Без пыли и шума

Управление при помощи протокола SNMP может применяться для решения разнообразных задач, в том числе и в автоматизированных системах управления промышленным предприятием, о чем свидетельствует опыт внедрения системы управления электрофильтрами для теплоэлектростанции «Фалай».

В данной рубрике мы стремимся представить наиболее интересные решения с точки зрения использования информационных технологий на различных вертикальных рынках. Несомненно, опыт работы над проектами окажется полезен и другим компаниям, сталкивающимся с похожими проблемами.

О применении TCP/IP и Ethernet в средствах промышленной автоматизации и встраиваемых устройствах говорят уже достаточно давно. Поддержка Ethernet, протоколов TCP/IP и SNMP реализуется во встроенных устройствах и контроллерах все чаще, что позволяет включить их в сеть Ethernet или организовать взаимодействие с оборудованием различного класса. При этом эффективно решаются вопросы масштабирования, а управление можно осуществлять через Internet из любого места.

Путь к стандартизации и выработке типовых подходов еще довольно долог, однако уже сейчас существует ряд интересных решений. Тенденция объединения систем автоматизации производственных процессов и широко распространенных сетевых технологий открывает интересные возможности для применения на промышленных предприятиях привычных протоколов глобальных и локальных сетей, стандартных средств управления. Это облегчает задачу объединения разнородных устройств, помогает обеспечить их взаимодействие и централизованное управление. Об одном из таких решений рассказывается в данной статье. Речь пойдет о реализации проекта для ТЭС «Фалай» во Вьетнаме, выполненного российскими интеграторами.

ОТ СТАРЫХ РАЗРАБОТОК К НОВЫМ РЕШЕНИЯМ

История данного проекта общей стоимостью около 1 млн долларов началась в 1998 г., когда российская инжиниринговая компания «Гипрогазоочистка», входящая в многопрофильный холдинг «Стинс Коман», выполнила проект реконструкции первой установки газоочистки для теплоэлектростанции «Фалай» во Вьетнаме, построенной в середине 80-х гг. по проекту института «Ростовтеплоэлектропроект». В июле 1999 г. «Стинс Коман» и «Гипрогазоочистка» победили в тендере на проведение работ по реконструкции следующих двух установок газоочистки и внедрению системы управления технологическими процессами для ТЭС «Фалай». В тендере принимали участие 22 компании, в том числе такие известные, как ABB, Huyndai, Siemens, а также два российских внешнеторговых объединения. Конкурсная комиссия признала решение компаний «Стинс Коман» и «Гипрогазоочистка» наилучшим по требованиям «цена/функциональность».

При реализации проекта возникла задача создания системы управления электрофильтрами очистки выбросов ТЭС. Она должна была обеспечить максимально эффективную работу электрофильтров, централизованный сбор, обработку и отображение информации, настройку и обновление алгоритмов с использованием современной элементной базы для поддержки оборудования в течение долгого времени.

В первую очередь специалисты «Стинс Коман» попытались найти готовое решение или адаптировать к данным условиям существующие технологии. В качестве возможных вариантов рассматривались сотрудничество с зарубежными производителями и использование отечественных разработок. Как оказалось на тот момент, предлагаемое крупными западными производителями высоконадежное оборудование отличалось богатым набором функций, однако в большинстве случаев было недоступно по причине «закрытости» и дороговизны. Небольшие зарубежные компании предлагали более дешевое оборудование с ограниченным набором функций, но не предоставляли качественной поддержки в процессе внедрения и эксплуатации.

Что касается российских разработок, то на рынке не оказалось тогда ни одной работоспособной отечественной системы управления установками газоочистки. Имеющиеся теоретические разработки в основном базировались на старой элементной базе (подчас уже снятой с производства) и тиражировании устаревших решений, хотя многие технологические подходы, позднее получившие практическое внедрение в зарубежных системах управления электрофильтрами, были предложены в СССР еще полтора-два десятилетия назад.

