Разработка автоматизированного рабочего места по контролю параметров безопасности тепловых энергоустановок

УДК 614.87

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА ПО КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРОВ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

А.Е. Авдюшина, А.В. Звягинцева

В работе рассматриваются вопросы разработки автоматизированного рабочего места системы контроля параметров тепловых энергоустановок. Внедрение данной системы позволит свести к минимуму вероятность принятия ошибочного решения в случае возникновения чрезвычайной ситуации

Ключевые слова: энергоустановки, безопасность, автоматизированная система контроля

Несмотря на развитие технологий, множество предприятий в РФ еще используют устаревшие системы контроля безопасности и оповещения. Большинство из них, к тому же, долгие годы оставалась без необходимого ремонта и требует практически полной замены. Физический и моральный износ теплоэнергетического оборудования и сетей в совокупности с постоянным ростом нагрузки на них приводит к тому, что энергосистемы в настоящее время эксплуатируются на пределе своих возможностей. Все это говорит о необходимости модернизации систем обеспечения безопасности на тепловых энергоустановках, что позволит осуществлять более детальный мониторинг системы и принимать более обоснованные управленческие и оперативные решения, особенно в переходных режимах и экстремальных (аварийных) ситуациях.

Перечислим основные требования, предъявляемые к современной системе обеспечения безопасности тепловых энергоустановок:

- система должна позволять в реальном времени контролировать параметры безопасности энергоустановки;

- все контролируемые параметры должны быть визуально представлены оператору на экране монитора;

- система должна хранить историю изменения каждого из контролируемых параметров;

- по запросу оператора система должна выдавать отчет о состоянии контролируемых параметров за указанный промежуток времени;

- в случае угрозы возникновения чрезвычайной ситуации система должна информировать оператора об этом и предлагать оптимальный вариант решения проблемы;

- в случае угрозы жизням людей система должна самостоятельно подавать команду эвакуации персонала из зоны риска.

Как видно из этих требований, разрабатываемая система должна осуществлять достаточно сложную обработку поступающих данных о значениях контролируемых параметров. Следовательно, в ее структуру должно входить современное средство

Авдюшина Анна Евгеньевна - ВГТУ, студент, тел. (4732) 25-04-77, E-mail: 1307fox@ma.i1m Звягинцева Алла Витальевна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 52-19-39

вычислительной техники (ЭВМ), а сама система должна иметь как аппаратную, так и программную составляющую. На рис. 1 представлена укрупненная структурная схема разрабатываемой системы.

Рис. 1. Укрупненная структурная схема разрабатываемой системы

Здесь аппаратная часть системы отвечает за измерение контролируемых параметров энергоустановки, программная - за анализ результатов этих измерений. Шина данных обеспечивает передачу результатов измерения в ЭВМ и трансформацию их в вид, пригодный для программного анализа.

Структура аппаратной составляющей системы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура аппаратной части системы

Как видно из этого рисунка, аппаратная часть системы состоит из ЭВМ и подсистем мониторинга и оповещения.

Подсистема мониторинга отвечает за измерение контролируемых параметров и передачу результатов измерений в ЭВМ.

Подсистема оповещения предназначена для оповещения персонала об угрожающей опасности по сигналу от управляющего компьютера.

ЭВМ осуществляет управление всей системой, принимая сигналы от подсистемы мониторинга, осуществляя их обработку и анализ и управляя системой оповещения персонала. Обработка приходящих от системы мониторинга данных производится с помощью специального программного обеспечения, являющегося другой частью разрабатываемой системы. [1]

Структура подсистемы мониторинга представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема подсистемы мониторинга

Для обеспечения достаточно высокого уровня безопасности система должна контролировать следующие параметры:

- температура и давление газа на входе в топку;

- расход газа на входе;

- давление воздуха на входе в топку;

- давление питательной воды на входе;

- температура в линии отвода продуктов сгорания;

- давление в котле;

- расход в магистральном водопроводе;

- авария котлоагрегата;

- давление в магистральном трубопроводе горячего водоснабжения;

- температура в магистральном трубопроводе горячего водоснабжения;

- загазованность в технологическом помещении

котельн°йЭнергоустановка

Необходимые1 для реализации подсистемы мониторинга датчики являются стандартными для данной отрасли и во множестве представлены на рынке промышленных измерительных приборов. Таким образом, необходимо выбрать те из них, которые удовлетворяют условиям разрабатываемой системы, а именно:

- позволяют производить непрерывные измерения в условиях котельной;

- имеют стандартный интерфейс для подключения к ЭВМ.

