ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
3.1. Выбор оборудования для проектируемой системы
В работе за основу взят комплекс технических средств фирмы «Yokogawa
Electric» (Япония), который позволяет обрабатывать десятки тысяч сигналов
одновременно, это позволит в дальнейшем расширять систему, путем
реализации новых функций повышения безопасности.
Первичные средства измерения размещаются непосредственно на
технологическом оборудовании.
Произведем подбор контроллеров для организации распределенной
противоаварийной автоматики.
В качестве основного блока системы CENTUM CS3000 выбрана
дублированная полевая станция управления типа AFV10D (FCS0201). В
станции управления устанавливаются корзины под модули ввода/вывода
ANB10D
36
.
Технические характеристики станции управления CENTUM CS3000 и
ProSafe-RS отвечают всем требованиям, предъявляемым к системе с точки
зрения функциональных возможностей реализации любых для данного класса
объектов задач управления.
Данным проектом предусмотрена защита технических средств от
внешних электрических и магнитных полей и помех по цепям питания. Для
этих целей применяются специальные решения аппаратные и схемные
решения:
37
гальваническая развязка технических средств от технологического
оборудования;
36
Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // СТА. – 2007. – № 1. – С. 78-88.
37
Шишов О.В. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие. - М.: ИНФРА-М, 2012. -
397 c.
55
применение узлов «защиты от дребезга» и узлов «защиты от
перенапряжения»;
применение экранированных пар для передачи электрических
сигналов;
фильтрация помех;
применение ПТС с высокой повышенной помехозащищенностью.
Для обеспечения взрывозащиты применяются барьеры искрозащиты,
которые предотвращают возможность возникновения опасных значений силы
тока и напряжения, способных вызвать искрообразование или нагрев
электрооборудования, расположенного в опасной зоне
38
.
В проектируемой системе обеспечивается внешняя и внутренняя
грозозащита для защиты от выбросов напряжения при ударе молнии. Внешняя
грозозащита включает в себя все оборудование, используемое на наружной
стороне мест размещения оборудования для разряда молнии на землю.
Внутренняя грозозащита включает в себя меры, принимаемые для того, чтобы
противодействовать молнии и воздействиям ее электрического и
электромагнитного полей на металлические корпуса и электрические системы
внутри мест размещения оборудования.
В проектируемой системе предусмотрена защита информации от
несанкционированного доступа. Меры по обеспечению защиты информации от
несанкционированного доступа основываются на комплексном подходе, при
котором реализуется оптимальное функционирование человека, технических и
программных средств. При этом должны соблюдаться базовые условия
информационной безопасности:
целостность данных – защита от сбоев, несанкционированного
создания, изменения или уничтожения;
конфиденциальность информации;
доступность для всех допущенных пользователей.
38
Гайдук А.Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического управления (полиномиальный
подход) – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 360 с.
56
В проектируемой системе для защиты информации от
несанкционированного доступа реализовываются следующие функции:
аутентификация пользователей (ограничение доступа посредством
паролей);
отключение нежелательных пользователей;
контроль и разграничение доступа к данным и функциям системы
управления в зависимости от предоставленных прав;
протоколирование доступа и выполняемых команд.
В проектируемой системе для защиты информации предусмотрено
предотвращение таких действий, как:
несанкционированный доступ посторонних лиц и
несанкционированная передача
управляющих воздействий на технологический процесс;
несанкционированная модернизация баз данных, документов и
отчетности;
ознакомление сотрудников организации с информацией, к которой они
не должны
иметь доступ, в зависимости от уровня полномочий;
случайное или умышленное уничтожение информации;
несанкционированное копирование программ и данных;
заражение и возможное разрушение информации вирусными
программами.
Отдельные пользователи или группы пользователей имеют доступ только
к определенным областям, которые проектируются при конфигурировании
структуры системы управления.
В системе будут предусмотрены следующие группы прав доступа:
административного контроля;
контроля и управления;
диагностики и контроля над работой системы;
технического обслуживания.
