Система автоматического управления электрогидравлической системы регулирования
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к системам программного управления и предназначено для применения в системах автоматического управления при эксплуатации теплотехнического оборудования, а также в металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности для решения задач повышения уровня автоматизации технологических процессов. Системы данного назначения являются базовыми при построении электрогидравлических систем регулирования (ЭГСР) в системах автоматизации обслуживания турбинного оборудования.
В условиях действия программы импортозамещения создание отечественных конкурентоспособных, серийно выпускаемых средств автоматизации, выполненных на базе современных систем программного управления, является актуальным для большинства энергетических компаний.
Система автоматического управления (САУ) ЭГСР представляет собой промышленный программно-аппаратный комплекс блочно-модульной структуры и предназначена для реализации алгоритмов автоматического управления и защиты турбины во всех (в том числе аварийных) режимах работы, управления мощностью турбины, управления давлением пара в производственном и отопительном отборах турбины, температурой сетевой воды, а также обеспечения взаимодействия с автоматической системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) турбины и со средствами диспетчерского и противоаварийного управления энергосистемы.
Принцип действия заявляемой САУ ЭГСР заключается в выполнении непрерывного измерения и преобразования входных сигналов различного типа, поступающих от первичных измерительных преобразователей, в цифровой код с последующей обработкой полученной информации и формированием управляющих сигналов для регулирования основных технических параметров турбины, управления сервомоторами турбины и обеспечения вывода информации на устройства верхнего уровня в цифровом виде по различным протоколам.
В качестве аналога может быть рассмотрена полезная модель по патенту РФ № RU 185503 «Промышленный контроллер» [1].
Промышленный контроллер предназначен для контроля, автоматического управления и технологической защиты оборудования на объектах с широкой номенклатурой датчиков и исполнительных устройств в тепловой и атомной энергетике, в металлургической, химической и других отраслях промышленности, в частности может применяться для автоматизации тепловых электростанций и использоваться в контурах регулирования частоты и мощности в энергосистемах, контурах противоразгонной защиты турбин.
Конструктивно данный контроллер представляет собой устройство, содержащее блок процессора с, по меньшей мере, одним модулем процессора, по меньшей мере, один блок устройств связи с объектом (УСО) с модулями УСО различного типа, включая модули аналогового ввода-вывода, модули дискретного ввода-вывода, модули импульсного вывода, и тремя модулями контроля оборотов турбины, контроллерную шину, информационно связывающую блок процессора с блоком УСО, полевые адаптеры для подключения полевого кабеля, высоконадежного электронного автомата безопасности защиты турбины с троированными по схеме «два из трех» измерительными каналами частоты вращения турбины и возможностью тестирования срабатывания защиты по отдельным каналам без останова турбины.
Недостатками данного контроллера являются:
- отсутствие возможности архивирования (накопления и долговременного хранения ретроспективной информации) непосредственно в контроллере;
- отсутствие локальной панели управления и, соответственно, отсутствие возможности осуществления оператором с ее помощью автономного управления режимами работы объекта управления по месту его нахождения;
- необходимость обязательного применения персонального компьютера в качестве автоматизированного рабочего места (АРМ) верхнего уровня для осуществления просмотра параметров и управления объектом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является изобретение по патенту РФ №RU 2263952 «Многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом» [2]. Контроллер содержит блок формирования географического адреса, интерфейсы последовательной системной шины, процессорные модули, состоящие из соединенных внутренней шиной процессора, блока памяти, блока логического управления, субмодулей ввода-вывода, интерфейсов измерения и управления объектом, при этом процессорные модули объединены дублированной детерминированной локальной сетью нижнего уровня в кластеры.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности архивирования (накопления и долговременного хранения ретроспективной информации) непосредственно в контроллере.
Задача заявляемого изобретения состоит в повышении надежности и качества регулирования путем непрерывного измерения и преобразования входных сигналов различного типа, поступающих от первичных измерительных преобразователей, в цифровой код с последующей обработкой полученной информации и формированием управляющих сигналов для регулирования основных технических параметров турбины, управления сервомоторами турбины и обеспечения вывода информации на устройства верхнего уровня в цифровом виде по различным протоколам.
Технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в обеспечении выполнения устройством одновременно функций регулятора и электронного автомата безопасности для противоразгонной защиты турбины от достижения критических повышенных оборотов при сбросах нагрузки, повышении точности регулирования сервомоторов за счет исключения влияния помех на управление блоками позиционеров, обеспечении возможности хранения и отображения значений рабочих параметров турбины непосредственно в устройстве, предоставлении возможности автономного управления турбиной оператором по месту ее нахождения (в турбинном отделении), а также обеспечении сохранения функций управления турбиной и безударного переключения при любом единичном отказе за счет гарантированного (горячего) резервирования вычислительных блоков, блоков контроля оборотов турбины, блоков питания и локальной сети, горячей замены отказавших блоков ввода-вывода.
Технический результат достигается за счет того, что в блоки контроля оборотов турбины встроены основной и резервный модули регулирования частоты и управления сервомоторами турбины, выполняющие функции электронного автомата безопасности для противоразгонной защиты турбины, блоки позиционеров соединены с вычислительными блоками контроллера цифровым интерфейсом RS-485, в вычислительные блоки включены основной и резервный модули ведения трендов (архивов изменения) рабочих параметров турбины, предназначенные для архивирования (накопления и долговременного хранения ретроспективной информации) непосредственно в контроллере, при этом вычислительные блоки объединены локальной сетью нижнего уровня для зеркализации архивной базы данных, кроме того в систему дополнительно введен соединенный с вычислительными блоками через цифровой интерфейс Ethernet локальный блок управления, выполненный на базе сенсорной панели и содержащий модуль обработки данных, обеспечивающий человеко-машинный интерфейс для визуализации оперативной информации на сенсорном экране и предоставления оператору возможностей управления турбиной.
Дополнительный технический результат заключается в обеспечении возможности путем установки дополнительных блоков ввода-вывода наращивать количество каналов ввода-вывода для подключения датчиков и исполнительных механизмов и, соответственно, количество контролируемых сигналов.
В материалах заявки представлена блок-схема САУ ЭГСР.
Система содержит:
1 - микропроцессорный промышленный контроллер;
2 - блок питания (основной);
3 - блок питания (резервный);
4 - вычислительный блок (основной);
5 - вычислительный блок (резервный);
6 - вычислительный модуль (основной);
7 - вычислительный модуль (резервный);
8 - модуль ведения трендов рабочих параметров турбины (основной);
9 - модуль ведения трендов рабочих параметров турбины (резервный);
10 - блоки аналогового ввода сигналов;
11 - блоки дискретного ввода сигналов;
12 - блоки аналогового вывода сигналов;
13 - блок универсального ввода/вывода сигналов;
14 - блок контроля оборотов турбины (основной);
15 - блок контроля оборотов турбины (резервный);
16 - модуль регулирования частоты и управления сервомоторами (основной);
17 - модуль регулирования частоты и управления сервомоторами (резервный);
18 - локальный блок управления на базе сенсорной панели;
19 - модуль обработки данных, обеспечивающий человеко-машинный интерфейс;
20 - коммуникационные блоки Ethernet (основной и резервный);
21 - блок позиционера для управления сервомотором верхнего давления (ВД) турбины;
22 - блок позиционера для управления сервомотором среднего давления (СД) турбины;
23 - блок позиционера для управления сервомотором нижнего давления (НД) турбины;
24 - коммуникационные блоки последовательной шины RS-485 (основной и резервный);
25 - цифровой интерфейс RS-485.
