ПОЛИГОН ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ИСПЫТАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к технике контроля автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами (ТП) и оборудованием магистрального трубопровода и может быть использована для комплексной проверки работоспособности программного обеспечения и аппаратной части многофункциональных АСУ разного типа в стендовых условиях, в реальном масштабе времени.
7
Известна «Автоматизированная информационная система для непрерывного контроля за работой насосно-трубопроводного комплекса для перекачки воды и нефтепродуктов» в соответствии с патентом RU 2165642, МПК G05B 23/00, дата публикации 20.04.2001.
Данное изобретение относится к транспортировке воды и нефтепродуктов с помощью насосно-трубопроводных комплексов, оборудованных центробежными электронасосами, и может быть использовано для контроля их работы в реальном масштабе времени.
Указанная автоматизированная система контроля содержит информационный пункт на каждой насосной станции, имеющий микропроцессорный контроллер, модем и блок управления, центральный информационный пункт, содержащий ЭВМ, модем и связной процессор, входящие в сеть передачи данных, а на каждом насосном агрегате датчики давления на его входе и выходе, для измерения перепада давления, статические преобразователи мощности для измерения активной мощности, потребляемой каждым приводным электродвигателем насосного агрегата, и датчики давления в начале и конце контролируемого участка магистрального трубопровода.
Данная автоматизированная система контроля не позволяет провести диагностику систем автоматики насосно-трубопроводного комплекса в заводских условиях, так как не имеет в своем составе математической модели объекта контроля.
7
Известна «Система контроля параметров многофункциональных систем» в соответствии с патентом RU 2267804, МПК G05B 23/02, дата публикации 10.01.2006.
Указанная система контроля содержит блок управления режимами, пульт контроля и управления, блок управляемых имитаторов аналоговых датчиков, первый и второй коммутатор, блок формирования кода управления, блок управляемых имитаторов частотных датчиков, блок управляемых имитаторов датчиков-сигнализаторов, блок приема одиночных сигналов, блок преобразования постоянного напряжения и блок формирования и приема разнополярного кода.
Данная система также предназначена для диагностики автоматических систем управления. К недостаткам указанной системы можно отнести то, что контроль датчиков и электрических цепей различного типа объекта контроля проводится не одновременно, а последовательно. Это приводит к снижению достоверности контроля систем управления. При работе в реальных условиях система контроля и все элементы объекта контроля функционируют одновременно.
Ближайшей по технической сущности и достигаемому эффекту по отношению к заявляемой полезной модели, т.е. прототипом является «Аппаратно-программная система для тестирования системы управления для морского нефтеперерабатывающего завода» в соответствии с заявкой на изобретение RU 2008121959, МПК G05B 19/042, дата публикации 10.12.2009, дата конвенционного приоритета 31.10.2005 NО 20055085.
Указанная система тестирования включает в себя программно-аппаратный имитатор нефтеперерабатывающего завода, модификатор входных сигналов, модификатор управляющих сигналов, которые связаны между собой цифровыми и аналоговыми линиями связи.
Упомянутый имитатор нефтеперерабатывающего завода моделирует два или несколько взаимодействующих подпроцессов нефтепереработки, в том числе реальные подпроцессы нефтеперерабатывающего завода (такие как электрический генератор или другие системы подачи энергии со сложно моделируемыми резкими переходными процессами электрической нагрузки).
Упомянутый модификатор входных сигналов выполнен с возможностью модификации одного или нескольких входных сигналов в модифицированные входные сигналы объекта контроля.
Упомянутый модификатор входных сигналов выполнен с возможностью передачи одного или нескольких упомянутых модифицированных входных сигналов и оставшихся не модифицированными входных сигналов к тестируемой системе управления.
Упомянутый модификатор управляющих сигналов (тестируемой системы управления) выполнен с возможностью подключения к упомянутой линии выходных управляющих сигналов.
Упомянутый модификатор управляющих сигналов выполнен с возможностью модификации одного или нескольких управляющих сигналов в модифицированные управляющие сигналы.
