УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель представляет собой устройство имитации управления технологическим объектом (ТО), необходимым при проведении пусконаладочных работ (ПНР) автоматической системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и создания тренажеров операторов АСУ ТП. Устройство позволяет проводить комплексные испытания систем автоматизации (СА) без подключения реального объекта управления.
При ПНР происходила наладка всех узлов систем автоматизации, устранение проектных ошибок и ошибок, допущенных на стадии строительно-монтажных работ. При ПНР происходят проверка и корректировка работы оборудования, причем многие ошибки могут быть выявлены только при полностью смонтированной и включенной АСУ ТП. Как правило, ПНР может проводиться только после строительной готовности АТК, подключения полевого оборудования, подключения АСУ ТП к электропитанию. В случае, если сроки проведения СМР оказываются сорванными, ПНР проводятся в более жестких временных рамках, что может сказаться на качестве их проведения.
Известен патент РФ на полезную модель №51729 от 02.13.2005 «Система калибровки измерительных каналов автоматизированных систем управления технологическими процессами» (патентообладатель ООО «Торнадо». Модульные системы (RU), кл. МПК G01D). Система включает стационарный персональный компьютер, содержащий программу идентификации и калибровки каналов, включая набор необходимых эталонных сигналов по каждому каналу, соединенный с выходом измерительного канала, и блок связи, отличающаяся тем, что блок связи состоит из двух радиомодемов, первый радиомодем подключен к стационарному персональному компьютеру, а второй радиомодем - к карманному персональному компьютеру, к выходу которого подключен вход генератора эталонных сигналов, выход которого подключен к входу измерительного канала.
Недостаток данной полезной модели состоит в том, что для проверки канала измерения необходимо отключать реальный датчик, подключать генератор сигналов и только после этого выполнять калибровку. Также такая система не позволяет проверять каналы автоматизировано (поочередно).
Известен патент на полезную модель №80252 от 18.08.2008 «Устройство для настройки регуляторов систем автоматического управления» (патентообладатель Плотников Дмитрий Алексеевич (RU), кл. МПК G05B 13/00, G05B 13/02). Задачей полезной модели является автоматизация определения настроек регуляторов при проведении пуско-наладочных работ и обслуживании систем автоматического управления с возможностью предварительной оценки работы системы автоматического управления с найденными настройками.
Устройство для настройки регуляторов систем автоматического управления состоит из блока аналого-цифрового преобразования, блока получения численной характеристики, блока получения модели объекта управления, блока вычисления оптимальных настроек, блока сравнения и оценки переходных процессов и блок ввода-вывода информации.
Недостаток данной полезной модели заключается в том, что автоматизации подвергается только процесс настройки контуров регулирования АСУ ТП, остальные этапы пусконаладочных работ не автоматизируются.
Известен патент на изобретение №2381539 от 18.09.2007 «Система непрямого адаптивного управления» (патентообладатели Лащев Анатолий Яковлевич (RU), Глушич Дмитрий Витальевич (RU), ЗАО ПРОМЭЛЕКТРОНИКА (RU), кл. МПК G05B 13/02). Изобретение позволяет формировать управление объектом в соответствии с точными производными, полученными из модели, а также позволяет вынести процессы идентификации из динамики работы основного контура управления.
Отличительной особенностью системы управления является наличие задатчика параметров, блока памяти и дополнительного ключа, что позволяет в сочетании с эталонной моделью формировать управление в соответствии с точными производными, полученными из модели, а использование идентификатора параметров позволяет вынести процессы идентификации из динамики работы основного контура управления.
Недостатком изобретения является то, что с помощью него можно только настроить контуры регулирования, остальные этапы пусконаладочных работ не автоматизируются.
Известен патент №2282248 от 18.01.2005 «Устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования» (патентообладатели Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный энергетический университет (RU), Тверской Юрий Семенович (RU), Таламанов Сергей Александрович (RU), Голубев Антон Владимирович (RU), Никоноров Андрей Николаевич (RU), Харитонов Игорь Евгеньевич (RU), кл. МПК G09B 9/00). Изобретение относится к средствам подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, а также персонала, выполняющего проектирование и наладку систем автоматизированного управления для технологического (энергетического) оборудования.
Устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования представляет собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержит группу рабочих мест тренинга оперативного персонала и группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, группу ЭВМ модели технологического оборудования, соединенных с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, группу рабочих мест разработки программно-математического обеспечения, соединенных с соответствующими входами третьего сетевого коммутатора, ЭВМ-шлюз, при этом первый сетевой коммутатор посредством ЭВМ-шлюз соединен с третьим сетевым коммутатором.
Недостатком изобретения является то, что оно касается только улучшения показателей подготовленности эксплуатационного персонала и персонала, выполняющего наладку систем автоматизации. Остальных этапов пусконаладочных работ данное изобретение не затрагивает.
Известен патент №2047909 от 20.03.1990 «Тренажер операторов систем управления технологическими процессами» (патентообладатель Сибирский металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (RU), кл. МПК G09B 9/00). Изобретение относится к техническим средствам обучения и может быть использовано при обучении и проверке квалификации персонала, осуществляющего управление технологическими процессами.
Тренажер содержит блок сравнения, переключатель, пульт преподавателя, сумматор, блок памяти, блок моделирования реальных процессов, формирователи импульсов, блок оценки, сумматор, формирователи кодов, блок управления со схемными соединениями. Данное устройство выбрано в качестве прототипа, так как позволяет создать имитатор и тренажер на базе самой АСУ ТП.
Недостатком изобретения является то, что оно лишь позволяет обучать эксплуатационный персонал до начала работы на реальном технологическом объекте. Изобретение не способно улучшить или ускорить пусконаладочные работы систем автоматизации.
При строительстве различных технологических комплексов сроки строительно-монтажных работ часто срываются, что приводит к тому, что пусконаладочные работы проводятся в очень жестком временном режиме. Алгоритмы системы управления проверяются уже при работе на реальном оборудовании и допущенные ошибки зачастую приводят к неправильному управлению оборудованием, к колоссальным перегрузкам.
Известны устройства, которые имитируют систему автоматизации реальной АСУ ТП. Имитатор СА нижнего уровня, как модель АСУ ТП, могут отражать различные аспекты только до определенной степени сходства. Даже тренажеры, выполненные на базе программно-технических средств (ПТС), аналогичных реальной АСУ ТП, после некоторого времени эксплуатации будут иметь отличия, так как в АСУ ТП вносятся корректировки во время эксплуатации АТК. Внесение же корректировок одновременно и в АСУ ТП, и в тренажер влечет большие временные и материальные затраты.
Поэтому крайне актуальна задача создания имитатора на базе реального оборудования АСУ ТП и реального рабочего места оператора, так как полного подобия имитатора СА нижнего уровня реальной АСУ ТП можно добиться только в одном случае - при использовании непосредственно рабочего места для обучения. Однако обучение на реальном рабочем месте сопровождается риском повреждения технологического оборудования, риском нарушения технологического режима и неприемлемо для опасных производственных объектов.
Задачей настоящего изобретения является создание имитатора системы управления технологических объектов для наладки систем автоматизации и тренажа операторов. Технический результат заключается в отсутствии дублирования функций имитатора СА и реальной АСУ ТП, в сокращении сроков ввода в эксплуатацию ТО. Следующим техническим результатом является устранение угрозы повреждения оборудования технологического комплекса, а также возможность производства большей части пусконаладочных работ (ПНР) систем автоматизации СА как при подключенном технологическом оборудовании, так и в отсутствии технологического оборудования на производстве. Также технический результат заключается в уменьшении рисков повреждения технологического оборудования за счет возможности выявления ошибок в СА в части управления технологическим оборудованием. Также благодаря использованию данного устройства появляется возможность использования реальных автоматизированных рабочих мест операторов (АРМ) в качестве тренажеров для обучения управлению ТО без риска повреждения реального технологического оборудования.