Микропроцессорный промышленный контроллер 1 предназначен для выполнения основных функций регулирования, функций архивирования (накопления и долговременного хранения ретроспективной информации), а также функций электронного автомата безопасности для защиты турбины от достижения критически повышенных оборотов при сбросах нагрузки (противоразгонной защиты турбины) и состоит из:
- блоков питания 2, 3, осуществляющих формирование необходимых для работы системы питающих напряжений;
- вычислительных блоков 4, 5, включающих встроенные вычислительные модули 6, 7, предназначенные для обработки поступающих сигналов, выполнения на их основе требуемых алгоритмов и сохранения полученных и рассчитанных значений в оперативной базе данных, автоматического формирования управляющих сигналов для исполнительных механизмов с последующей трансляцией их в блоки ввода-вывода, формирования и передачи оперативных данных для последующей их визуализации на экране локального блока управления, а также передачи оперативных и архивных данных через коммуникационные блоки на внешние системы и устройства;
- входящих в состав вычислительных блоков 4, 5 модулей ведения трендов 8, 9, предназначенных для формирования архивов путем присвоения метки времени оперативным данным и помещения их в архивную базу данных;
- блоков ввода-вывода сигналов 10, 11, 12, 13, предназначенных для подключения технологических датчиков измерения аналоговых и дискретных сигналов - контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА);
- блоков контроля оборотов турбины 14, 15 со встроенными модулями регулирования частоты и управления сервомоторами 16, 17 ВД, СД и НД турбины.
Локальный блок управления 18, выполненный на базе сенсорной панели, со встроенным модулем обработки данных 19, осуществляет визуализацию информации, полученной от вычислительного блока, на сенсорной панели, а также предоставляет оператору возможность автономного управления турбиной и изменения (корректировки) параметров по месту ее нахождения.
Коммуникационные блоки Ethernet 20 обеспечивают взаимодействие САУ ЭГСР с верхним уровнем (например, АСУ ТП турбины) и локальным блоком управления 18 по высокоскоростной локальной проводной резервируемой сети Ethernet.
Блоки позиционеров 21, 22, 23 предназначены для управления сервомоторами ВД, СД и НД турбины.
Коммуникационные блоки последовательной шины RS-485 24 информационно связывают вычислительные блоки с блоками ввода-вывода сигналов.
Цифровой интерфейс RS-485 25 информационно связывает вычислительные блоки с блоками позиционеров.
Заявляемая САУ ЭГСР работает следующим образом.
Микропроцессорный промышленный контроллер 1 питается от блоков питания 2, 3, осуществляющих формирование необходимых для работы системы напряжений. Входящие в состав микропроцессорного промышленного контроллера 1 вычислительные модули 6, 7 вычислительных блоков 4, 5, являющиеся ключевым элементом САУ ЭГСР, для получения сигналов от технологических датчиков опрашивают по цифровым шинам RS-485 24 блоки ввода-вывода 10, 11, 12, 13 и блоки контроля оборотов турбины 14, 15, а по цифровому интерфейсу RS-485 25 - блоки позиционеров 21, 22, 23. На основании полученной информации и заложенной программы, а также команд управления от локального блока управления 18, вычислительные модули 6, 7 формируют управляющие сигналы в блоки позиционеров 21, 22, 23 для дальнейшей их передачи на сервомоторы турбины.
Полученные от датчиков сигналы и сформированные сигналы управления сохраняются модулями ведения трендов 8, 9 в архивной базе данных путем присвоения метки времени оперативным данным.
Модуль обработки данных 19 локального блока управления 18 через коммуникационный блок Ethernet 20 микропроцессорного промышленного контроллера 1 опрашивает вычислительные модули 6, 7 для получения информации с последующей ее визуализацией на сенсорном экране, а также передает команды управления от сенсорного экрана в вычислительные блоки 4,5.
Устройства верхнего уровня (например, АРМ оператора АСУ ТП турбины) через коммутатор сети и коммуникационный блок Ethernet 20 опрашивают вычислительные модули 6, 7 для получения оперативных данных и модули ведения трендов 8, 9 для получения архивных данных, а также передают команды управления в вычислительные модули 6, 7.
Для обеспечения работы системы по схеме «горячего» резервирования путем реализации обмена статусами («основной»/«резервный») между модулями один из вычислительных модулей 6, 7 вычислительных блоков 4, 5 с текущим статусом «резервный» осуществляет постоянный контроль статуса модуля со статусом «основной», а модуль с текущим статусом «основной» -периодическое копирование оперативной и архивной баз данных в модуль со статусом «резервный» для возможности перехода на резервный модуль без потери данных.
