Автоматизированная система управления технологическими процессами
AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к химической и/или нефтегазоперерабатывающей промышленности, а именно к системам автоматического управления сложными и опасными технологическими процессами.
Известна автоматизированная система управления технологическими процессами установки комплексной подготовки газа (патент на ПМ RU №108162, МПК G05B 19/00, опубл. 10.09.2011 Бюл. №25), включающая устройства измерения параметров, контроля состояния и управления исполнительными механизмами, подключенные к устройствам ввода-вывода, программируемые контроллеры, автоматизированное рабочее место оператора, причем в составе системы используется блок сопряжения с устройством ввода-вывода централизованной архитектуры, а также блок сопряжения со смежными системами, позволяющий переключать контроль и управление программируемыми контроллерами системы на центральный диспетчерский пульт.
Недостатками данной системы являются низкая надежность и высокая вероятность сбоя системы, так как нет автоматической защиты от сбоев с питанием электрических конструктивных элементов, высокая вероятность аварийных ситуаций из-за наличия человеческого фактора, что очень актуально на сложных и опасных объектах.
Известна также автоматизированная система управления технологическими процессами (патент на ПМ RU №116252, МПК G05B 19/418, опубл. 20.05.2012 Бюл. №14), содержащая устройство отображения, к входу которого подключен блок управления, вход/выход которого связан шиной данных с входами/выходами объектов управления системы, причем введены второе устройство отображения, к входу которого подключен второй блок управления, вход/выход которого связан шиной данных с входами/выходами объектов управления системы, а также введены блок контроля состояния системы, блок моделирования технологического процесса, блок планирования технологического процесса и блок мониторинга и прогнозирования технологического процесса, входы/выходы которых подключены к шине данных.
Недостатками данной системы являются низкая надежность и высокая вероятность сбоя системы, так как нет автоматической защиты от сбоев с питанием электрических конструктивных элементов, высокая вероятность аварийных ситуаций из-за отсутствия объективного контроля работоспособности блоков управления, особенно при «плавающем» сбое (то есть, то - нет) или постепенному выходу из строя элементов блока управления, что очень актуально на сложных и опасных объектах.
Наиболее близкой по техническому уровню является универсальная объектно-ориентированная мультиплатформенная система автоматической диагностики и мониторинга оборудования опасных производственных и транспортных объектов в реальном времени для управления техническим состоянием и предупреждения аварий (патент RU №2728167, МПК G01M 15/00, G01M 17/00, G08B 21/00, опубл. 28.07.2020 Бюл. №22), содержащая: сетевую распределенную архитектуру управления, диагностики и мониторинга; набор датчиков, функционально соединенных с подконтрольным оборудованием, подключенных к измерительным модулям; подсистему непрерывного мониторинга, сконфигурированную для вычисления диагностических признаков, оценки технического состояния, диагностического анализа различных комбинаций подконтрольного оборудования и формирования предписаний техническому персоналу с помощью экспертного модуля с набором правил, а также содержащую модуль визуального отображения, обеспечивающий на диагностической станции системы генерацию графических представлений контролируемых параметров, их производных величин и диагностических признаков, а также предписаний персоналу для требуемого технического обслуживания, причем система построена на мультиплатформенном аппаратном составе и может быть выполнена, по меньшей мере, в стационарном, мобильном, бортовом, персональном и стендовом исполнении, обеспечивая комплексный мониторинг и диагностику оборудования всех категорий опасности для предупреждения и предотвращения аварий, с возможностью измерений контролируемых параметров и их производных величин, по меньшей мере, вибрации, температуры, линейного перемещения, частоты вращения роторов машин, расстояния до контролируемой поверхности, давления жидкости или газа, уровня жидкости, силы постоянного и переменного тока, напряжения постоянного и переменного тока, параметров импульсного сигнала, вызванного акустической эмиссией, силы тока высокой частоты, вызванного частичными разрядами в изоляции электрооборудования, с помощью аппаратных платформ, обеспечивающих возможность объектно-ориентированного подхода к подконтрольному оборудованию опасных производственных и транспортных объектов, с одновременным использованием различных методов неразрушающего контроля и диагностики для разных групп оборудования, по меньшей мере, динамического, в том числе подвижного состава, и статического, при этом для управления каждой аппаратной платформой применено программное обеспечение нижнего уровня, которое передает результаты измерений в программное обеспечение верхнего уровня, реализуемое в диагностическом контроллере.
