Способ мониторинга оборудования автоматизированной системы управления технологическими процессами
METHOD FOR MONITORING THE EQUIPMENT OF AN AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEM

[01] Область техники
[02] Изобретение относится к способам мониторинга работы автоматизированных систем управления технологических процессов, и может быть использовано в электротехнике в системах мониторинга оборудования объектов.
[03] Уровень техники
[04] Существующие системы мониторинга первичного и вторичного оборудования промышленных объектов представлены в виде автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и системами сбора и передачи технологической информации (ССПИ). Существующие АСУТП и ССПИ предназначены для сбора и представления эксплуатационному персоналу информации о текущем состоянии технологической схемы управляемого технологического процесса, измерениях технологических параметров первичного оборудования, диагностической информации о вторичном оборудовании объекта управления.
[05] Системы мониторинга требуют проведения проектных и пуско-наладочных работ при изменении состава первичного и вторичного оборудования, при изменении распределения функций автоматики между контроллерами управления. Такой подход является оправданным в условиях непосредственного ввода измерительных цепей в устройства автоматики, но ограничивает внедрение автоматических систем управления, осуществляющих обмен значениями измерений с использованием локальной вычислительной сети с организацией полевой шины передачи данных.
[06] В настоящее время комплексы мониторинга автоматизированных систем выполняются в соответствии с техническими требованиями к автоматизированному мониторингу устройств РЗА (СТО 34.01-4.1-007-2018), в том числе работающих по стандарту МЭК 61850 от 23.03.2018 для электроэнергетических объектов, и аналогичных стандартов (СТО Газпром 097-2011 «Автоматизация. Телемеханизация. Автоматизированные системы управления технологическими процессами добычи, транспортировки и подземного хранения газа. Основные положения») для других отраслей промышленности.
[07] Однако настоящие стандарты должны быть пересмотрены в случаях ввода в действие новых нормативно-правовых актов, технических регламентов и национальных стандартов, содержащих требования, не учтенные в данных стандартах, а также при необходимости включения новых требований и рекомендаций, обусловленных развитием техники с получением технических результатов.
[08] В рамках указанных стандартов не рассматривается мониторинг систем автоматики с перераспределением функций между физическими устройствами (контроллерами управления), однако в долгосрочной перспективе может возникнуть необходимость в модернизации принципов построения и расчета параметров работы систем автоматики.
[09] В качестве наиболее близкого аналога рассматриваемого решения выбран способ мониторинга АСУТП, описанный в патенте США US9383735, 05.07.2016. Способ может быть реализован с использованием системы, которая включает распределенные контроллеры, координационные контроллеры, устройства сбора информации (шлюзы, концентраторы и т.д.), а также верхний уровень автоматизированной системы (WACSA и SCADA). Известный способ может предусматривать следующие операции: мониторинг запущенных функций автоматики распределенных контроллеров, управление с помощью координационных контроллеров запуском функций автоматики в соответствующем распределенном контроллере, формирование с помощью вычислительных модулей распределенного контроллера информационной модели, а также ее корректировка в соответствии с выполняемыми функциями контроллера.
[010] Недостатком указанного аналога, а также других существующие решений, например, SCADA системы Siemens WinCC, ABB РСМ600 и является отсутствие возможности динамического информирования об изменении состава функций, выполняемых контроллерами управления в данный момент времени.
[011]
[012] Раскрытие сущности изобретения
[013] Основной технической проблемой, на решение которой направлено рассматриваемое изобретение, является невозможность качественного мониторинга системы автоматики с гибкой функциональной архитектурой.
[014] Техническим результатом изобретения является возможность динамического мониторинга системы автоматики с гибкой функциональной архитектурой. Дополнительным техническим результатом является возможность динамического построения мнемокадров (мнемосхемы) состояния системы.