57
В режиме административного контроля пользователь может
просматривать все видеограммы о процессе, но все операции с процессом
блокированы. Это позволит пользователям получать полную информацию о
процессе, но его контроль останется у оперативного персонала.
В режиме контроля и управления доступны основные операции по
управлению процессом открыть/закрыть, включить/выключить, изменение
режима работы ручной/автоматический, изменение уставки регулятора и т.д.).
В системе предусмотрены следующие группы пользователей:
операторов технологических установок;
инженеров по автоматизированным системам управления
технологическими процессами;
инженеров-электронщиков;
старших операторов;
начальников смены;
начальников установок.
Доступ к данным сопровождается вводом пароля, который определяет
права доступа пользователя. При регистрации пользователя с соответствующим
регистрационным именем и паролем выполняется проверка назначенных ему
прав доступа. В результате пользователь будет обращаться к областям и
функциям в соответствии с его правами доступа
39
.
В проектируемой системе обеспечивается протоколирование в
определенной форме действий производственного персонала, осуществляемых
при управлении технологическим процессом (переход из автоматического
управления в ручное, квитирование сообщений о нарушениях процесса,
изменение настроек контуров, изменение состояния оборудования и т.д.).
Такое решение позволит более точно определять причины аварий и сбоев
в технологическом процессе нефтяной насосной станции. Формирование
единого журнала событий технологического процесса и действий
39
Ощепков А.Ю. Системы автоматического управления: теория, применение, моделирование в MATLAB. СПб,
2013
58
производственного персонала в хронологической последовательности позволит
восстановить всю картину произошедшего. При необходимости, протокол
может печататься для предъявления в контролирующие органы.
Проектируемая система относится к системам длительного пользования,
элементы которой являются восстанавливаемыми и обслуживаемыми.
Надежность системы обеспечит выполнение всех информационных и
управляющих функций, а также функций безопасности в пределах, заданных
техническим заданием.
Надежность системы характеризуется показателями безотказности,
ремонтопригодности и долговечности согласно ГОСТ 24.701-86 и
соответствовать требованиям надежности согласно ПБ 09-540-03.
В блоки ввода/вывода станций управления могут устанавливаться
различные типы модулей ввода/вывода. В проектируемой системе применены
ниже перечисленные блоки и модули:
ANB10D – блок ввода/вывода для установки аналоговых, дискретных и
интерфейсных модулей ввода/вывода. В блок ввода/вывода можно установить
до восьми модулей ввода/вывода;
AAI141-H – модуль аналогового входа (вход от 4 до 20 мА, 16-
канальный, неизолированные каналы, поддержка HART-протокола);
AAI143-H – модуль аналогового входа (вход от 4 до 20 мА, 16-
канальный, изолированные каналы, поддержка HART-протокола);
AAI543-Н – модуль аналогового выхода (выход от 4 до 20 мА, 16-
канальный выход, изолированные каналы);
ADV161 – модуль дискретного входа (64-канальный, изолированные
каналы);
ADV569 – модуль дискретного выхода (64-канальный, изолированные
каналы);
ALR121 – интерфейсный модуль RS-422/RS-485.
Для блока управления безопасности применены ниже перечисленные
блоки и модули:
59
SNB10D – блок ввода/вывода для узла безопасности. В блок
ввода/вывода можно установить до восьми модулей ввода/вывода;
SAI141 – модуль аналогового входа (вход от 4 до 20 мА, 16-канальный,
общая изоляция);
SDV144 – модуль дискретного входа (16-канальный, общая изоляция);
SDV541 – модуль дискретного выхода (16-канальный, общая
изоляция).
Полевые станции управления с интерфейсными модулями будут
устанавливаться в системные шкафы двухстороннего обслуживания 19''
монтажа фирмы RITTAL. Размер шкафов составляет 800Wx2100Hx800D мм.
Кроме станций управления с интерфейсными модулями, в этих шкафах
будут установлены блоки вентиляторов FAN, автоматические выключатели для
отключения на профилактику полевой станции управления и интерфейсных
модулей.