Недостатками данной системы являются низкая надежность и высокая вероятность сбоя системы, так как нет автоматической защиты от сбоев с питанием электрических конструктивных элементов, высокая вероятность аварийных ситуаций из-за отсутствия объективного контроля работоспособности собственных элементов автоматической системы диагностики, что очень актуально на сложных и опасных объектах.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание автоматизированной системы управления технологическими процессами, обеспечивающей высокую надежность работы всего цикла технологического процесса, за счет защиты от сбоев в электрическом питании оборудования и от выхода из строя элементов самой системы благодаря наличию дублирующих источников питания, возможности проверки и при необходимости замены дублирующими элементами самой системы.
Техническая задача решается автоматизированной системой управления технологическими процессами, включающей измерительный блок, состоящий из основных модулей, получающих информацию с набора соответствующих основных датчиков, функционально соединенных с подконтрольным оборудованием, и направляющих переработанную информацию с применением программного обеспечения нижнего уровня в блок мониторинга, состоящий из диагностических контроллеров - основных процессоров, перерабатывающих полученную от соответствующих модулей измерительного блока информацию для произведения при помощи программного обеспечения верхнего уровня вычисления диагностических признаков, оценки технического состояния, диагностического анализа различных комбинаций подконтрольного оборудования и соответствия его технологическому процессу, заложенному в блок управления интегрирующего и анализирующего полученную информацию от процессоров блока мониторинга, а также выполненного с возможностью генерации управляющих сигналов для регулировки технологического процесса в пределах допустимых параметров, заложенных в него, при этом любой из процессоров выполнен с возможностью при выходе данных из требуемых параметров формирования предписаний техническому персоналу с помощью экспертного модуля с набором правил и генерирования сигнала для ручных пунктов управления через блок обработки и сетевую распределенную архитектуру для визуального отображения, обеспечивающий генерацию графических представлений контролируемых параметров, их производных величин и диагностических признаков.
Новым является то, что система дополнительно оснащена как минимум одним распределителем питания, оборудованным блоками бесперебойного питания и/или генераторами постоянного и/или переменного тока, для электрического питания из электрической сети элементов системы, причем распределитель питания выполнен с возможностью автоматического переключения на элементы бесперебойного питания и/или запуска в работу генераторов тока при отключении электрического питания из сети, а основные измерительный блок, блок мониторинга снабжены дублирующими датчиками, модулями измерения и процессорами соответственно, для мониторинга работоспособности работающих датчиков, модулей измерения и процессоров при периодическом переключении на дублирующие элементы, при этом блок управления выполнен с возможностью после переключения на дублирующие элементы выполнять сравнение показаний работающих и дублирующих датчиков, модулей и процессоров на соответствие друг другу в рамках допустимой погрешности этих элементов, а также с возможностью оценки технологически связанных с этими данными измерений других датчиков, модулей и процессоров, которые прошли проверку переключением, и в случае их расхождения с измерениями работающих датчиков, модулей и процессоров, отключения работающих датчиков, модулей и процессоров, с включением в работу дублирующих датчиков, модулей и процессоров.
Новым является также то, что система оснащена одной внутренней и как минимум одной внешней зонами дислокации ручных пунктов управления, а блок обработки выполнен с возможностью генерирования параллельных сигналов, передаваемых через блок распределения сигнала сетевой распределенной архитектуры для как минимум одной внешней зоны ручных пунктов управления.
Новым является также то, что блок распределения сигнала на внешние зоны дислокации оснащен как минимум одной дублирующей линией для обеспечения надежности передачи сигнала.
Новым является также то, что блок распределения сигнала выполнен с возможностью генерации предаваемых по дублирующим линиям сигналов, управляемых программными протоколами, отличными от протоколов основной сетевой распределенной архитектуры.
На чертеже изображена принципиальная схема автоматизированной системы. Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность системы, на чертеже не показаны или показаны условно. На программное обеспечение нижнего и верхнего уровня авторы не претендуют, так как они разрабатываются под конкретные технологические процессы в зависимости от применяемых электронных элементов данной системы.
