RS-485, имеется быстродействующий (до 1,9 Мбит/с) шлюзовой канал RS-485, который может быть подключен к компьютеру АРМ оператора. Когда в составе верхнего уровня управления предусмотрена отдельная инженерная станция, дополнительный шлюзовой канал можно использовать для связи с ней, при этом бесконфликтный обмен по обоим шлюзовым каналам обеспечивается на программном уровне.

Программирование контроллеров серии КОНТРАСТ может выполняться на языке функциональных алгоблоков ФАБЛ или на языке ПРОТЕКСТ (класса «структурированный текст»). В первом случае, в составе библиотеки языка имеются типовые многоканальные алгоритмы:

- технологических защит ТЗЩ;

- управления световым сигнальным табло ТСС;

- указателя первопричины срабатывания защиты УПЗ.

Конфигурирование этих алгоритмов с алгоритмами ввода аналоговых и дискретных сигналов и алгоритмами вывода дискретных сигналов позволяет создать простую и быстродействующую программу контроллера защит. Возможности языка ФАБЛ допускают разработку достаточно сложных технологических программ (до 999 алгоблоков), однако следует учитывать, что время цикла их выполнения для контроллера защит не должно превышать 0,1 с. Поэтому при создании сложных программ контроллеров защит предлагается применять язык ПРОТЕКСТ, как более гибкий для технологических программ с малым временем исполнения. Тем не менее, при разработке технологической программы контроллера могут использоваться оба алгоритмических языка, причем, обеспечивается взаимодействие фрагментов, написанных на каждом из них.

Важной функцией подсистемы технологических защит является регистрация аварийных ситуаций. Задачи регистрации и архивации процессов до последнего времени решались на верхнем уровне управления, однако в комплексах, построенных на базе контроллеров КР-300И, имеется возможность вести независимую регистрацию группы аналоговых и дискретных переменных с периодом от 10 мс (минимальное время цикла) и при возникновении аварийного события занести в энергонезависимую память контроллера значения этих переменных в заданном интервале времени до и после аварии. Данная задача решается алгоритмом ААС (архив аварийной ситуации), имеющим объем буфера памяти 64 кбайт и следующие настроечные параметры:

- количество регистрируемых параметров m (1…30);

- период регистрации до аварии Т д. авр (кратный времени цикла контроллера);

- период регистрации после аварии Т п. авр (кратный времени цикла контроллера);

- время регистрации после аварии t п. авр.

Для иллюстрации возможностей этого алгоритма можно предложить следующий пример. При количестве m =16 и периоде Т д. авр = Т п. авр = 0,1 с в архиве сохранится 1000 записей с общим временем регистрации 100 с, т.е. при назначенном интервале послеаварийной регистрации Т п. авр = 40 с время регистрации предаварийной ситуации составит 60 с. Расширение возможностей регистрации и архивации в контроллере осуществляется применением других 10 алгоритмов этой группы, использующих энергонезависимую память флэш-диска общим объемом 4 Мбайт.

Параметры аварийной ситуации могут быть считаны из контроллера и проанализированы с помощью инженерной рабочей станции даже в тех случаях, когда возникший в результате аварии перерыв питания вызвал перезапуск процессоров и в компьютерах верхнего уровня управления появился перерыв регистрации. Так как перезапуск контроллера практически не сказывается на выполнении технологической программы (в том числе и регистрации), необходимые для расшифровки данные не будут потеряны. Для облегчения расшифровки архивов контроллеров КР-300И специалистами фирмы «Волмаг» разработана и поставляется программа CrtViewArchive с графическим представлением параметров.

Электрическое питание контроллеров постоянным напряжением 24 В в системе технологических защит осуществляется от блока бесперебойного питания ББП-24 производства фирмы «Волмаг». Его отличительными особенностями являются отсутствие коммутаций при переключении на резервное питание от встроенных аккумуляторных батарей, а также наличие встроенной аппаратуры диагностики состояния с выдачей сигналов о:

- переключении на резервное питание;

- неисправности устройства подзаряда;

- разряде аккумуляторных батарей.

Выходная мощность блока ББП-24 составляет 110 Вт, время непрерывной работы от резервного источника питания при максимальной мощности – 40 мин., ресурс службы аккумуляторных батарей – 6 лет.