[015] Для решения технической проблемы и достижения указанного результата предлагается способ мониторинга оборудования автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП), которая включает контроллеры управления, снабженные основным и дополнительным вычислительными модулями, устройства ввода-вывода, связанные с контроллерами управления, и устройство сбора информации, связанное с контроллерами управления и снабженное основным и дополнительным вычислительными модулями. Для достижения приведенного технического результата способ предусматривает следующие операции: в каждом контроллере управления посредством дополнительного вычислительного модуля осуществляют мониторинг запущенных на основном вычислительном модуле функций автоматики; посредством дополнительного вычислительного модуля в устройствах сбора информации проводят реконфигурацию алгоритмов сбора информации с контроллеров управления; посредством дополнительного вычислительного модуля контроллеров управления определяют один или несколько контроллеров управления, которые будут выполнять функции автоматики, относящиеся к каждому устройству ввода-вывода; посредством дополнительного вычислительного модуля контроллеров управления передают в устройство сбора информации сообщение с перечнем функций автоматики выполняемых в контроллерах управления; посредством дополнительного вычислительного модуля контроллеров управления изменяют информационную модель основного вычислительного модуля контроллеров управления для приведения ее в соответствие с выполняемыми функциями автоматики; посредством дополнительного вычислительного модуля в устройстве сбора информации получают сообщение от дополнительного вычислительного модуля контроллеров управления с информацией о распределении функций автоматики по контроллерам управления и передают сообщение с запросом информационной модели в контроллер управления; посредством контроллера управления передают обновленную информационную модель в дополнительный вычислительный модуль устройства сбора информации; посредством дополнительного вычислительного модуля в основном вычислительном модуле устройства сбора информации изменяют таблицу соответствия сигналов мониторинга контроллеров управления и распределения функций автоматики по контроллерам управления и информационными моделями контроллеров управления; передают из дополнительного вычислительного модуля устройства сбора информации на верхний уровень АСУТП данные о текущем распределении функций автоматики по контроллерам управления.
[016] Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что:
[017] - по данным о текущем распределении функций автоматики по контроллерам управления осуществляют динамическое построение мнемокадров;
[018] - в качестве контроллеров управления используют интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ);
[019] - в качестве устройства сбора информации используют шлюз телемеханики или концентратор данных;
[020] - в качестве устройств ввода-вывода используют устройства связи с объектом (УСО).
[021] Краткое описание чертежей
[022] Изобретение поясняется фигурами, где:
[023] На фиг. 1 показан пример схемы АСУТП, обеспечивающей реализацию заявленного способа, в нормальном режиме работы,
[024] На фиг. 2 показан пример схемы АСУТП, обеспечивающей реализацию заявленного способа, при отказе одного контроллера.
[025] Элементы на фигурах обозначены следующими позициями:
1 - контроллер управления;
2 - основной вычислительный модуль контроллера управления;
3 - дополнительный вычислительный модуль контроллера управления;
4 - устройство ввода-вывода;
5 - контролируемое оборудование
6 - устройство сбора информации;
7 - основной вычислительный модуль устройства сбора информации;
8 - дополнительный вычислительный модуль устройства сбора информации;
9 - шина станции;
10 - шина процесса;
11 - верхний уровень АСУТП;
12 - диспетчерский центр;
13 - функции автоматики.
[026] Осуществление изобретения
[027] Заявленный способ реализуется посредством АСУТП, включающей контроллеры управления (1), устройства ввода-вывода (4) и устройство сбора информации (6).
[028] Каждый контроллер управления (1), содержит взаимодействующие между собой основной вычислительный модуль (7) и дополнительный вычислительный модуль (8). При этом контроллеры (1) подключены к соответствующим устройствам ввода-вывода (4) через шину процесса (10). В качестве контроллеров управления (1) могут использоваться, в частности, интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ).
[029] Устройства ввода-вывода (4) подключены к контролируемому оборудованию (5) системы. Указанные устройства (4) могут представлять собой устройства связи с объектом (УСО).
[030] Устройство сбора информации (6) содержит взаимодействующие между собой основной вычислительный модуль (7) и дополнительный вычислительный модуль (8). Устройство (6) связано с контроллерами управления (1) через шину станции (9) и также имеет возможность передачи данных на верхний уровень АСУТП (11) и в диспетчерский центр (12). Устройство сбора информации (6) может представлять собой шлюз телемеханики или концентратор данных.
[031] Способ реализуется следующим образом.
[032] В контроллерах управления (1) с помощью дополнительного вычислительного модуля (3) осуществляют мониторинг запущенных на основном вычислительном модуле (2) функций автоматики (13). В устройстве сбора информации (6) запускают дополнительный вычислительный модуль (8), предназначенный для реконфигурации алгоритмов сбора информации с контроллеров управления.
[033] Далее посредством дополнительных вычислительных модулей (3) контроллеров управления (1) определяют один или несколько контроллеров управления (1), которые будут выполнять функции автоматики (13), относящиеся к каждому устройству ввода-вывода (4). Кроме того, посредством дополнительных вычислительных модулей (3) контроллеров управления (1) передают в устройство сбора информации (6) сообщение с перечнем функций автоматики (13), выполняемых в контроллерах управления (1).