Автоматизированная система управления технологическими процессами включает в себя измерительный блок 1, состоящий из основных 2 и дублирующих 3 модулей, получающих информацию с набора 4 соответствующих основных и дублирующих датчиков (не показаны), функционально соединенных с подконтрольным оборудованием (не показано), и направляющих переработанную информацию с применением программного обеспечения нижнего уровня в блок мониторинга 5, состоящий из диагностических контроллеров - основных 6 и дублирующих 7 процессоров, перерабатывающих полученную от соответствующих модулей 2 и 3 измерительного блока 1 информацию для произведения при помощи программного обеспечения верхнего уровня вычисления диагностических признаков, оценки технического состояния, диагностического анализа различных комбинаций подконтрольного оборудования и соответствия его технологическому процессу, заложенному в блок управления 8 интегрирующего и анализирующего полученную информацию от процессоров блока мониторинга 5 по шинам 9 и 10, а также выполненного с возможностью генерации управляющих сигналов, направляемых по шине 11 к соответствующему оборудованию (не показано), для регулировки технологического процесса в пределах допустимых параметров, заложенных в него заранее согласно обслуживаемому технологическому процессу. Любой из процессоров 6 и/или 7 выполнен с возможностью генерирования сигнала для ручных пунктов управления 12 через блок обработки 13 и сетевую распределенную архитектуру 14 для визуального отображения, обеспечивающий генерацию графических представлений контролируемых параметров, их производных величин и диагностических признаков (на мониторах, принтерах, плоттерах или т.п. через блоки приемки и обработки сигнала операторов - не показаны, так как это типовые системы), а при выходе данных из требуемых параметров - формирования предписаний техническому персоналу с помощью экспертного модуля с набором правил (например, красный мигающий свет, «тревога», «поломка оборудования», «дежурная бригада на выезд» или т.п. Для защиты от сбоев в питающих электрических сетях 15 система дополнительно оснащена как минимум одним распределителем питания 16, оборудованным блоками бесперебойного питания и/или генераторами постоянного и/или переменного тока, для электрического питания из электрической сети элементов системы (не показаны, так как авторы на конструкцию и обвязку данных элементов не претендуют). Распределитель питания 16 выполнен с возможностью подачи питания на все электрические элементы системы при помощи электрических кабелей 17 и автоматического переключения на элементы бесперебойного питания и/или запуска в работу генераторов тока при отключении электрического питания из сети. Для мониторинга работоспособности работающих основных датчиков, модулей измерения 2 и процессоров 6 их периодически переключают на дублирующие соответствующие элементы 3 и 7 или для замены их на соответствующий дублирующий датчик, модуль измерения 3 и процессор 7 при выходе из строя, что определяется при переключении во время мониторинга.
При использовании автоматизированной системы на опасных объектах она может быть оснащена еще дополнительными элементами.
Для зашиты от разрыва информационной связи от измерительного блока 1 и блока мониторинга 5 система может быть оснащена одной внутренней 18 и как минимум одной внешней 19 зонами дислокации ручных пунктов управления 12. При этом блок обработки 13 выполнен с возможностью генерирования параллельных сигналов 20, передаваемых через блок распределения сигнала 21 сетевой распределенной архитектуры 14 для как минимум одной внешней зоны 19 ручных пунктов управления 12.
Блок распределения сигнала 21 на внешние зоны дислокации 19 может быть оснащен как минимум одной дублирующей линией 22 для обеспечения надежности передачи сигнала. Причем для защиты от взлома и программного нарушения передаваемой информации блок распределения сигнала 21 может быть выполнен с возможностью генерации предаваемых по дублирующим линиям 22 сигналов, управляемых программными протоколами, отличными от основной сетевой распределенной архитектуры 14.
Автоматизированная система управления технологическими процессами работает следующим образом.
После установки и отладки элементов системы ее запускают в работу, причем количество основных и дублирующих датчиков, модулей 2 и 3 и процессоров 6 и 7 соответствует необходимому количеству показателей (давление, температура, перекачиваемый объем и т.п.) для осуществления технологического процесса. Соответствующее электрическое питание на электрические и электронные элементы подают из электрической сети 15 через распределители питания 16 по кабелям 17. Получаемую от основных датчиков набора 4 информацию получают по основным каналам 23 основные модули 2 измерительного блока 1, в которых при помощи программного обеспечения нижнего уровня информация оцифровывается и в необходимом цифровом формате подается в соответствующие основные процессоры 6 блока мониторинга 5 для обработки программным обеспечением верхнего уровня. В результате производятся вычисления диагностических признаков, оценки технического состояния, диагностического анализа различных комбинаций подконтрольного оборудования и соответствия его технологическому процессу, предварительно при отладке заложенному в блок управления 8 интегрирующего и анализирующего полученную информацию от основных процессоров 6 блока мониторинга 5 по шинам 9 и 10. После обработки информации блок управления 8 генерирует и подает соответствующие управляющие сигналы по шине 11 на оборудование, регулирующее соответствующий показатель, для поддержания технологического процесса в заданном допустимом диапазоне.