Подсистема оповещения предназначена для уведомления персонала о возникшей опасности. В случае возникновения угрозы жизням и здоровью людей управляющая ЭВМ подает сигнал, и подсис-

тема оповещения сообщает о необходимости срочной эвакуации.

Таким образом, подсистема оповещения представляет собой набор громкоговорителей и усилителей, подключенных к управляющей ЭВМ. При этом расположение громкоговорителей необходимо выбирать так, чтобы сигнал тревоги охватывал всю зону риска. Так как в случае аварии не только может быть разрушена сама котельная, но и могут пострадать прилегающие к ней территории, то громкоговорители подсистемы оповещения должны быть расположены не только внутри помещения котельной, но и вне его.

При проектировании подсистемы оповещения необходимо учитывать, что котельная находится на территории завода в промышленном районе города, и, следовательно, уровень шума на улице достаточно большой. Это означает, что громкоговорители, расположенные вне помещения котельной, должны выдавать звуковой сигнал большой мощности, превышающей уровень индустриального шума. Кроме того, уличные громкоговорители должны удовлетворять требованиям повышенной надежности, выдерживать перепады температуры и влажности. Внутри помещения такие требования к громкоговорителям не предъявляются, а слишком высокая мощность звукового сигнала может оказаться негативным фактором.

Структурная схема подсистемы оповещения представлена на рис. 4.

<1

О

-<]

<1

-пС]

-<]

2 Рис. 4. Структура подсистемы оповещения

Как видно из этого рисунка, звуковой сигнал с выхода управляющей ЭВМ подается на два усилителя. Первый («Усилитель 1») является более мощным, сигнал с его выхода подается на уличные громкоговорители. Сигнал со второго усилителя |(«Усилитель 2»), обладающий меньшей мощностью^ » « подается на громкоговорители, расположенные^© ІVI помещении котельной.

Как и в случае датчиков подсистемы мониторинга, рынок предлагает огромное количество Даткомнлектующих, на основе которых можно построить подсистему оповещения персонала. [2]

Структурная схема программного обеспечения системы представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура программной части системы

Как видно, из этого рисунка, специальное программное обеспечение для разрабатываемой системы состоит из сЛеДУЮщих'фуйкпЯЬнальных блоков: ввода/вывода

- подсистемы ввода/вывода;

- системы поддержки принятия решений

- базы данных;

- подсистемы формирования отчетов;

- интерфейса пользователя.

Подсистема ввода/вывода предназначена для приема данных от подсистемы мониторинга и преобразования их в вид, удобный для дальнейшего анализа и хранения. Кроме того, в задачи этой подсистемы входит подача сигнала подсистеме оповещения, по которому начинается вещание сообщения об угрозе здоровью персонала.

Реализация подсистемы ввода/вывода данных зависит от интерфейса, используемого подсистемой мониторинга для передачи данных в управляющую ЭВМ. Если для вывода сигнала на усилители подсистемы оповещения проще и надежнее всего использовать линейный выход звуковой карты ЭВМ, то сигналы с датчиков подсистемы мониторинга могут поступать несколькими способами: по COM, LPT или USB интерфейсам.

База данных является универсальным хранилищем информации в разрабатываемой системе. В ней содержатся следующие группы данных:

- конфигурация системы - описание набора контролируемых параметров и граничные значения для каждого из них;

- методы устранения возможных нештатных ситуаций на энергоустановке;

- значения контролируемых параметров за все время работы системы;

- настройки пользовательского интерфейса.

Необходимо заметить, что данные от подсистемы мониторинга поступают в базу данных параллельно с тем, как они поступают в СППР для анализа. В случае возникновения нештатной ситуации это позволит установить ее причины, а в случае возникновения неисправности в одном из модулей программного обеспечения - не приведет к потере данных. [4]

Хотя система поддержки принятия решений в разрабатываемой системе достаточно простая, она является центральным элементом системы [3]. В функции СППР входит:

- анализ данных, приходящих от датчиков подсистемы мониторинга;

- оповещение оператора о возникшей нештатной ситуации;

- выработка оптимального метода устранения неисправности;

-1 НпШЭУё «решения о включении подсистемы опбвешейия персонала.