Упомянутый модификатор управляющих сигналов выполнен с возможностью передачи упомянутых модифицированных управляющих сигналов и оставшихся не модифицированными управляющих сигналов к имитатору нефтеперерабатывающего завода.
Данная система предназначена для тестирования того, способна ли система управления детектировать и обрабатывать ошибки или режимы отказов, формируемые имитатором нефтеперерабатывающего завода, причем упомянутая система управления выполнена с возможностью подключения к линиям входных сигналов для принятия имитируемых сигналов датчиков и других входных сигналов от упомянутого имитатора нефтеперерабатывающего завода и подключения к линиям управляющих сигналов для передачи управляющих сигналов к упомянутому имитатору нефтеперерабатывающего завода.
К недостаткам указанной системы можно отнести то, что она не позволяет провести проверку работоспособности программного обеспечения и специализированного оборудования АСУ нефтеперекачивающей станции трубопровода в заводских условиях. Кроме того, данная система дорогостоящая и громоздкая по составу.
Заявляемая полезная модель лишена вышеуказанных недостатков. Полигон для проведения комплексных испытаний (далее по тексту - полигон) автоматизированной системы управления (АСУ) технологическими процессами и оборудованием объекта управления содержит в своем составе систему управления испытаниями (СУЙ), программно-технический комплекс математической модели (ПТКММ) технологических процессов и оборудования объекта управления, блок преобразования сигналов (БПС) и модуль управления электропитанием (МУЭ) которые связаны между собой цифровыми и аналоговыми линиями связи.
ПТКММ имитирует в реальном масштабе времени совместную работу заданных структурных элементов нефтеперекачивающей станции (НПС) в заданной конфигурации и включает в себя блок хранения параметров структурных элементов НПС, блок хранения параметров конфигурации НПС, блок моделирования технологических процессов и состояния структурных элементов НПС, блок хранения значений переменных параметров процессов и состояния структурных элементов НПС.
СУЙ выполнена с возможностью задания начальных параметров и формирования последовательности тестовых воздействий в соответствии с видом испытаний АСУ, а также обеспечивает выделение реакции испытываемой АСУ и регистрацию результатов испытаний АСУ. СУЙ включает в себя блок хранения эталонных сигналов реакций испытываемых АСУ, блок выделения сигналов реакций АСУ, блок сравнения сигналов реакций АСУ, блок регистрации результатов испытаний, блок формирования программы испытаний, при этом указанные блоки взаимосвязаны по цифровой линии связи типа ETHERNET.
Блок преобразования сигналов (БПС) выполнен с возможностью преобразования цифровых кодов моделируемых сигналов датчиков, задвижек и другого оборудования НПС, поступающих из ПТКММ в электрические сигналы, подаваемые на входы испытываемой АСУ, а также осуществляет обратное преобразование электрических сигналов управления, формируемых испытываемой АСУ в цифровые коды сигналов, поступающие на входы ПТКММ. БПС включает в себя модуль преобразования сигналов, а также блок интерфейсных модулей связи, подключенных к интерфейсным модулям испытываемой АСУ посредством группы кабелей-шлейфов, каждый из которых состоит из двух изолированных проводников, заключенных в общую ПВХ оболочку.
Модуль управления электропитанием (МУЭ) позволяет имитировать изменения напряжения питающей сети по ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» при проведении испытаний упомянутой АСУ за счет включения в его состав последовательно связанных контроллера связи и управления и преобразователей напряжения. МУЭ связан с блоком формирования программы испытаний СУЙ посредством линии связи типа ETHERNET.
Испытание вновь разработанных АСУ для НПС представляет собой трудоемкую задачу. Испытание АСУ на действующих НПС требует дорогостоящих мероприятий по приостановке станции, а также может приводить к возникновению повреждений оборудования НПС в случае каких либо недоработок во вновь вводимой АСУ.