Например, допустимый диапазон температур в газовой емкости (не показана) составляет 213±2°С, датчик температур набора 4 показывает, что температура составляет 212°С и показывает динамику к снижению, этот сигнал по каналу 23 оцифровывается в основном модуле 2 измерительного блока 1, подается на основной процессор 6, где обрабатывается с учетом динамики, сверяясь по шинам 9 и 10 с заложенными в блок управления 8 оцифрованными показателями. По результатам обработки блок управления 8 подает сигнал по шине 11 на открытие задвижки, подающей топливо (например, газовоздушную смесь) в нагревающий котел (не показан). После повышения температуры в пределах 213+2°С, блок управления постепенно перекрывает задвижку, подающей топливо в нагревающий котел, до стабилизации температуры в заданных пределах - 213±2°С.
Все сигналы с блока моделирования также направляются через сетевую распределенную архитектуру 14 и блок обработки 13 на ручные пункты управления 12, где информация перерабатывается и подается техническому персоналу, обслуживающему технологическое оборудование, в наглядном виде визуального отображения, что обеспечивается генерацией графических представлений контролируемых параметров, их производных величин и диагностических признаков.
Периодически блок управления 8 по кабелям 9 и 10 подает сигнал на смену основных датчиков, модулей 2 и процессоров 6, запоминая их последние показатели, на дублирующие датчики, модули 3 и процессоры 7, получающих информацию по дублирующему каналу 24. Если показания дублирующих элементов 3 и 7 совпадают с последними показаниями соответствующих основных элементов 2 и 6, то блок управления 8 подает сигнал вернуть в работу основные датчики, модули 2 и процессоры 6, отключив дублирующие датчики, модули 3 и процессоры 7. Значит все датчики, модули 2 и 3 и процессоры 6 и 7 прошли поверку.
Если показания соответствующих основных и дублирующих датчиков, модулей 2 и 3 и процессоров 6 и 7 на соответствуют друг другу в рамках допустимой погрешности этих элементов системы (определяется по паспорту поставляемого элемента), блок управления 8 автоматически оценивает технологически связанные с этими данными измерениями других датчиков, модулей 2 и 3 и процессоров 6 и 7, которые прошли поверку переключением. Например, в газовой емкости, в которой осуществляется изохорный процесс (так как емкость герметично закрыта), основной датчик давления через основные модуль 2 и процессор 6 показывает рост давления, а дублирующие датчик, модуль 3 и 7 показывают, что давление остается без изменений, тогда блок управления 8 «опрашивает» датчики давления через основные и дублирующие модули 2 и 3 и процессоры 6 и 7, которые показали неизменность температуры в емкости. Так как вероятность выхода одновременно нескольких датчиков практически равна нулю, то блок управления отключается основные датчик давления, модуль 2 и процессор 6, включая в работу дублирующие датчик давления, модуль 3 и процессор 7. При этом блок мониторинга 5 формирует предписания, передаваемые при помощи сетевой распределенной архитектуры 14 через блок обработки 13 в ручные пункты управления 12, техническому персоналу, требующие замены вышедших из строя основных датчика давления, модуля 2 и процессора 6, например, миганием на мониторе вышедших из строя элементов с мигающей надписью «внимание». После замены техническим персоналом вышедших из строя элементов, новые элементы включаются в работу как дублирующие. В результате технологический процесс идет без сбоев и без остановки.
При технологическом процессе для опасных производств периодические переключения для поверки основных датчиков, модулей 2 и процессоров 6 производятся чаще, чем на безопасном, не приводящим к катастрофическим последствиям. Например, при переработке нефти и/или газа подобные поверки производятся один раз в час - полтора, а для элеваторов - одни раз в 2 - 3 дня без риска несоблюдения технологических параметров. В каждом конкретном случае периоды поверки выбираются исходя из конкретного типа технологических операций на основании расчетом и/или эмпирическим способом (авторы на это не претендуют).
