РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИМ АГРЕГАТОМ

Распределенная система относится к области автоматического управления газоперекачивающих агрегатов, используемых для добычи и транспортировки природного газа в газовой и нефтяной промышленности.
Известна система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом (патент на полезную модель № RU 72515 F04D 25/02, 2007 г.), состоящая из контроллера управления, пульта управления, резервного пульта управления, линий связи, нескольких контроллеров ввода-вывода, каждый из которых содержит модуль связи и произвольный набор модулей ввода вывода, при этом контроллеры ввода-вывода, соединенные с контроллером управления высокоскоростной линией связи, образуют распределенную систему сбора информации и вывода управляющих команд.
Недостатком данной системы является то, что контроллеры ввода-вывода содержат только модуль связи и набор модулей ввода-вывода и не могут выполнять локальные задачи управления технологическими узлами газоперекачивающего агрегата. Также указанная система обладает сравнительно низкой надежностью, т.к. содержит узкое место в виде контроллера управления, при выходе из строя которого система становится полностью неработоспособной.
Известна система автоматического управления газоперекачивающими агрегатами «Неман» (описание на веб-сайте ООО «Калининградгазприборавтоматика», http://www.kgpa.ru/prod/saugpa/), предназначенная для выполнения функций автоматического управления, регулирования, контроля и защиты, обеспечивающих безаварийную длительную работу газоперекачивающего агрегата и выполненная на базе ИВКУ «Неман» на современных ПТС в том числе с применением контролеров в формате CompactPCI и МicrоРС.
Недостатком данной системы является то, что она исполняется в виде щитов автоматики или аппаратного блок-бокса, и в ней отсутствуют устройства связи с объектом, которые можно устанавливать на конструкцию технологических узлов газоперекачивающего агрегата.
Известна система автоматического управления газоперекачивающими агрегатами «Квант-NN» (описание на веб-сайте ООО «Вега-ГАЗ», http://www.vega-gaz.ru/files/uploads/files/Katalog_Vega_GAZ_2009.pdf), предназначенная для автоматического управления газоперекачивающими агрегатами компрессорных станций магистральных газопроводов, включая контроль технологических параметров и состояния исполнительных механизмов ГПА, а также регулирование и защиту на всех режимах работы, выполненная на базе современных высоконадежных программируемых логических контроллеров GE FANUC и промышленных рабочих станций.
Данная система по своему исполнению и техническим решениям идентична ранее упомянутой САУ ГПА «Неман» и обладает теми же недостатками.
Технический результат, полученный при осуществлении (изготовлении) или использовании средств, воплощающих заявляемое решение, выражается в обеспечении максимальной заводской готовности ГПА и качественном снижении интенсивности отказов.
Это достигается тем, что в распределенной системе управления газоперекачивающим агрегатом (ГПА), включающей агрегатные интеллектуальные станции (АИС), панель резервного управления (ПРУ), устройство распределения электропитания (УРЭП), блок экстренного останова (БЭО), блок защиты агрегата (БЗА), блок связи (БС), агрегатные интеллектуальные станции установлены непосредственно на конструктивные элементы технологических узлов газоперекачивающего агрегата, при этом они содержат контроллеры, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, оборудование для связи с другими устройствами системы по цифровым оптическим, проводным или беспроводным линиям, размещенные в универсальных электротехнических шкафах, при расположении технологических узлов ГПА во взрывоопасных зонах АИС выполняют в виде взрывозащищенного корпуса с защитой вида Exd, такой корпус изготовлен из коррозионностойкого модифицированного алюминиево-кремниевого сплава, устойчивого к солевому туману и другим химическим веществам, в том числе к парам сероводорода и соляной кислоты, крышка корпуса фиксируется в закрытом положении с помощью винтов, корпус рассчитан на применение при температурах от -60°С до +55°С; для проведения работ по калибровке или подключению дополнительных каналов без вскрытия взрывозащищенного корпуса АИС дополнительно оснащают промежуточной клеммной коробкой с защитой вида Ехе, в которой расположены клеммы для подключения внешних кабелей, при такой компоновке АИС вскрытие корпуса Exd при эксплуатации системы необходимо только в случае замены вышедшего из строя оборудования; для обеспечения бесперебойной работы ГПА при единичном отказе любой АИС без снижения надежности функционирования аварийных защит и с сохранением основных технологических функций (работа на режимах «Кольцо, «Магистраль» и т.п.) технологические узлы ГПА, имеющие аварийные параметры и исполнительные механизмы, критичные для работы ГПА в установившихся режимах, оснащают не менее чем двумя АИС, резервирующими функции друг друга.