[034] Затем дополнительным вычислительным модулем (3) контроллера управления (1) изменяют информационную модель основного вычислительного модуля (2) контроллера управления (1) для приведения ее в соответствие с выполняемыми функциями автоматики (13).
[035] Через дополнительный вычислительный модуль (8) в устройстве сбора информации (6) получают сообщение от дополнительного вычислительного модуля (3) контроллера управления (1) с информацией о распределении функций автоматики (13) по контроллерам управления (1). После этого дополнительным вычислительным модулем (8) в устройстве сбора информации (5) передают сообщение с запросом информационной модели в контроллер управления (1), который передает обновленную информационную модель в дополнительный вычислительный модуль (8).
[036] Затем дополнительный вычислительный модуль (8) в устройстве сбора информации (6) изменяет таблицу соответствия сигналов мониторинга контроллеров управления в основном вычислительном модуле (7) устройства сбора информации (6) в соответствии с распределением функций автоматики (13) по контроллерам управления (1) и информационными моделями контроллеров управления (1).
[037] Далее дополнительный вычислительный модуль (8) в устройстве сбора информации (6) передает сигналы о текущем распределении функций автоматики (13) по контроллерам управления на верхний уровень АСУТП (11). Указанная информация используется для динамического построение мнемокадров (мнемосхемы), наглядно отображающих текущее состояние системы управления.
[038] Описанный выше способ позволяет в любом режиме производить перенастройку параметров работы систем мониторинга устройств автоматики с помощью обмена информацией между устройствами ввода-вывода (4), контроллерами управления (1) и устройством сбора информации (6), что обеспечивает качественный мониторинг системы автоматики с гибкой функциональной архитектурой и дает возможность динамического построением мнемокадров состояния системы.
[039] Ниже приведен пример реализации изобретения.
[040] В качестве примера рассматривается система релейной защиты и автоматизированного управления на электрической подстанции. В качестве контроллеров управления (1) выступают интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ, IED согласно стандарту МЭК 61850), реализованные на базе специализированных микропроцессорных устройств, промышленных компьютеров или серверов. Примерами таких устройств являются ARTS 2305 (https://prosoftsvstems.ru/catalog/show/mnogofunkcionalnyi-terminal-relejnoj-zaschity-i-avtomatiki-6-35-kv-2305-2308, централизованная релейная защита и автоматика (РЗА) компании Релематика (https://relematika.ru/upload/iblock/eb2/eb2560a8aff9e9fd441fd2f739a0297e.pdf) и др.).
[041] Управляемое и контролируемое оборудование (5) на электрической подстанции представлено силовым электротехническим оборудованием: выключатели, разъединители, силовые трансформаторы и автотрансформаторы, электрические шины, шунтирующие реакторы, батареи статических конденсаторов, измерительные трансформаторы тока и напряжения и др. В качестве примера реализации способа рассмотрена часть схемы электрической подстанции, состоящая из одной шины и двух присоединений линий электропередач, включающих выключатели, разъединители, трансформаторы тока и заземляющие разъединители (см. фиг. 1)
[042] Для обеспечения защиты и автоматизированного управления оборудованием в качестве устройств ввода-вывода (4) устанавливаются устройства связи с объектом (УСО, MU в соответствии со стандартом МЭК 61850). УСО предназначены для непосредственного подключения к измерительным устройствам (трансформаторы тока и напряжения) и электрическим цепям контроля и управления контролируемого оборудования (цепи управления приводом выключателя, контакты положения выключателей и разъединителей). УСО осуществляет прием и обработку аналоговых и дискретных сигналов, выполняя таким образом функции устройств ввода-вывода, и передачу информации на шину процесса (process bus, сеть передачи данных полевого уровня в соответствии со стандартом МЭК 61850) по протоколам GOOSE и SV.
[043] Основной вычислительный модуль (2) контроллеров управления (1) (ИЭУ) подключен одним сетевым интерфейсом к шине процесса (10) для приема измерений и состояния оборудования, а другим сетевым интерфейсом к шине станции (9) (station bus) для передачи данных между контроллерами (1) (ИЭУ) по протоколу GOOSE и от контроллера (1) (ИЭУ) к системе управления верхнего уровня АСУТП (11) по протоколу MMS в соответствии со стандартом МЭК 61850-8-1. Шина станции (9) и шина процесса (10) представляют собой дублированные комплекты коммутаторов Ethernet.