Усовершенствование технологического процесса, необходимость обеспечения безопасной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта неизбежно приводят к повышению уровня требований к АСУ, появлению сложных программно-технических комплексов с реализацией в них алгоритмов, необходимых для контроля и обработки большого количества разнотипных сигналов, выработки управляющего воздействия на объект управления (технологические процессы и оборудование НПС трубопровода).
Качественное проведение испытаний современного сложного оборудования АСУ требует применения специализированных программно-технических средств, квалифицированного персонала, необходимых производственных площадей. Как правило, при проведении заводских испытаний на базе отдельного поставщика (изготовителя) систем автоматики испытания в полном объеме проектной функциональности при многофакторных воздействиях по техническим причинам провести не представляется возможным.
Подтверждение в ходе заводских испытаний полного соответствия поставляемых систем и оборудования АСУ требованиям проекта, действующей НТД особенно важно ввиду крайне сжатых сроков, отводимых на выполнение строительно-монтажных и пуско-наладочных работ.
Техническим результатом использования предлагаемой полезной модели является возможность проведения комплексных испытаний АСУ разных типов на одном испытательном полигоне в заводских условиях.
Все перечисленное в совокупности сокращает время испытаний, повышает достоверность их результатов, снижает риск повреждения оборудования.
На Фиг.1 приведена структурная схема заявляемого полигона с подключенной к нему испытываемой АСУ.
На Фиг.2 приведен пример конфигурации моделируемого объекта управления с заданными структурными элементами.
Полигон включает в себя систему управления испытаниями СУЙ 1, программно-технический комплекс математической модели ПТКММ 2 объекта управления, модуль управления электропитанием МУЭ 3, блок преобразования сигналов БПС 4. Перед проведением испытаний АСУ 5, подлежащая контролю, подключается к МУЭ 3 и БПС 4.
Взаимосвязь цифровых блоков полигона осуществляется посредством линии связи 6 типа ETHERNET.
Подключение входных сигналов и сигналов управления испытываемой АСУ 5 к БПС 4 осуществляется посредством группы кабелей- шлейфов 7, каждый из которых состоит из двух изолированных проводников, заключенных в общую ПВХ оболочку.
СУЙ 1 включает в себя блок 8 хранения эталонных сигналов реакций (БХЭСР) АСУ 5, блок 9 регистрации результатов испытаний (БРРИ), блок 10 сравнения сигналов реакций (БССР) АСУ 5 с эталонными сигналами реакций, блок 11 выделения сигналов реакций (БВСР) АСУ 5 и блок 12 формирования программы испытаний (БФПИ) АСУ 5.
ПТКММ 2 включает в себя блок 13 хранения параметров структурных элементов (БХПСЭ) НПС, блок 14 хранения параметров конфигурации (БХПК) НПС, блок 15 моделирования (БМ) технологических процессов и состояния оборудования НПС, блок 16 хранения значений переменных параметров (БХЗПП) процессов и состояния структурных элементов НПС.
Заявленная полезная модель промышленно применима.
СУЙ 1 и ПТКММ 2 могут быть реализованы на основе ПЭВМ со следующими техническими характеристиками: процессор Pentium 4 с частотой 3,6 ГГц, оперативная память - 1 ГБ, NVideo - совместимый видеоконтроллер Quadro NVS 280 PCI-E с памятью 64 МБ, жесткий диск WDC WD800JD-60LUAO объемом 80 ГБ, которые могут работать, например, в операционной системе Windows ХР.
БПС 4 включает в себя модуль преобразования сигналов 17 (МПС) и блок 18 интерфейсных модулей (ИМ) ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов.
Модуль преобразования сигналов 17 выполнен на основе процессорного вычислительно-управляющего модуля VP9 (PC/AT совместимый процессорный модуль производимый фирмой SBS Technologies) и плат-мезонинов, устанавливаемых на модули-носители VME 98100 и Compact PCI 4100, серийно выпускаемых экспериментальным заводом научного приборостроения (ФГУП ЭЗАН). Имеющийся выбор плат-мезонинов дискретного ввода-вывода, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования и других специализированных интерфейсов позволяет решать широкий класс задач согласования входных и выходных сигналов испытываемой АСУ 5 и сигналов, сформированных ПТКММ 2.