Устройство имитации системы управления технологических объектов состоит из соединенных цепью обратной связи модуля-имитатора АТК, блока управления, выполненного с возможностью подключения к системе диспетчерского управления СДУ АСУ ТП, программируемого логического контроллера ПЛК, состоящего из модуля входа аналоговых и цифровых параметров, центрального процессора, модуля выхода аналоговых и цифровых параметров, блока памяти, состоящего из блока хранения входных аналоговых и цифровых параметров, блока хранения промежуточных вычислений и блока хранения выходных аналоговых и цифровых параметров, причем модуль-имитатор АТК соединен с программируемым логическим контроллером через блок управления СДУ цепью обратной связи, реализованной на базе цифрового протокола ОРС, таким образом, что модуль-имитатор АТК соединен с блоком памяти ПЛК напрямую, минуя модули входа и выхода аналоговых и цифровых параметров ПЛК.
На рис. 1 схематично изображено устройство имитации системы управления технологических объектов. Устройство имитации системы управления технологических объектов состоит из модуля-имитатора АТК 1, блока управления 2, выполненного с возможностью подключения к СДУ АСУ ТП, программируемого логического контроллера 3 (ПЛК), соединенных цепью обратной связи 4, выполненной на базе протокола ОРС. Блок управления 2 выполнен на базе программно-технических средств SCADA и имеет соответствующие модули ввода/вывода, с помощью которых его подключают к системе диспетчерского управления АСУ ТП. ПЛК 3 состоит из модуля входа аналоговых и цифровых параметров 5, центрального процессора 6, модуля выхода аналоговых и цифровых параметров 7, блока памяти, состоящего из блока хранения входных аналоговых и цифровых параметров 8, блока хранения промежуточных вычислений 9 и блока хранения выходных аналоговых и цифровых параметров 10, причем модуль-имитатор АТК 1 соединен с программируемым логическим контроллером через блок управления СДУ 2 цепью обратной связи 4, реализованной на базе цифрового протокола ОРС, таким образом, что модуль-имитатор АТК 1 соединен с блоками памяти ПЛК 8 и 10 по цифровому каналу напрямую, то есть минуя модули входа и выхода аналоговых и цифровых параметров ПЛК 5 и 7. Модули и блоки 1, 2, 3 могут быть установлены в едином корпусе, смонтированы на электрическом щите или установлены в электрический шкаф, поэтому данное техническое решение в соответствии с определением является устройством.
Данное устройство сконфигурировано таким образом, что обеспечивает подмену значений параметров, получаемых из блока входа аналоговых и цифровых параметров 5 ПЛК, предназначенные для крепления датчиков технологического оборудования, на значения, принятые из модуля-имитатора АТК 1. Это достигается за счет выполнения конфигурации соединения модулей так, что модуль-имитатор соединен с блоком памяти, отвечающим за хранение входных дискретных и аналоговых параметров 8 напрямую, минуя модуль входа и выхода аналоговых и цифровых параметров ПЛК 5. Это позволяет обеспечить цикл передачи данных, в котором бы не участвовали блоки входа/выхода аналоговых и дискретных параметров ПЛК 5 и 7, что позволяет проверить СА как при наличии подключенного технологического оборудования, так и в его отсутствие, таким образом, цепь обратной связи 4, выполненная на базе протокола ОРС, позволяет организовать непрерывный цикл обработки данных с ПЛК, минуя технологическое оборудование.
Кроме того, модуль-имитатор подключен к ПЛК через блок управления 2, выполненный с возможностью подключения к СДУ АСУ ТП, благодаря чему обеспечивается обмен данными с АСУ ТП в реальном времени, что обеспечивает возможность его использования в качестве тренажера на реальном рабочем месте оператора АСУ ТП. Кроме того, это позволяет устранить дублирующие функции при проведении тренажа или пусконаладочных работ, то есть нет необходимости вводить корректировки в имитатор в соответствии с изменениями АСУ ТП, что уменьшает временные и материальный затраты.