Реле и искробезопасные барьеры будут устанавливаться в кроссовые
шкафы двухстороннего обслуживания фирмы RITTAL размером
800Wx2100Hx800D мм.
В шкафах будут установлены источники питания 24 В постоянного тока
для питания барьеров искробезопасности и реле, блоки вентиляторов FAN, а
также, автоматические выключатели для отключения на профилактику
источников питания 24 В постоянного тока.
В шкафах устанавливаются источники питания модели QUINT-PS-100-
240AC/24DC/20 и QUINT-PS-100-240AC/24DC/10 фирмы Phoenix contact. Для
повышения надежности источники питания соединены параллельно. Мощность
источников выбрана с таким расчетом, чтобы обеспечить нормальную работу
запитываемых модулей при работе одного из них.
Для обеспечения гальванической развязки аналоговых и дискретных
сигналов в проектируемой системы применяются следующие модели
искробезопасных барьеров фирмы MTL:
MTL4544 – повторитель источника питания, 2-х канальный;
60
MTL4549Y – изолирующий модуль, 2-х канальный;
MTL4516C – интерфейсный модуль датчика контактного типа/датчика
положения, 2-х канальный;
MTL4516 - интерфейсный модуль датчика контактного типа/датчика
положения, 2-х канальный.
Барьеры искробезопасности устанавливаются на объединительные платы.
В одну объединительную плату можно установить до 16 барьеров. В составе
проектируемой системы применены следующие модели объединительных плат:
CPY-C3-AAI141-HD – объединительная плата на 16 барьеров;
CPY-C3-AAI543-HD – объединительная плата на 16 барьеров;
CPY-C3-ADV161 – объединительная плата на 16 барьеров;
CPY-RS-AI16-KS – объединительная плата на 16 барьеров;
CPY-RS-DI16-AKB – объединительная плата на 16 барьеров.
Дискретные выходные сигналы имеют гальваническую развязку системы
от «поля», обеспечиваемую модулем релейного выхода SMRO-16/24VDC-
230VAC на 16 каналов фирмы RELPOL
40
.
3.2. Разработка принципиальной схемы
На промысловых объектах предусматривается использование блочно-
комплектных технологических установок, имеющих локальные системы
управления (ЛСУ). Обмен данными между ПКУ и ЛСУ должен осуществляться
по последовательным каналам связи с протоколом Modbus RTU или Ethernet
TCP/IP.
Для комплектных установок предусмотрены локальные системы
управления (ЛСУ).
40
Маршалов Е.Д. Исследование динамических характеристик термопреобразователей сопротивления: сб. науч.
тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии». В 4 т. Т. 2. –
Иваново, 2015. – С. 263–266.
61
Шина Foundation Fieldbus обеспечивает питание для датчиков, а также
опрос измеренных данных по этим же кабелям. Скорость передачи данных
сравнительно низкая, 31.25 кбит/сек. Все это реализовано для работы во
взрывоопасных зонах.
Измерительные петли были заранее запроектированы. Использованные в
проекте разветвители для сетей на основе полевой шины серии FCS-MBT F247
(4-х портовый т.н. Segment Protector) фирмы MTL расположены снаружи в
распределительных коробках с маркировкой взрывозащиты [Exia]IIBT4.
Для работы с этими разветвителями в шкафу имеются искробезопасные
блоки питания полевой шины FISCO, типа MTL9122-IS с маркировкой
взрывозащиты [Exia]IIB. Каждый блок MTL9122-IS обеспечивает питание 250
мА, что дает возможность подключить к нему макс. 12 полевых датчиков. К
этому блоку подключается внешнее питание =24В, а также т.н. host-port модуля
связи контроллера по стандарту FF H1.
Программа контроллера телемеханики обрабатывает измеренные данные,
реализует алгоритм управления и передает эту информацию на верхний
уровень.
Большинство дискретных и аналоговых каналов, которые расположены
на процессорном модуле, используются для служебной информации - сигналов
пожара, неисправности, отсутствия напряжения и т.д. Технологические
измерения и сигналы принимаются по каналам RS485 и FF.