Интерфейсные модули 18 ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов осуществляют передачу и прием электрических сигналов, совместимых по электрическим характеристикам с входными и выходными сигналами интерфейсных модулей, входящих в состав испытываемой АСУ 5.
Интерфейсные модули 18 также выпускаются на предприятии ФГУП ЭЗАН (типы 40901, 40902, 40908 и др.), что обеспечивает согласование всех типов связей с интерфейсными модулями испытываемой АСУ 5.
МУЭ 3 включает в себя контроллер 19 связи и управления (КСУ) напряжением питания и преобразователи напряжения 20 (ПН) питания.
ПН 20 вырабатывают напряжения, необходимые для питания интерфейсных модулей 18 БПС 4 и выполнены на стандартных трансформаторах и выпрямителях, а отдельный преобразователь типа ПЧ-ТТПТ-50-380-50-1-УХЛ4 серии «Омега» вырабатывает управляемое напряжение для блока питания 21 испытываемой АСУ 5.
Испытываемая АСУ 5 включает в себя блок питания 21, интерфейсные модули 22 и управляющие контроллеры 23.
МУЭ 3 подключен отдельным входом ПН 20 к промышленной сети (220 Вольт, 50 Гц).
МУЭ 3 группой выходов соединен по линиям электропитания (220 В постоянное, 220 В переменное, 24 В постоянное) с группой входов электропитания ИМ 18 БПС 4 и своим отдельным выходом со входом блока питания 21 испытываемой АСУ 5. БПС 4 соединен с АСУ 5 с помощью группы кабелей - шлейфов 7.
На Фиг.2 приняты следующие обозначения:
24 - насос;
25 - участок трубопровода;
26 - резервуар;
27 - задвижка;
28 - датчики давления;
29 - входы сигналов управления насосом 24 от испытываемой АСУ 5;
30 - сигналы состояния датчиков насоса 24;
31 - входы сигналов управления задвижкой 27 от испытываемой АСУ 5;
32 - сигналы состояния датчиков задвижки 27.
Интерфейс ПТКММ 2 позволяет в процессе подготовки к испытаниям АСУ 5 вводить в блок 13 хранения параметров структурных элементов (БХПСЭ) параметры (технические характеристики) структурных элементов НПС, а в блок 14 хранения параметров конфигурации (БХПК) НПС вводить данные, определяющие конфигурацию НПС. Ввод указанных параметров осуществляется оператором ПТКММ 2 в соответствующие шаблоны на дисплее ПЭВМ, на базе которой реализован ПТКММ 2.
Затем из блока 8 хранения сигналов эталонных реакций АСУ 5 оператором аналогично выбирается блок цифровых данных, соответствующий эталонным реакциям испытываемой АСУ 5, которые в процессе проведения испытания будут сравниваться с фактическими сигналами реакций испытываемой АСУ 5 в блоке 10 сравнения сигналов реакций СУЙ 1. По результатам сравнения в блоке 10 эталонных сигналов реакций с сигналами реакций, полученными в процессе проведения испытаний, создается массив данных, позволяющий однозначно оценить степень соответствия испытываемой АСУ 5 заданным критериям работоспособности.
В блоке 15 ПТКММ 2 осуществляется математическое моделирование технологических процессов и состояния структурных элементов НПС. В блоке 16 ПТКММ 2 хранятся значения переменных параметров процессов и состояния структурных элементов НПС, формируемые в блоке 15 ПТКММ 2.