Блоки контроля оборотов турбины 14, 15 получают сигналы от трех датчиков контроля частоты вращения турбины, которые преобразуются в цифровую форму, и с помощью модулей 16, 17 выполняют функции регулирования и управления приводами сервомоторов ВД, СД и НД турбины. Кроме этого, частота вращения сравнивается с уставками (параметрами, при достижении которых происходит изменение состояния системы и срабатывает сигнализация), и если число оборотов турбины превышает аварийную уставку, формируется дискретная команда защиты турбины для схемы защит.
Блоки позиционеров 21, 22, 23 получают задания от модулей регулирования частоты и управления сервомоторами 16, 17, а также получают сигналы положения сервомоторов от датчиков положения сервомоторов и, регулируя токи в катушках электрогидравлических преобразователей, поддерживают положение сервомоторов равным заданию.
Заявляемая САУ ЭГСР может встраиваться в различные информационно-управляющие системы за счет поддержки цифровых интерфейсов Ethernet, а также открытых протоколов обмена данными Modbus RTU/TCP, МЭК 60870-5-101/104, ОРС DA/HDA.
Исследования технических решений в области разработки САУ, основанные на анализе отечественных и зарубежных публикаций, взятых из открытых источников, позволяют сделать вывод о том, что по основным техническим характеристикам заявляемая система отвечает требованиям конкурентоспособности и обладает такими техническими характеристиками, как:
- высокая точность измерений и регулирования;
- переход на цифровое управление позиционерами, что повышает точность регулирования и исключает влияние помех;
- возможность «горячей» замены отработавших модулей ввода-вывода сигналов на новые без остановки оборудования;
- архивирование (накопление и сохранение ретроспективной информации) непосредственно в контроллере САУ ЭГСР;
- полная интеграция САУ ЭГСР в АСУ ТП турбины;
- наличие локального блока управления на базе цветного сенсорного экрана для визуализации оперативной информации и предоставления оператору возможности автономного управления режимами работы турбины по месту ее нахождения.
САУ ЭГСР, кроме выполнения основных функций регулирования, также выполняет функции архивирования (накопление и долговременное сохранение ретроспективной информации), которые в традиционных системах регулирования выполняются на верхнем уровне системы (на сервере или АРМ). Реализация данной задачи не означает отказа от возможности архивирования информации на верхнем уровне. Однако, в этом случае, пропадание связи с верхним уровнем, либо выход из строя (в том числе «зависание») оборудования верхнего уровня не будет приводить к отказу функций отображения, формирования и архивирования такой ретроспективной информации, как архивы изменения параметров (тренды) и др., так как все данные будут сохраняться на среднем уровне. После восстановления работоспособности (верхнего уровня или линий связи) все необходимая информация будет загружена без потерь.
Заявляемая САУ ЭГСР может быть реализована в серийном производстве с применением современных средств, материалов и технологий.
Использованные источники информации:
1. Патент 185503 Российская Федерация МПК G06F 9/00. Промышленный контроллер / Лобов К.Н., Даниличев Ю.Д., Назаров А.А., Певзнер В.В., Скородин А.Н., Красноперов C.B., Мельников А.Ф., Рохмистров А.В., Новикова И.В., Углов Α.Α., Шарикова И.К. (RU); заявитель и патентообладатель АО «ЭЛАРА» (RU) - 2018129408; заявл. 10.08.2018; опубл. 06.12.2018, Бюл. №34. - 2 с.
2. Патент 2263952 Российская Федерация МПК G06F 15/16. Многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом / Сердюков О.В., Тимошин А.И., Кулагин С.А. (RU); заявитель и патентообладатель ООО «Торнадо Модульные Системы» (RU) - 2003126941/09; заявл. 22.10.2003; опубл. 10.11.2005, Бюл. №31. - 9 с.: ил.