В «Стинс Коман» решили использовать накопленные в российских НИИ инженерные знания, самостоятельно организовать работу по проекту с помощью приглашенных по договору специалистов и создать собственную оригинальную систему для данного заказчика. При создании системы пригодились исследования институтов НИИОГАЗ и НИПИОТСТРОМ, а также опыт сотрудников «Стинс Коман» в области разработки и интеграции вычислительных и коммуникационных систем. От применения существующих зарубежных продуктов отказались по причине высокой стоимости пакетов разработки и ПО, а также из-за необходимости продолжительного обучения специалистов.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ПОД ПРИСМОТРОМ СУ ЭЛФ

Требования к функциональности системы управления электрофильтрами определила, прежде всего, сама специфика процессов газоочистки. Условия осаждения пыли в расположенных по ходу движения газа полях электрофильтров различаются, а параметры очищаемого потока газов постоянно меняются. Поэтому для эффективного пылеулавливания необходима настройка параметров электрического режима. Система управления электрофильтрами должна в автоматизированном режиме оптимизировать характеристики процесса газоочистки, что позволяет снизить выбросы пыли из электрофильтра, уменьшить энергопотребление и автоматизировать процесс удаления пыли (представляющей собой к тому же ценное сырье).

Первый вариант системы управления «Стинс Коман» реализовал на базе готовых микроконтроллерных модулей Octagon и устройствах сопряжения в сочетании с системой аналоговой обработки собственной разработки. Схема питания фильтра была построена с использованием тиристоров. Простой конечный автомат передавал по шине информацию о текущем состоянии. Написанную ранее для ПК в российских НИИ алгоритмическую часть разработчики модифицировали для промышленного компьютера. В сетевых коммуникациях применялся стандарт RS-232 в версии RS-485 и один из промышленных протоколов, наиболее подходящий по простоте и быстродействию. RS-485 — достаточно распространенный промышленный стандарт с двунаправленной сбалансированной линией передачи и поддержкой многоточечных соединений на расстоянии до 1200 м.

Система контроля и управления СУ ЭЛФ состоит из трех компонентов: датчиков/исполнительных механизмов для преобразования изменений физических параметров в электрические сигналы и сигналов в действия механизма; коммуникационной инфраструктуры для доставки электрического сигнала до ядра системы; собственно интеллектуального ядра для накопления, анализа, отображения полученного сигнала и отправки управляющих сигналов исполнительному механизму.

СУ ЭЛФ обладала такими возможностями управления электрофильтрами, как удаленное управление режимами питания (с автоматической оптимизацией его параметров), а также предусматривала режимы автоматического и ручного аварийного отключения. Стоимостные показатели выгодно отличали ее от зарубежных аналогов, однако с точки зрения функциональности данный вариант системы был достаточно ограниченным и фактически просто передавал по шине RS-232 некоторую информацию о состоянии электрофильтра.

ПЕРЕХОД К ОТКРЫТЫМ СТАНДАРТАМ СЕТЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

К моменту заключения нового контракта с вьетнамским партнером специалисты «Стинс Коман», опираясь на полученный опыт, приступили к разработке хорошо масштабируемой архитектуры на базе открытых стандартов и протоколов. Видя перспективность рынка и возможности внедрения данной системы на других объектах в России и СНГ, они занялись созданием принципиально новой системы управления электрофильтрами, которую можно было бы использовать не только в рамках проектов строительства и модернизации электрофильтров, но и в виде отдельного продукта.

В начале 2000 г. возникла идея применить в системе стек протоколов TCP/IP. К тому времени поддержку Ethernet, протоколов TCP/IP и SNMP во встроенных устройствах и контроллерах стали внедрять и некоторые западные производители промышленных систем управления. Даже такой крупный производитель систем промышленной автоматизации, как Schneider Electric, провозгласил, что будущее автоматизации — за Ethernet и технологиями Web, запатентовав конструкцию программируемого логического контроллера с поддержкой протоколов TCP/IP и HTTP.

В том же году «Стинс Коман» разработал универсальный контроллер eSCape, отличительная особенность которого — поддержка широко применяемого для управления сетевыми устройствами протокола SNMP. Контроллер eSCape подключается к устройству и связывает его с системой управления через сеть Ethernet или последовательный интерфейс. Он позволяет дистанционно управлять любыми подключенными к сети устройствами по протоколу SNMP v.1 (RFC 11570), отслеживать их работу и интегрировать в автоматизированные системы управления производством. Решив применить протокол SNMP для связи между сервером управления и контроллерами, специалисты «Стинс Коман» создали автоматизированную систему управления электрофильтром на базе собственных аппаратных и программных решений (см. Рисунок 1).