На фиг.1 показана структурная схема системы.
На фиг.2 показана схема размещения оборудования внутри АИС.
На фиг.3, 4 показаны примеры размещения агрегатных интеллектуальных станций на технологических узлах ГПА.
На структурной схеме системы приняты следующие обозначения:
1 - блок связи;
2 - панель резервного управления;
3 - устройство распределения электропитания;
4 - блок экстренного останова;
5 - блок защиты агрегата;
6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - агрегатные интеллектуальные станции.
Блок связи 1 содержит оборудование для организации локальной информационно-управляющей сети, которая связывает между собой все устройства системы и содержит каналы для связи с пультом управления и/или АСУТП верхнего уровня.
Панель резервного управления 2 служит для управления ГПА в случае отказа пульта управления или канала связи с пультом управления или АСУТП верхнего уровня, а также для местного управления ГПА.
Устройство распределения электропитания 3 обеспечивает необходимым электропитанием все устройства системы.
Блок экстренного останова 4 контролирует работу системы и в случае определения неисправности системы выдает команду экстренного останова, поступающую на исполнительные механизмы, участвующие в экстренном останове.
Блок защиты агрегата 5 принимает частоты вращения роторов двигателя и компрессора ГПА, температуру продуктов сгорания двигателя и при превышении одним из параметров значения аварийной уставки выдает команду аварийного останова.
Агрегатные интеллектуальные станции 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. осуществляют ввод и вывод аналоговых и дискретных сигналов, реализуют локальные задачи управления исполнительными механизмами, которые подключены непосредственно к ним, и осуществляют информационно-алгоритмическое взаимодействие с другими устройствами системы по цифровым линиям связи.
На фиг.2 показана схема размещения оборудования внутри АИС. Пространство внутри устройства разделено на четыре зоны:
А - Зона аналогового ввода-вывода.
В - Зона дискретного ввода-вывода.
С - Зона управления силовыми ИМ.
D - Зона вспомогательного оборудования.
В зоне аналогового ввода-вывода А располагаются модули аналогового ввода-вывода. Количество модулей может изменяться от одного до шести, всего применяется до четырех типов модулей:
- 8-миканальный модуль ввода сигналов тока или напряжения;
- 8-миканальный модуль ввода сигналов термосопротивлений;
- 8-миканальный модуль ввода сигналов термопар;
- 2-хканальный модуль вывода сигналов тока или напряжения.
Модули устанавливаются в линейку и подключаются к головному модулю А, в качестве которого используется программируемый логический контроллер с интегрированными средствами подключения к цифровым линиям связи.
Зона дискретного ввода-вывода В содержит модули дискретного ввода-вывода в количестве от одного до 12-ти, всего применяется до семи типов модулей:
- 1-канальный модуль частотного ввода;
- 4-хканальный модуль ввода напряжения до =24 В;
- 2-хканальный модуль ввода напряжения до ~230 В;
- 2-хканальный модуль вывода ШИМ-сигналов;
- 4-хканальный модуль вывода напряжения до =24 В с силой тока до 2А;
- 2-хканальный модуль вывода напряжения до =120 В с силой тока до 5А;
- 2-хканальный модуль вывода напряжения до ~230 В с силой тока до 5А.
В качестве головного модуля В используется модуль сопряжения с цифровыми линиями связи.
Зона управления силовыми ИМ С содержит реле, контакторы и пускатели для управления ИМ мощностью от 1 до 10 кВт, возможно подключение до 4-х таких ИМ.