Для опасных производств рекомендуется минимизация нахождения людей в опасных зонах, для этого систему оснащают одной внутренней 18, играющей роль резервной в случае выходи из строй других зон, и как минимум одной внешней 19 зонами дислокации ручных пунктов управления 12. Зоны дислокации 18 и 19 ручных пунктов управления 12 получают аналогичные сигналы от блока мониторинга 5 по сетевой распределенной архитектуре 14 через блок обработки 13. При этом внешние зоны дислокации 19 получают сигналы через блок распределения сигнала 21 сетевой распределенной архитектуры 14, связанный с блоком мониторинга 5 параллельными одинаковыми сигналами 20, генерируемыми блоком обработки 13, например, по параллельным оптико-волоконным кабелям или бронированным кабелям (показаны условно). При выходе одного кабеля с сигналом 20 из строя, например, при обрыве одного кабеля, окисления контактов соединения и/или т.п., работоспособность системы не нарушится, однако будет сгенерирован блоком обработки 13 сигнал, который передается при помощи сетевой распределенной архитектуры 14 в ручные пункты управления 12, техническому персоналу, требование проведения ремонтных работ на одном из кабелей, например, миганием на мониторе вышедшего из строя кабеля с мигающей надписью «авария на кабеле». При этом дежурный технический персонал на время ремонта (чтобы исключить полную потерю связи с автоматизированной системой) перемещается во внутреннюю зону дислокации 18. После замены техническим персоналом вышедших из строя элементов, дежурный технический персонал из внутренней зоны дислокации 18 переводится в любую внешнюю зону дислокации 19 (определяется из критерия технологической необходимости руководством предприятия). Таким образом полностью защищая от потери работоспособности всю автоматизированную систему.
Для связи с другими службами предприятия автоматизированная система через модем 25 может быть соединена кабелем 26 или радиолинией (не показана) с общей сетью (не показана - такие соединения известны, авторы на это не претендуют). При этом существует риск преднамеренного или непреднамеренного (вирус или нечаянно персоналом из общей сети) взлома передающих протоколов передачи данных. Поэтому для исключения нарушения работоспособности внешних зон дислокации 19 ручных пунктов управления 12 (только они имеют связь с общей сетью) блок распределения сигнала 21 на внешние зоны дислокации 19 оснащают как минимум одной дублирующей линией 22 для обеспечения надежности передачи сигнала. Причем для защиты от взлома и программного нарушения передаваемой информации блок распределения сигнала 21 выполнен с возможностью генерации предаваемых по дублирующим линиям 22 сигналов, управляемых программными протоколами (например, ICSPNet), отличными от протоколов (например, PIN) основной сетевой распределенной архитектуры 14. При попытке изменения протокола сетевой распределенной архитектуры 14 (определяется несоответствием получаемых данных по линиям сетевой распределенной архитектуры 14 и дублирующим линиям 22) модем 25 отключается, а передача данных от распределителя сигнала 21 идет по одной из дублирующих линий 22. При этом генерируется и передается при помощи сетевой распределенной архитектуры 14 и одной из дублирующих линий 22 в ручные пункты управления 12, техническому персоналу, требование проведения устранения последствий воздействия основной протокол передачи, например, миганием на мониторе изображения модема 25 с мигающей надписью «попытка программного взлома». При этом дежурный технический персонал на время устранения программных неполадок (чтобы исключить полную потерю связи с автоматизированной системой) перемещается во внутреннюю зону дислокации 18. После устранения внешнего воздействия и проверки всей сетевой распределенной архитектуры 14 дежурный технический персонал из внутренней зоны дислокации 18 переводится в любую внешнюю зону дислокации 19. Таким образом полностью защищая от сбоев всю автоматизированную систему.
В случаях, когда происходят сбои в подаче электрического питания, в одной из электрических сетей 15 в соответствующем распределителе питания 16 автоматически реле (не показаны) отключают эту сеть 15 и подключают элементы бесперебойного питания и/или запускают в работу генераторов тока, передавая соответствующим электрические элементы системы при помощи электрических кабелей 17. Так же полностью защищая от выхода из строя всю автоматизированную систему.
Прилагаемая автоматизированная система управления технологическими процессами обеспечивает высокую надежность работы всего цикла технологического процесса за счет защиты от сбоев в электрическом питании оборудования и от выхода из строя элементов самой системы, благодаря наличию дублирующих источников питания и возможности проверки и при необходимости автоматической замены дублирующими элементами самой системы.