В 2001 г. для реконструкции двух установок газоочистки была реализована новая версия системы, eSCape-ECO2, позволяющая управлять не отдельным полем электрофильтра, а всем процессом газоочистки. Она обеспечила управление электрофильтрами с учетом требований экологической безопасности. При этом контроль за работой электрофильтров мог осуществляться с рабочей станции оператора ТЭС. По мнению специалистов «Стинс Коман», стоимостные показатели системы выгодно отличаются от зарубежных решений аналогичного класса. Ее функциональность также удовлетворяет высоким требованиям. Она удаленно управляет режимами питания каждого поля электрофильтра, механизмами встряхивания электродов, удалением пыли и состоит из подсистемы управления электропитанием и механизмами встряхивания, подсистемы управления транспортом пыли и подсистемы контроля технологических параметров. Система обладает возможностями автоматической оптимизации параметров управления питанием и отображения оперативной информации о режиме работы фильтров, обеспечивает централизованный сбор и протоколирование данных по работе фильтров с последующим выводом отчета. Результаты испытаний подтвердили эффективность решений, выбранных при проектировании.

За работой каждого поля электрофильтра следит несколько параллельно функционирующих микропроцессоров. Для мониторинга заданных параметров полей фильтра (ограничения по току и напряжению) применяется специализированный контроллер.

Устройство сопряжения с объектом преобразует отслеживаемые первичные и вторичные сигналы для последующей обработки. Они подаются на вход первого процессорного модуля. Оптимизированный алгоритм его работы обеспечивает требуемое качество анализа сигнала и реализует конечный автомат для управления параметрами питания электрофильтра по набору формальных сигналов (например, данные об искровых и дуговых пробоях в электрофильтре). В зависимости от этого регулируется напряжение питания. Автомат учитывает также параметры соседних полей и состояние контакторов исполнительных устройств. Например, система не допускает одновременного встряхивания электродов различных полей. Второй процессор осуществляет взаимодействие с датчиками и исполнительными механизмами, а также выполнение технологических функций. Число контролируемых параметров не ограничено и задается при настройке системы. По получаемым данным корректируются режимы работы полей и оптимизируется функционирование всей системы газоочистки.

Рисунок 2. Разработанные и изготовленные специалистами «Стинс Коман» двухпроцессорные модули напоминают системную плату компьютера. Один из процессоров обеспечивает полноценную поддержку стека TCP/IP и протокола SNMP.

Функции двухпроцессорного модуля (см. Рисунок 2) зависят от программ, выполняемых вторым процессором. Каждый модуль имеет собственный импульсный блок питания и может быть подключен к любой точке сети. Система автоматически рассчитывает режимы работы механизмов встряхивания газораспределительных решеток и электродов фильтра. Отдельные контроллеры управляют функционированием магистралей удаления пыли. Каждым элементом можно управлять дистанционно: применяемый для этого микропроцессор обеспечивает полноценную поддержку стека TCP/IP и протокола сетевого управления SNMP, который реализует выполняемая процессором программа-агент. Программно-аппаратный агент SNMP eSCape на базе однокристального контроллера RISC дает возможность управлять устройствами, ранее не подключаемыми к сети. Протокол SNMP выступает здесь в качестве стандартного метода контроля и управления оборудованием по сети передачи данных с управляющей станции. Физическое соединение управляющей станции и конкретного микропроцессора реализуется по стандартному интерфейсу Ethernet (можно использовать также соединение PPP).

Несмотря на высокий уровень помех, создаваемых при работе электрофильтров, волоконно-оптический кабель не потребовался. Компоненты системы верхнего и нижнего уровня соединил обычный кабель STP Категории 5. Защиту от помех обеспечило правильное заземление.

Рабочее место системного оператора представляет собой ПК под управлением ОС Linux 7.1. Это может быть любой компьютер, сконфигурированный для работы в Internet/Intranet и подключенный к сети, что позволяет единообразно управлять разнородными устройствами и использовать для этого такие платформы сетевого управления, как HP OpenView компании Hewlett-Packard, SNMPc от Castle Rock и другие подобные продукты. В настоящее время протокол SNMP стандартно поддерживается большинством операционных систем.

Для дистанционного контроля, управления процессом газоочистки, ведения журнала событий, сбора и анализа данных был разработан программный комплекс EscView для ОС Linux или Windows (см. Рисунок 3). Все события, происходящие в системе, регистрируются, собирается статистическая информация, благодаря которой можно получать подробные отчеты по параметрам процесса газоочистки и анализировать тенденции.