Зона вспомогательного оборудования D содержит барьеры искрозащиты, клеммы для необходимой обвязки модулей ввода-вывода и любое другое необходимое вспомогательное оборудование.
Всего каждая агрегатная интеллектуальная станция (АИС) может принять следующее количество сигналов:
- до 64-х входных аналоговых сигналов;
- до 16-ти выходных аналоговых сигналов;
- до 128-ми входных дискретных сигналов;
- до 64-х выходных дискретных сигналов.
Для управления газоперекачивающим агрегатом (ГПА) требуется от 10-ти до 20-ти АИС.
На фиг.3 показан пример размещения 6-ти агрегатных интеллектуальных станций на раме газотурбинной установки (6, 7, 8, 9, 10) и шумотеплоизолирующем кожухе (11). Монтаж АИС на раме газотурбинной установки (ГТУ) выполняется на заводе-изготовителе, при этом к АИС осуществляется подключение всех датчиков и исполнительных механизмов. В этом примере рама газотурбинной установки вместе с шумотеплоизолирующим кожухом (КШТ) представляют собой разъемную конструкцию, в которой к АИС, смонтированным на раме, подключаются все датчики и исполнительные механизмы, также смонтированные на раме, а к АИС подключаются датчики и исполнительные механизмы, смонтированные на КШТ. Такая конструкция позволяет целиком выполнить монтаж АИС на ГТУ на заводе-изготовителе без последующего демонтажа при транспортировке, обеспечив тем самым полную заводскую готовность ГТУ.
На фиг.4 показан пример размещения 2-х АИС (12, 13) на камере всасывания ГПА. Здесь к АИС подключаются все датчики, которые также смонтированы на камере всасывания ГПА, каждая АИС дополнительно оснащена промежуточной клеммной коробкой (12а, 13а) с защитой вида Ехе, в которой расположены клеммы для подключения внешних кабелей.
Для реализации простых законов управления непосредственно в отдельных АИС их оснащают контроллерами. При этом внутри каждой АИС реализуют локальные задачи управления технологическими узлами газоперекачивающего агрегата. Совокупность АИС, объединенных в общую локальную информационную сеть, образует одноранговую структуру, в которой отсутствует иерархическая подчиненность. Задачи комплексного управления, оптимизации и защиты ГПА, состоящего в общем случае из множества технологических узлов, каждый из которых оснащают АИС, решают посредством структурного программирования алгоритмов взаимодействия этих устройств.
Ввиду относительной простоты законов управления, реализуемых в отдельных АИС, программирование их алгоритмов и конструктивная привязка к технологическому узлу может выполняться специалистами заводов-изготовителей этих технологических узлов. Алгоритмы комплексного управления реализуются через информационно-алгоритмическое взаимодействие АИС между собой.
При таком подходе функции управления полностью выполняются АИС, центральное устройство отсутствует, при этом обеспечивается высоконадежное функционирование ГПА во всех режимах работы. Структура и конструктивное исполнение АИС не зависят от типа ГПА, что позволяет наладить серийный выпуск таких устройств и автоматизировать процесс проектной привязки САУ к ГПА.
Распределенная система управления газоперекачивающим агрегатом реализована на базе базе программно-технических средств фирмы Siemens Simatic S7. При этом ввод-вывод осуществляется через распределенную периферию на базе модулей семейства ET-200S, ЕТ-200М, а в качестве программируемых логических контроллеров в АИС применяются процессоры серии CPU 3хх. Программирование системы выполняется на языке Simatic S7-SCL (язык стандарта МЭК 61131-3).
Предлагаемая система пригодна для управления газоперекачивающими агрегатами всех типов, а также для управления любым другим технологическим оборудованием, имеющим конструктивно обособленные технологические узлы (группы конструктивов, исполнительных механизмов и датчиков, решающих локальную технологическую задачу) и обладает существенно более высокой надежностью, расширенной функциональностью и модернизационным потенциалом.