Так, например, может быть сконфигурирована математическая модель НПС (см. Фиг.2), состоящая из насоса 24, резервуара 26 и участка трубопровода 25 с задвижкой 27, соединяющего насос 24 и резервуар 26, а также датчиков давления 28 (ДД 1, ДД 2, ДД 3), расположенных в местах с заданными координатами, (на входе насоса 24, на выходе насоса 24, на входе в резервуар 26). Работа насоса 24 моделируется по формуле [1]
где Н - перепад давления создаваемого насосом;
а и b - коэффициенты аппроксимации, зависящие от типа конкретного насоса;
Q - объемная скорость перекачки жидкости. Протекание нефти по участку трубопровода 2 5 описывается функцией [2]:
Где Р 2 и Р 3 - давления на входе и выходе трубопровода 25 (в местах установки датчиков давления 28 (ДД2, ДД3),
L - длина трубопровода,
D - диаметр трубопровода,
z - коэффициент учитывающий состояние группы параметров, характеризующих состояние задвижки: «задвижка закрыта», «задвижка открыта», «задвижка закрывается», «задвижка открывается»;
Q - объемная скорость перекачки жидкости.
Высота столба нефти в резервуаре и давление во времени может описываться формулами [3, 4]:
Где Р3 - давление на выходе трубопровода,
R - плотность нефти,
g - ускорение свободного падения,
h - высота столба нефти в резервуаре,
S - площадь основания цилиндрического резервуара,
Q - объемная скорость перекачки жидкости,
t - текущее время.
Для управления насосом 24 и задвижкой 27 имеются группы сигналов управления и группы сигналов состояния датчиков. Для насоса 24 сигналами управления 29 являются сигналы «выключить насос», «включить насос», а сигналами состояния датчиков 30 -«насос включен», «температура статора», «уровень вибрации», «потребляемый ток», «мощность насоса». Для задвижки 27 сигналами управления 31 являются «открыть задвижку», «закрыть задвижку», а сигналами состояния датчиков 32 - «задвижка закрыта», «задвижка открыта», «задвижка закрывается», «задвижка открывается».
Перечисленные данные о структурных элементах моделируемого объекта, в том числе величины и состояние переменных L,D, h, P2, Р3, R, g, S, «выключить насос», «включить насос», «насос включен», «температура статора», «уровень вибрации», «потребляемый ток», «мощность насоса», «открыть задвижку», «закрыть задвижку», «задвижка закрыта», «задвижка открыта», «задвижка закрывается», «задвижка открывается» находятся в блоке хранения параметров структурных элементов БХПСЭ 13 моделируемого объекта и/или вводятся оператором перед началом испытания АСУ 5.
В АСУ 5 может быть задан алгоритм контроля заполнения резервуара 26 до уровня h=15 м. При этом, в данном алгоритме работы АСУ 5 должна быть предусмотрена реакция на различного рода аварийные ситуации. Логические сигналы управления «неисправность задвижки», «аварийный уровень вибрации», «перегрев статора», «перегрузка по току привода насоса» при нормальной работе оборудования НПС имеют уровень логического нуля (лог.0). Исходные значения переменных параметров, характеризующих математическую модель данного объекта управления, могут быть следующими:
L=25 м;
D=0,5 м;
L=0 м;
P2=2 атм;
Р3=2 атм;
R=800 кг/куб.м;
G=9,8 м/с<sup>2</sup>
S=50 кв.м;
«выключить насос» -
лог.1;
«включить насос» -
лог.0;
«насос включен» -
лог.0;
«температура статора» -
20°С;
«уровень вибрации» -
0 мм/с;
«потребляемый ток» -
ОА;
«мощность насоса» -
0 Вт;
«открыть задвижку» -
лог.0;
«закрыть задвижку» -
лог.0;
«задвижка закрыта» -
лог.1;
«задвижка открыта»
лог.0;
«задвижка закрывается» -
лог.0;
«задвижка открывается» - лог.0.
В блоке 8 хранения эталонных сигналов реакций оператор выбирает набор сигналов эталонных реакций, соответствующий заданной конфигурации моделируемого объекта. Для задвижки 27, например, набор сигналов включает следующие сигналы:
«открыть задвижку», «закрыть задвижку», «задвижка закрыта», «задвижка открыта», «задвижка закрывается», «задвижка открывается». Набор сигналов эталонных реакций также содержит предельные значения параметров, (значения давления, температуры, тока, вибрации и др.) которые не должны превышаться в процессе работы объекта моделирования.