ПОЛЬЗСПреШания, предъявляемые к СППР, входящей в систему обеспечения безопасности тепловых энергоустановок:

- контроль измеряемых параметров энергоустановки должен происходить в реальном времени, так как любые задержки могут привести к тому,

что чрезвычайная ситуация станет невтЗрЯтимабМЭ

- СППР должна быть достаточно гибкой: должна быть ["возможность изменен ияс^нфмурамш Н И Я датчиков, их количества и типа, и такоесизмере-В

ние не должно повлечь полной перестройки системы.

Первое требование, по сути, накладывает ограничения снизу на производительность ЭВМ, которая используется в качестве управляющего компьютера и на которую устанавливается про-храммная составляющая системы. ьаза |ВМроеЫребование напрямую относится к архитектуре разрабатываемого программного обеспечения. Ее нужно разрабатывать так, чтобы конфигурация СППР задавалась извне, например хранилась в файле настройки или в базе данных. Таким образом, при изменении конфигурации аппаратной составляющей разрабатываемой системы необходимо будет только внести изменения в настройки, а изменения программных модулей не потребуется.

Разумнее всего при этом все настройки хранить в базе данных. Там же должны размещаться и описание

Блок-схема алгоритма работы системы поддержки принятия решений представлена на рис. 6.

Рис. 6. Алгоритм работы СППР

Как видно из этого рисунка, после включения системы начинается бесконечный цикл опроса датчиков подсистемы мониторинга. Если при очередном опросе показания одного или нескольких датчиков выходят за допустимые границы - система фиксирует неисправность и запускает алгоритм ее

устранения. Первым этапом этого алгоритма является анализ неисправности - система определяет причину возникшей неисправности и ее возможные последствия. Если в результате возникшей неисправности риску подвергаются жизни рабочих - происходит включение системы оповещения персонала, начинается его эвакуация с территорий, подверженных опасности. После этого СППР, в соответствии с описанием возникшей неисправности, извлекает из базы данных способы ее устранения. В общем случае таких способов может быть несколько, каждый из них характеризуется набором параметров: скоро -стью устранения проблемы, надежностью, побочными эффектами и т. п. После того, как сформирован список методов решения проблемы, он выводится на экран монитора оператора, при этом вариант с максимальной надежностью и минимальным риском для персонала отмечается как рекомендуемый системой поддержки принятия решений. После этого система, не дожидаясь действий оператора, переходит к следующему циклу опроса датчиков.

Таким образом, при использовании СППР оператору своевременно предоставляется не только информация о появлении нештатной ситуации, но и ее причина, а также оптимальный метод ее устранения.

Подсистема формирования отчетов предназначена для формирования отчетов по результатам контроля параметров энергоустановки. Такие отчеты могут требоваться как внутри предприятия, так и для предъявления вышестоящим контролирующим инстанциям. Таким образом, подсистема формирования отчетов должна обеспечивать выполнение следующих требований:

- формировать отчеты по результатам контроля значений параметров безопасности тепловой энергоустановки за указанный промежуток времени;

- отчеты должны формироваться в стандартной форме: в виде файлов MS Word, MS Excel, PDF, HTML, TXT;

- должна присутствовать возможность вложить сформированный отчет в письмо и отправить по электронной почте (возможно, необходимо предусмотреть автоматизацию этой функции - подсистема формирования отчетов может сама отправлять письмо с отчетом на указанный адрес по заранее заданному временному графику, например в последний день месяца может отправляться отчет за прошедший месяц);

- так как формы вывода отчетов могут различаться в зависимости от назначения, то подсистема формирования отчетов должна поддерживать пользовательские шаблоны;

- должна присутствовать возможность распечатать сформированный отчет на принтере.

Таким образом, существование подсистемы формирования отчетов призвано прежде всего облегчить труд оператора системы обеспечения безопасности, позволив ему сосредоточиться на своих основных обязанностях.

Интерфейс пользователя предназначен, прежде всего, для отображения оператору системы

максимально полной информации о текущем состоянии контролируемых параметров.

В случае возникновения нештатной ситуации интерфейс пользователя должен обеспечить максимально быстрое понимание оператором причин произошедшего и способов устранения неисправности.