Рисунок 3. Графический интерфейс оператора системы. Состояние базы данных визуализируется с помощью логики Web-сервера Apache и программ, написанных на Perl.

Система базируется на СУБД MySQL и полностью написана на языке Perl. Программа-монитор непрерывно опрашивает состояние контроллеров (агентов SNMP), адреса которых хранятся в базе данных. Изменения фиксируются в БД, а новое содержимое заданных полей базы данных (команды оператора) передается по сети контроллерам. Смена состояний контроллера может сопровождаться асинхронным прерыванием с последующим опросом устройства. Такая логика работы реализуется через прерывания SNMP, команды Get, Get next, Set (см. Рисунок 4). Время реакции системы составляет 10-20 мс, что вполне достаточно для данного проекта.

В настоящий момент описанная архитектура успешно реализована — в начале текущего года завершена реконструкция третьей установки газоочистки. Разработанные элементы системы могут применяться во многих областях промышленной автоматизации в качестве дешевой и надежной основы для сбора и доставки информации, анализа ситуации и принятия решения и т. д. Такой подход позволяет снизить стоимость системы управления при обеспечении достаточного уровня надежности и расширении функциональности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Протокол SNMP традиционен для сетевой среды. Он позволяет применять существующие платформы управления, допускает объединение модулей управления с помощью оборудования разных производителей, обеспечивает реализацию общих функций управления и оповещения. В последние два года начали проявляться такие тенденции, как использование в системах автоматизации сетей Ethernet (в том числе и на уровне контроллеров), а также технологий Internet для автоматизации технологических процессов и их интеграции с корпоративными системами. Это обусловлено спросом на законченные, комплексные решения, объединяющие объекты автоматизации в единую систему.

Решение «Стинс Коман» — хороший инструмент для создания распределенных систем управления на базе стандартных сетевых протоколов. Преимущества данной системы в ее универсальности, эффективности и надежности за счет применения распределенной двухуровневой структуры управления, а также в оптимальном соотношении цены и функциональных характеристик по сравнению с аналогами. Такой подход дает возможность объединять управляемое оборудование и популярные системы сетевого управления с поддержкой SNMP для сбора информации с распределенных датчиков, обеспечивает управление технологическим оборудованием, накопление статистики, обработку аварийных ситуаций и графического представления состояния устройств.

ТЭС «Фалай»

Вьетнам.

Факты. ТЭС «Фалай» мощностью 2000 МВт, построенная по проекту института «Ростовтеплоэлектропроект», — одно из крупнейших предприятий энергетики Вьетнама, от которого во многом зависит стабильность энергосистемы страны. Для соблюдения требований экологической безопасности и сбережения ценного сырья перед предприятием встала задача создать эффективную систему управления электрофильтрами очистки выбросов ТЭС.

Задачи. Создание системы управления для обеспечения максимально эффективной работы электрофильтров и осуществления централизованного сбора, обработки, отображения информации. Система должна гарантировать стабильное управление электрофильтрами, контроль их функционирования с рабочей станции оператора ТЭС.

Решение. Система управления электрофильтрами призвана управлять агрегатами питания и исполнительными механизмами с отображением и управлением хода процесса очистки с ПК (рабочей станции оператора). С помощью современных микропроцессоров она осуществляет контроль и автоматическое управление агрегатами питания, механизмами очистки электродов и удаления собранной пыли из электрофильтра. Рабочие параметры и состояние каждого элемента электрофильтра постоянно контролируются и анализируются, что позволяет оптимизировать процесс. Комплексный подход к автоматизации управления работой электрофильтра способствовал существенному снижению потребления электроэнергии и увеличению сроков физического износа оборудования. Система может применяться для управления электрофильтрами любого типа с различными агрегатами питания для промышленной и санитарной очистки газов.

Вывод. Нередко Ethernet считают недостаточно детерминированной средой, не позволяющей обеспечить высокую точность управления, необходимую в некоторых промышленных системах. Однако во многих случаях применение в АСУ ТП протокола управления SNMP из семейства TCP/IP дает возможность единообразно и эффективно управлять всеми аппаратными средствами. Построенные на основе однокристального контроллера RISC программно-аппаратные агенты SNMP отличаются невысокой стоимостью и предлагают широкий выбор вариантов сопряжения с управляемым объектом.