[044] Контроллеры (1) (ИЭУ) посредством основного вычислительного модуля (2) выполняют функции защиты и автоматики (13) для обеспечения надежной работы силового электротехнического оборудования подстанции: функции релейной защиты (максимальная токовая защита дифференциальная защита, дистанционная защита и др.), функции автоматики (автоматическое повторное включение, определение места повреждения и др.), функции автоматизированного управления (автоматизированное управление выключателем, оперативная блокировка разъединителей и др.).
[045] В рассмотренном примере (фиг. 1) на каждом присоединении установлены по одному (дублированному) устройству ввода-вывода (4) (УСО), осуществляющему сбор данных о состоянии выключателя и разъединителей, измерения тока в присоединении через измерительный трансформатор тока, напряжение на шине с помощью измерительного трансформатора напряжения. Контроллеры (1) (ИЭУ) представлены двумя устройствами (по одному на каждое присоединение), выполняющими основные функции: максимальная токовая защита (МТЗ), и резервные защиты: дистанционная защита (ДЗ), функции автоматического повторного включения (АПВ), автоматизированного управления выключателем (АУВ). Л1 и Л2 на схеме обозначают соответствующие линии электропередач.
[046] В качестве устройства сбора информации (6), отвечающего за связь с системами управления верхнего уровня (АСУ ТП, система управления диспетчерского центра) выступает шлюз телемеханики. Шлюз телемеханики может быть выполнен в виде специализированного устройства (TOPAZ IEC DAS МХ240 (https://tpz.ru/resheniya/157/). ABB СОМ610 (https://library.e.abb.com/public/4c90191ce917b73bc125727c002cd45d/COM610 tob 756244 RUa.pdf)) или промышленного компьютера (PM-VDX (http://www.pikprogress.ru/solutions_telemeh.html)). Устройство (6) (шлюз телемеханики) посредством основного вычислительного модуля (7) осуществляет преобразование данных, получаемых от контроллеров (1) ИЭУ из протокола MMS в протокол МЭК 60870-5-104 или иной протокол, поддерживаемый системой управления АСУТП (SCADA) или диспетчерским центром. В нормальном режиме работы структурная схема системы защиты и автоматики представлена на фиг. 2
[047] В случае изменения состава выполняемых функций релейной защиты и автоматики (13) требуется ручная реконфигурация шлюза телемеханики. При применении систем автоматики, обладающих возможностью миграции функций защиты и автоматики (13) между контроллерами (1) (ИЭУ) применение существующих подходов к реализации шлюзов телемеханики (устройств 6) приведет к отказу в работе функций дистанционного контроля и управления.
[048] В представленном примере в соответствие с заявленным способом дополнительный вычислительный модуль (3) контроллера (1) (ИЭУ) осуществляет мониторинг состояния ИЭУ и выполняемых им в настоящий момент функций защиты и автоматики, осуществляет передачу сообщений по шине станции (9) в устройство сбора информации (шлюз телемеханики) с указанием идентификатора контроллера (1) (ИЭУ) и состава выполняемых им функций защиты и автоматики (13). Дополнительный вычислительный модуль (8) в составе устройства (6) (шлюза телемеханики) на основе получаемых от контроллера (1) (ИЭУ) сообщений формирует таблицу соответствия сигналов состояния функций защиты и автоматики и сигналов, передаваемых на верхние уровни управления. Таким образом, для системы управления верхнего уровня не имеет значения каким образом функции защиты и автоматики в настоящий момент времени распределены по контроллерам (ИЭУ).
[049] В случае выхода из строя одного из контроллеров (1), например, контроллера управления I, с помощью дополнительных вычислительных модулей (8) функции защиты и автоматики отказавшего контроллера I (МТЗ Л1, ДЗ Л1, АПВ Л1, АУВ Л1) будут запущены в контроллере II. Дополнительный вычислительный модуль (2) контроллера II отправит сообщение в дополнительный вычислительный модуль (8) устройства сбора информации (6) с указанием в качестве источника данных для получения сигналов о состоянии функций защиты и автоматики (МТЗ Л1, ДЗЛ1, АПВ Л1, АУВ Л1) контроллера II. Дополнительный вычислительный модуль (8) устройства (6) на основе полученной от контроллера II информации, корректирует таблицу соответствия сигналов и начинает опрос контроллера II для получения информации о состоянии функций защит и автоматики, ранее выполнявшихся в контроллере I. Структурная схема системы защиты и автоматики после отказа одного контроллера представлена на фиг. 2.
[050] Устройство (6) начинает отправку данных в системы управления верхнего уровня (SCADA, диспетчерский центр) с учетом обновленной таблицы соответствия сигналов ИЭУ и сигналов, передаваемых на верхние уровни управления.