Кроме того, интерфейс пользователя должен предоставлять доступ к остальным функциям системы, таким как:

- формирование отчетов;

- резервное копирование и очистка содержимого базы данных;

- изменение конфигурации системы;

- изменение настроек пользовательского интерфейса.

Внешний вид главного окна программы, реализующей интерфейс пользователя разрабатываемой системы, в режиме контроля параметров приведен на рис. 7.

параметров

Как видно из этого рисунка, интерфейс пользователя позволяет оператору полностью контролировать ситуацию в котельной. Для всех котлов приведен полный список контролируемых параметров, для каждого из них есть возможность отобразить график изменения с течением времени (в приведенном на рисунке случае отображается график изменения давления в котле). В случае возникновения нештатной ситуации (в данном случае - отсутствия пламени в котле номер 3) оператору выдается сообщение, содержащее рекомендации по устранению неисправности. В этом же сообщении указывается необходимость эвакуации персонала.

Такая структура системы позволяет в значительной мере автоматизировать контроль за параметрами энергоустановки. Как и любая автоматическая система слежения за параметрами некоторого сигнала, данная система будет характеризоваться следующими параметрами:

РЛТ - вероятность ложной тревоги, определяет

вероятность того, что система сообщит о возникновении нештатной ситуации, которой на самом деле нет;

РП - вероятность пропуска, определяет вероятность того, что нештатная ситуация не будет распознана системой.

Если считать, что СППР реализована верно и учитывает все возможные нештатные ситуации, а вероятность выхода из строя ЭВМ ничтожно мала, то эти характеристики определяются соответствующими характеристикам используемых в подсистеме мониторинга датчиков. Как известно из теории вероятности, вероятность появления хотя бы одного из независимых событий равна разности между единицей и произведением вероятностей противоположных исходным событий. Таким образом, мы получим:

РлТ = 1 -ПО - РЛТП ),

Т

рп=1 -По - рпп)

П=1

Так как параметры используемых датчиков известны (они входят в описание изделия производителем), то используя формулы (1) можно определить основные характеристики разрабатываемой системы. Для их улучшения на завершающем этапе разработки возможно проведение математического моделирования. [5]

Внедрение систем обеспечения безопасности, подобных описанной выше, позволит существенно снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций на тепловых энергоустановках. Наличие в ней разветвленной системы датчиков позволяет выявить возникающие проблемы на ранних стадиях, а алгоритм работы СППР предоставляет оператору не только информацию о возникновении нештатной ситуации, но и ее вероятную причину, а также рекомендуемый оптимальный способ ее устранения. Все это сводит к минимуму влияние человеческого фактора на процесс принятия решения, что в свою оче-

редь снижает вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций на тепловых энергоустановках [7].

Литература

1. Гринберг А.С., Горбачев Н.Н., Бондаренко А.С. Информационные технологии управления: Учеб. пособие для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 479 с.

2. Белинов С. В., Зайцев А. А. Современные информационные технологии. - М.: Инфра-М, 2003.- 450 с.

3. Звягинцева А.В., Авдюшина А.Е. Системы под-

держки принятия решений в прогнозировании ЧС на тепловых энергоустановках // Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения. Гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг: сб. науч.-метод. материалов - Воронеж: Военный авиационно-инженерный университет, 2009. -

Вып. 32. Ч. 1. С. 113-116.

4. Каратыгин С.Н. Базы данных: простейшие средства обработки информации; системы управления базами данных. - М.: АВЕ, 2002.- 370 с.

5. Кривко О.Б. Информационные технологии принятия решений. - М.: СоМиНТЭК, 2002.- 274 с.

6. Звягинцева А.В., Авдюшина А.Е. Автоматизированная система контроля параметров безопасности тепловых энергоустановок // Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях: материалы IV Меж-дунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. IV. -С. 44-47.

7. Звягинцева А.В., Авдюшина А.Е. Современные информационные технологии в процессе принятия решений в чрезвычайных ситуациях, возникающих на тепловых энергоустановках. // Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: Научная книга, 2009. - С. 363-364.

Воронежский государственный технический университет

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED WORKSTATION FOR CONTROL PARAMETERS OF THERMAL POWER PLANTS

A.E. Avdushina, A.V. Zvyagintseva

The work deals with the development of automated job control system parameters of thermal power plants. Implementation of this system will minimize the chance of taking an incorrect decision in the case of an emergency

Key words: thermal power plants, security, automated control system