Таким образом, применение контроллеров КР-300И в подсистемах технологических защит обусловлено их соответствием требованиям, наличием разрешения ГГТН Российской Федерации на их применение на подконтрольных объектах и сертификата Госстандарта об утверждении типа средства измерения, а также описанными выше техническими решениями.

Подсистема автоматического розжига для многогорелочных котлоагрегатов большой мощности (например, энергетических котлов ТГМ-84Б, ТГМЕ-456, БКЗ-210-140-11, водогрейных котлов ПТВМ-100, КВГМ-180) включает в себя элементы как функционально-группового управления, так и технологических защит. Ее выделение в отдельную подсистему обусловлено тем обстоятельством, что в большинстве случаев она внедряется при реконструкции действующих систем управления котлоагрегатами для выполнения требований безопасности [4]. Пример такой реконструкции – подсистема автоматического розжига котлоагрегата ТП-230-2 ТЭЦ-17 ОАО «Мосэнерго», выполненная специалистами ЗАО «Волмаг» в сотрудничестве с ОАО «ЦКБ Энергоремонт» (Москва) в 2004 г.

Распределенная структура этой подсистемы содержит автономные устройства управления газовым блоком (контроллеры газового блока – КГБ) для каждой из горелок, объединенные в локальную сеть, и общий резервированный управляющий контроллер, который обеспечивает сбор и передачу на верхний уровень управления информации с каждой горелки, а также управление общекотловыми процессами: вентиляцией, автоматическим уравниванием мощности горелок, координацией пусков и остановов горелок и др. Автономный контроллер газового блока реализует программу управления газовыми блоками (БГ) производства фирмы АМАКС в соответствии с техническими условиями. Поскольку этот контроллер имеет степень защиты корпуса IP54 и небольшие габаритные размеры (600*360*800 мм), он размещается в непосредственной близости от горелки, получает по цифровому каналу связи обобщенные команды управления горелкой и в соответствии с запрограммированным при изготовлении алгоритмом выполняет следующие задачи:

- опрессовку газового блока;

- розжиг горелки;

- вывод горелки на минимальную тепловую мощность;

- управление тепловой мощностью горелки от минимальной до номинальной;

- штатный и аварийный (при недопустимом отклонении контролируемых параметров) остановки горелки, выполнение операций контроля закрытия отсечных клапанов, послеостановочного тестирования плотности их закрытия и выполнение требуемых операций вывода горелки из работы;

- выполнение нормативных защит и блокировок при осуществлении перечисленных функций управления горелкой в любых режимах;

- регистрацию и архивацию в энергонезависимой памяти предаварийных и аварийных параметров и состояний для последующей передачи на верхний уровень;

- связь и обмен данными между устройствами по локальной контроллерной сети МАГИСТР;

- связь по локальной сети с верхним уровнем, от него обобщенных команд управления горелками и передачу на верхний уровень по запросам последнего значений параметров и состояний горелки и контроллера.

В КГБ реализована возможность ручного управления газовым блоком с выполнением нормативных блокировок в процессе розжига горелки. Этот наладочный режим обеспечивается подключением к контроллеру пульта управления.

Очевидным преимуществом распределенной структуры с автономными контроллерами, размещенными в районе горелок, по сравнению с централизованной, является экономия кабелей и пространства щитового помещения. Другим ее достоинством является более высокая живучесть, так как отказ и аварийное отключение системы управления одной горелкой не приводят к необходимости останова всего котлоагрегата. Указанные обстоятельства позволяют рекомендовать распределенную структуру подсистемы автоматического розжига как для построения полномасштабной АСУ ТП, так и для реконструкции газового оборудования многогорелочных котлоагрегатов.

Применение контроллера КР-300И, способного поддерживать до 32 контуров регулирования, позволяет выполнить подсистему регулирования котлоагрегата на основе одного контроллера. Такая подсистема даже при условии резервирования процессора контроллера и части наиболее ответственных каналов УСО оказывается более дешевой по сравнению с подсистемой с малоканальными контроллерами. Устройство самодиагностики контроллера определяет исправность цепей ввода аналоговых и дискретных сигналов, а также дискретных выходов управления исполнительными механизмами. Когда для управления исполнительными механизмами применяются микропроцессорные блоки БУЭР1-30-02 и БУЭР3-30-02, связанные с контроллером по одиночному или резервированному каналу полевой сети, самодиагностика охватывает и исполнительные механизмы.