При активации БМ 15 (запуске процесса моделирования) программа проверяет совместимость исходных значений переменных параметров и блок 15 ПТКММ 2 начинает расчет, в процессе которого модифицируются значения переменных параметров, в соответствии с заданными техническими характеристиками структурных элементов ПТКММ 2. Начало выполнения алгоритма АСУ 5 активирует оператор с помощью управляющих контроллеров 23 АСУ 5. Далее АСУ 5 функционирует так, как если бы она была подключена к реальному объекту, изображенному на фиг.2. В процессе моделирования БМ 15 в режиме реального времени вычисляет значения переменных Р2, РЗ, и Ь, и далее через блок 16 хранения текущих значений, реализованный в виде ОРС сервера (OLE for Process Control - семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами) по цифровой линии связи 6 передает сформированные числовые значения переменных параметров в виде цифровых кодов в МПС 17, в котором они преобразуются к виду, совместимому с входами интерфейсных модулей 18. Интерфейсные модули 18 преобразовывают эти сигналы к виду соответствующему физическим сигналам цифрового или аналогового типа и передают их на интерфейсные модули 22 АСУ 5 по кабелям - шлейфам 7. Все управляющие сигналы (сигналы реакции), формируемые АСУ 5, передаются по соответствующим кабелям-шлейфам 7 на входы ИМ 18 и далее через МПС 17 по цифровой линии связи 6 поступают в блок 11 выделения сигналов реакций АСУ 5.Таким образом, БПС 4 осуществляет обратное преобразование полученных от АСУ 5 физических сигналов управления в соответствующие цифровые коды сигналов. Из блока 11 выделения сигналов реакций АСУ 5 цифровые коды сигналов реакций поступают на входы блока 10 сравнения сигналов реакций, где производится их сравнение с эталонными сигналами реакций блока 8 СУЙ 1. Результаты сравнения сигналов реакций передаются в блок 9 для фиксации выявленных различий и принятия решения о годности испытываемой АСУ 5.
При «заполнении» резервуара 26 величина давления, измеряемая датчиком 28 (ДД 3) на его входе, достигает заданного программой испытаний порогового значения. В этот момент АСУ 5 выдает сигнал управления на закрытие задвижки 27 и на отключение насоса 24.
В процессе исполнения вышеописанных операций может быть одновременно реализована подпрограмма изменения питающих напряжений, которая задается оператором с помощью блока 12 формирования программы испытаний. С помощью данного блока 12 оператором могут быть заданы значения отклонения от номинальной величины напряжения питания, подаваемого с отдельного выхода МУЭ 3 на блок питания 21 АСУ 5 и временные интервалы действия указанных отклонений. Также может быть задано отклонение частоты напряжения питания, в соответствии с величинами, допускаемыми ГОСТ 13109-97 (±1 Гц). Сигналы управления из блока 12 формирования программы испытаний по линии связи 6 передаются в контроллер 19 связи и управления преобразованием напряжения, который по цифровой линии связи 6 управляет преобразователями напряжения 20.
Для имитации аварийных режимов и/или состояний неисправности оператор выбирает одну из соответствующих подпрограмм в блоке 12 формирования программы испытаний. Заданная подпрограмма модифицирует значения одной или нескольких вышеперечисленных переменных. Например, могут быть установлены значения переменных «температура статора», «уровень вибрации», «потребляемый ток» превышающими допустимое значение для нормального режима работы НПС.АСУ 5 должна отреагировать на это выдачей сигналов логической единицы для параметров «аварийный уровень вибрации», «перегрев статора», «перегрузка по току привода насоса» и сформировать сигнал управления «выключить насос».
Таким образом, на примере конкретного выполнения заявленной полезной модели показана возможность ее технической реализации.