Так как сам контроллер имеет только неизолированные сигнальные
каналы, в шкаф встроены разделительные элементы, реле, барьер В ПКУ
местное отображение осуществляется с помощью панели, типа Weintek
MT8100iE, связанной с ПЛК Stardom по сети Ethernet. Панель отображения
опрашивает ПЛК по протоколу Modbus/TCP. Содержание и вид
технологических схем на панели аналогичен уже имеющимся в системе
телемеханики на других кустах скважин.
Обмен данными между ПКУ и ЛСУ должен осуществляться по
последовательным каналам связи RS-485 с протоколом Modbus RTU. Тип,
62
протокол и техническая реализация каналов передачи данных уточняются при
разработке проекта.
В комплектных поставках с ЛСУ по последовательному каналу связи
передаются данные системы мониторинга состояния КИПиА.
Местные панели управления должны быть оснащены индикаторами,
кнопками и устройствами регулировки уставок и по возможности
располагаются в ПКУ.
Уставки управления комплектными установками должны задаваться из
операторной.
На местных панелях должны быть предусмотрены кнопки аварийного
останова соответствующей установки. Штатный режим работы не должен
предусматривать необходимости управления установкой с местной панели
управления.
Должна быть предусмотрена система синхронизации времени между
всеми компонентами автоматизированной системы управления.
Диагностическая информация должна выдаваться оператору в виде
списка сообщений с указанием места возникновения события.
Должны быть предусмотрены штатные алгоритмы и экранные формы для
проверки измерительных каналов системы и срабатывания системы защит
(экранные формы-таблицы с наименованием измерительных каналов с
текущими установившимися измеряемыми значениями в кодах АЦП,
миллиамперах и т.д.).
При пропадании напряжения основной и резервной сети переменного
тока 220 В световые индикаторы «Ввод 1» и « Ввод 2» погаснут. Питание
блоков шкафа осуществляется от аккумуляторной батареи (состоящей из двух
аккумуляторных модулей по 12 В), появляется сообщение на верхнем уровне (и
на операторной панели шкафа, если имеется) «Работа от аккумулятора».
Аккумуляторная батарея шкафа предназначена исключительно для
поддержания напряжения питания блоков при переходе с основного на
резервное питание 220 В, она не должна обеспечивать длительную
63
работоспособность шкафа при отключении основного источника питания в
отсутствии резервного.
В шкафу телемеханики для подключения заземления встроена медная
шина – РЕ. Шина РЕ по кабелю присоединяется к круговой заземляющей шине
(как к эквипотенциальной поверхности по правилам ПУЭ), расположенной в
основании ПКУ.
Для соединения должен использоваться кабель сечением мин. 16 мм2,
медь.
Заземление шкафа выполнено в режиме глухо-заземлённой нейтрали
TNS.
Используется защитное и рабочее (инструментальное) заземления.
Контуры защитного и рабочего заземления на площадке должны быть
подключены к одному заземлителю с сопротивлением растеканию не более 4
Ом.
К контуру защитного заземления на площадке должны подключаться
шины всех шкафов автоматики, включая “внешние ” системы. К контуру
рабочего (инструментального) заземления должны подключаться шины
заземления средств вычислительной техники и их периферийных устройств.
Шины рабочего (инструментального) заземления должны быть изолированы от
шин защитного заземления и соединяться в одной общей точке.
Конструкция шкафа обеспечивает защиту обслуживающего персонала от
поражения электрическим током в соответствии с требованиями ГОСТ
12.2.003-91 и по требованиям безопасности соответствует ГОСТ 13033-84,
ГОСТ 13418-79.
В шкафу все доступные прикосновению металлические нетоковедущие
части, которые могут оказаться под напряжением, имеют электрическое
соединение с элементами заземления. Защитное заземление соответствует
ГОСТ 12.2.007.0-75.
Рядом с контактом заземления нанесён знак заземления в соответствии с
ГОСТ 21130-75.
64