Таким образом, ПТК, разработанный на базе контроллеров серии КОНТРАСТ, предоставляет возможность создания полномасштабной АСУ ТП котлоагрегата с использованием современных технических решений, прошедших апробацию на объектах отечественной тепловой электроэнергетики.

Контроллеры серии КОНТРАСТ показали свою эффективность также при автоматизации котлоагрегатов средней мощности. Первая двухуровневая система автоматизации котельной с контроллерами РК-131/300 была внедрена в сотрудничестве со специалистами предприятия «Витекс» на Сталепрокатном заводе (г. Череповец) в 1997г. Верхний уровень управления выполнен на базе SCADA-системы Complex, при этом обеспечиваются регулирование параметров и технологические защиты трех котлов ДЕ-25 и вспомогательного оборудования. В дальнейшем работниками предприятия «Волмаг» был освоен выпуск комплектных шкафов управления для паровых (ДЕ паропроизводительностью 4…25 т/ч пара) и водогрейных (КВГМ производительностью 4,6…МВт) котлов, и на их основе выполнен ряд проектов одноуровневых (без компьютерной станции оператора) и двухуровневых систем управления котельными. В настоящее время предприятие «Волмаг» поставляет ПТК с контроллерами КР-300ИШ вместе с датчиками и исполнительными устройствами, устанавливаемыми на котле по месту. Эти ПТК обеспечивают:

- автоматический или дистанционный пуск и остановка котла при его работе на газе или мазуте;

- аварийную защиту и защитные блокировки в соответствии с требованиями действующих нормативных документов по взрывобезопасности при использовании мазута и природного газа;

- автоматическая остановка котла в аварийных ситуациях;

- запоминание первопричины срабатывания аварийной защиты и блокировку пуска котла в аварийных ситуациях;

- автоматическое регулирование разрежения в топке котла, температуры воды на выходе из него (водогрейный котел), давления пара в барабане (паровой котел), соотношения топливо – воздух и уровня воды в барабане (паровой котел);

- рабочую световую сигнализацию о состояниях исполнительных устройств котла, предупредительную и аварийную светозвуковую сигнализацию;

- оперативный контроль, регистрацию, архивацию и вывод на печать значений основных технологических параметров котла в объеме, предусмотренном нормативными документами.

Контроллер шкафа управления вспомогательным оборудованием обеспечивает управление насосами, задвижками, деаэратором и другими общекотельными устройствами, выполняя при этом функции регулирования, аварийных защит и блокировок, сигнализации, регистрации и архивации технологических параметров и действий оператора.

Верхний уровень управления (АРМ оператора) выполнен на базе SCADA-системы КАСКАД, которая сертифицирована Госстандартом для работы с контроллерами серии КР-300И в составе комплекса КОНТРАСТ-2002К. По выбору заказчика могут применяться SCADA-системы TRACE MODE, КРУГ-2000 (или другие типы), имеющие аналогичные сертификаты. Алгоритм управления ориентирован на применение газового блока производства ЗАО АМАКС или другой запорной арматуры, собранной по схеме БГ.

Эффективность внедрения АСУ ТП котельной проявляется, прежде всего, в повышении безопасности ее работы благодаря выполнению нормативных требований по экономии топлива путем оптимизации режимов горения, регистрации расхода топлива и теплоносителя, а также в сокращении эксплуатационных расходов.