Стандартный цикл работы любого промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК) включает следующие этапы: 1) считывание информации с модулей входа аналоговых и цифровых параметров и запись значений в блок хранения аналоговых и цифровых параметров; 2) выполнение пользовательской программы; 3) запись выходных параметров в область памяти, назначенной на каналы выходных моделей. При этом происходит постоянный обмен информацией с системой диспетчерского управления (СДУ), выполненной на базе системы SCADA: прием управляющих команд от оператора и передача в СДУ значений выходных параметров и внутренних переменных, отвечающих за срабатывание блокировок, аварийных и предупредительных пределов и т.д. на технологическом оборудовании.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При имитации АТК как объекта управления происходит расчет значений входных дискретных и аналоговых параметров в модуле-имитаторе АТК 1 и передача их в блок управления 2 СДУ АСУ ТП посредством цифрового протокола ОРС. Далее, в ПЛК 3 происходит подмена значений ячеек памяти, блока хранения входных дискретных и аналоговых параметров 8 на значения, принятые из модуля-имитатора АТК 1. Таким образом, сигнал из модуля-имитатора АТК 1 поступает по цифровому протоколу в блок памяти ПЛК 3, а именно в блок хранения входных аналоговых и цифровых параметров 8, напрямую, то есть минуя модуль входа аналоговых и цифровых параметров 5. После подмены ячеек памяти ПЛК 3 выполняет пользовательскую программу и записывает выходные значения в блок хранения выходных аналоговых и цифровых параметров 10. Блок управления 2 СДУ АСУ ТП принимает по протоколу ОРС эту информацию из блока 10 и использует как вход модуля-имитатора АТК 1, на основе чего модуль-имитатор АТК 1 производит расчет отклика АТК на управляющие воздействия, которые отправляет в блок управления 2 СДУ АСУ ТП. При этом для АСУ ТП эти значения воспринимаются как измеренные на реальном технологическом процессе. Таким образом, имитируются как входные сигналы, так и динамический отклик объекта управления.
Таким образом, за счет данного устройства осуществляется имитация управления системой автоматизации реальным техническим объектом. С применением данного устройства становится возможным обучать персонал без риска нарушения технологического режима и повреждения оборудования, благодаря тому, что устройство обеспечивает автоматизированную подмену входной информации системы управления и перехват выходной информации. Система управления технологического объекта (АСУ ТП) считает, что измеряет параметры с реального технологического процесса и управляет им. Это позволяет вывести имитируемый процесс на любой режим и полностью комплексно проверить всю программную часть системы управления еще до строительной готовности технологического объекта и без риска повреждения реального оборудования. Благодаря данному устройству становится возможным провести сложную часть пусконаладочных работ заблаговременно, тем самым, сократив срок ввода объекта в промышленную эксплуатацию.
Перечень функций АСУ ТП, которые можно проверить с помощью устройства:
информационные функции: сбор информации о технологических параметрах и состоянии оборудования; масштабирование входных сигналов в единицы в системе СИ; контроль параметров на достоверность; контроль параметров на выход за диапазон измерения, за уставки; косвенное измерение параметров; формирование световой и звуковой сигнализации; расчет технико-экономических показателей; прогнозирование аварийных ситуаций (например, скорость уменьшения помпажного запаса больше допустимого значения); обмен информацией со смежными СА;
управляющие функции: расчет и реализация оптимального управления технологическим оборудованием (настройка возможна при наличии точной модели); регулирование технологических параметров с целью их стабилизации; реализация технологических последовательностей: обеспечение изменения значений параметров по заданному графику; запуск, останов, изменение режима технологического процесса; управление оборудованием по заданному алгоритму; реализация аварийных защит; реализация блокировок.
Эти функции можно проверить до строительной готовности технологического оборудования, например, во время заводских испытаний. Это, фактически, сводит значительную часть пусконаладочных работ к формальности, существенно ускоряя их и позволяя сократить срок ввода технологического объекта в промышленную эксплуатацию. Кроме того, возможность проверить сложные алгоритмы пуска газотурбинных двигателей и другого оборудования на модели позволяет существенно снизить риски повреждения дорогостоящего технологического оборудования во время наладки системы управления.