Оценивая затраты на создание АСУ ТП при строительстве или реконструкции котельных, необходимо принимать во внимание весь комплекс работ: от проектирования до наладки и сдачи системы в эксплуатацию. Здесь возможны два подхода к сокращению затрат. Некоторые заказчики стремятся выполнить большую часть работ своими силами, закупая только необходимое оборудование и программные продукты. Достигнутый уровень надежности контроллерной техники, доступность средств ее программирования, набор универсальных функций позволяют создать работоспособную систему без применения объектно-ориентированных устройств: специализированных пультов оператора, органов дистанционного и местного управления, блоков резервной защиты и т.п. Таким образом, выполнен ряд успешно функционирующих систем управления котельными на базе контроллеров КОНТРАСТ. Однако сокращение внешних затрат оборачивается для заказчика увеличением сроков проектирования, комплектования, монтажа и наладки оборудования, времени разработки и наладки управляющих программ. Другой подход состоит в использовании предлагаемого варианта АСУ ТП котельной на основе типового шкафа управления КШУ-ДЕ-КВГМ, который предполагает оптимизацию затрат и сроков реализации проекта путем поставки серийного (а потому недорогого) комплектного устройства высокой степени готовности, запрограммированного и протестированного предприятием-изготовителем, с предоставлением схемы подключения шкафа и услуг по привязке оборудования и программных продуктов к требованиям конкретного проекта. Шкаф КШУ-ДЕ-КВГМ обеспечивает автоматическое или дистанционное управление водогрейными и паровыми котлами, работающими на газе или мазуте. Дистанционный режим управления используется для опробования действий исполнительных устройств котла при пусконаладочных работах. Указанный шкаф может применяться также и для автоматизации одногорелочных паровых и водогрейных котлов других типов (или модернизированных). Шкаф КШУ-ДЕ-КВГМ имеет габаритные размеры 800*400*1600мм, его блок бесперебойного питания – 800*600*2000мм. На передней панели шкафа установлены блок управления и индикации, кнопки контроля и отключения световой и звуковой сигнализации, кнопки ПУСК и СТОП и единичные индикаторы, информирующие о виде топлива (газ или мазут), режиме работы (автоматический или ручной), наличии пламени запальника и факела горелки и т.д. Благодаря перечисленным элементам управления и сигнализации, обеспечена возможность работы в автономном режиме, без команд верхнего уровня управления. В шкафу КШУ-ДЕ-КВГМ предусмотрено:

- задание режима управления;

- выбор вида топлива;

- оперативный контроль исправности каналов защиты перед пуском и во время работы котла;

- оперативный контроль исправности устройства световой и звуковой сигнализации;

- автоматический контроль исправности блока контроллера БК-ИШ защиты и управления;

- снятие блокировки последовательности управления исполнительными устройствами котла в ручном режиме работы;

- возможность отключения звуковой и аварийной световой сигнализации.

Жидкокристаллический экран блока управления и индикации позволяет выводить четыре строки со следующими информационными сообщениями:

- первопричина аварийной остановки котла;

- причина предупредительной сигнализации и невыполнения команд пуска и останова котла;

- технологические этапы пуска и остановки котла;

- значения технологических параметров котла в технических единицах по вызову, распределенных по группам (в группе четыре параметра);

- прохождение последовательных интервалов времени алгоритма управления (технологической программы) по вызову оператора или наладчика;

- параметры каждого регулятора по вызову, в том числе значения регулируемого параметра и задания в технических единицах, положение регулирующего органа в процентах, направление работы регулятора в режиме «Авт.» или направление действия кнопок «Больше» и «Меньше» в режиме «Ручн.», режим работы регулятора.

Кнопки блока управления и индикации обеспечивают выполнение следующих функций:

- задание режима работы каждого регулятора;

- управление регулирующим органом каждого регулятора;

- изменение характеристики задания регулятора;

- вызов любой группы технологических параметров на экран блока;

- вызов параметров регуляторов и последовательных интервалов программ пуска и останова на экран блока.

При работе шкафа КШУ-ДЕ-КВГМ в режиме ручного управления команды подаются оператором с помощью блока дистанционного управления. При этом контроллер обеспечивает работу устройств необходимых защит и блокировок.

Технологическая программа контроллера для типовой системы автоматизации содержится изготовителем в составе шкафа КШУ-ДЕ-КВГМ. При необходимости в комплекте со шкафом поставляется фирменная система программирования контроллеров ИСТОК (DOS) или LEONA (WINDOWS 9X / NT / 2000/ XP), которая дает возможность пользователю создавать и модифицировать технологические программы с помощью персонального компьютера. Наличие компьютера на АРМ оператора позволяет осуществлять распечатку регистрируемых контроллером технологических параметров в графической или табличной форме и, таким образом, исключить из состава оборудования электромеханические регистрирующие приборы.

Шкаф управления вспомогательным оборудованием конструктивно унифицирован с КШУ-ДЕ-КВГМ и выполнен на базе контроллеров КР-300И.

Для двух- и трехгорелочных котлов ДКВР-10, КВГМ-50, ДКВР-20, КВГМ-100 поставляется модификация типового шкафа, выполняющего все функции управления, регулирования и технологических защит.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смирнов А.А. Справочное пособие по ремонту приборов и регуляторов. – М.: «Энергоатомиздат», 1989-83. 7 с.

2. Щукин В.К., Халатов А.А., Летягин В.Г. Некоторые особенности гидродинамики частично закрученных потоков в коротких трубах. // Теплофизика высоких температур. – 1975. - № 3. – С. 555-560.