Разработка АСУ ТП для горно-перерабатывающих

АСУ ТП фабрик по переработке
минерального сырья
ЗАО «ЭЛСИС» является инжиниринговым проектнопроизводственным объединением.
Мы уже более 10 лет разрабатываем и поставляем
Заказчикам современные автоматизированные системы
управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Это предприятия металлургии, горнорудной, угольной
промышленности, всевозможные насосные станции и
другие объекты.
Среди них есть как действующие предприятия, так и
сооружаемые вновь.
Мы считаем, что при создании автоматизированных
систем контроля и управления целесообразно использовать
программно-технический комплекс (ПТК) какой-либо одной
фирмы-производителя.
Этим обеспечиваются наиболее оптимальные решения по
обмену информацией между отдельными элементами
системы, упрощает структуру и облегчает в дальнейшем
обслуживание системы.
Так как наша фирма
является дистрибьютором
фирмы «Rockwell Automation»
(США), то, как правило, для
создания Систем мы
используем ПТК на базе
оборудования этой фирмы в
совокупности с оборудованием
других фирм.
При этом мы гарантируем
полную совместимость этого
оборудования по эргономике и
основным техническим
характеристикам с
оборудованием «Rockwell
Automation».
На примере создания АСУ ТП для модуля №2
обогатительной фабрики горнорудного объединения
«КАТОКА» в Анголе мы покажем наш подход к построению
подобных систем.
Для 2-го модуля обогатительной фабрики ГРО «КАТОКА»
разработана и частично уже внедрена комплексная
автоматизированная система контроля и управления.
На этом объекте большое внимание уделено также
автоматизации административной деятельности на
предприятии.
АСУ ТП модуля №2 фактически состоит из 2-х подсистем:
• Системы управления электроприводами;
• Системы контроля и управления технологическим
процессом.
Обогатительные фабрики и другие предприятия
горнорудной промышленности характеризуются большой
разветвленностью технологических потоков, многие из
которых резервируют друг друга. Тем самым обеспечивается
повышение надежности работы технологического комплекса
в целом.
Поэтому требования к автоматизированным системам
для контроля и управления такими комплексами также
повышенные.
Это обеспечивается, во-первых, за счет децентрализации
управления с организацией отдельных подсистем для
различных технологических участков на базе локальных
операторских пунктов.
Во-вторых, решение части задач, связанных с большим
быстродействием технологических операций выделено на
специализированные программно-технические комплексы
(СПТК).
И в то же время имеется возможность дублирования
управления технологическим процессом на любом участке
из центрального диспетчерского пункта.
Трехуровневое построение АСУ ТП наиболее
соответствует современному подходу в проектировании
комплексных систем автоматизации производства.
Классический подход к построению многоуровневых систем АСУ ТП
Уровень исполнительных устройств
На нижнем уровне АСУ ТП – уровне исполнительных
устройств, сосредоточены датчики, исполнительные
механизмы, программируемые контроллеры и силовые
элементы подсистемы управления электроприводами.
Уровень обеспечивает:
• сбор сигналов и их первичную обработку;
• выдачу управляющих команд исполнительным
механизмам и силовым элементам системы
управления электроприводами;
• передачу сигналов на Верхние уровни.
Уровень управления
На уровне управления установлены программируемые
контроллеры АСУ ТП, рабочие станции ЦДП и операторских
пунктов, технологический сервер, коммуникационное
оборудование локальной сети EtherNet.
Уровень обеспечивает:
• дальнейшую обработку сигналов, поступивших от 1-го
уровня;
• формирование управляющих команд для 1-го уровня;
• визуализацию технологических процессов;
• выдачу на экраны мониторов сообщений о
предаварийных и аварийных ситуациях;
• сбор информации, необходимой для формирования
технико-экономических показателей (ТЭП).
Инженерные рабочие станции
В состав уровня управления входят также инженерные
станции. Они обеспечивают:
• контроль за работой всего комплекса в целом;
• выдачу диагностических сообщений о работе Системы;
• сопровождение прикладного программного
обеспечения;
• внесение в прикладное программное обеспечение
необходимых изменений.
Информационный уровень
В основе информационного уровня находится база
данных, расположенная на сервере технологического
процесса, и автоматизированные рабочие места (АРМы)
специалистов, обеспечивающие автоматизацию
деятельности руководящего персонала и главных
специалистов фабрики (учет, планирование, анализ).
Информационный уровень обеспечивает
административное управление, на котором решаются задачи
планово-производственного, финансово-экономического,
кадрового и снабженческого уровней.
Основа АСУ ТП – программируемые логические
контроллеры ControlLogix 5000
• Мощность
• Масштабируемость
• Надежность
• Богатый выбор устройств ввода-вывода
Широкая номенклатура средств связи
• Ethernet
• Profibus
• ControlNet
• Modbus
• DeviceNet
• RS-232 / 485
• DH+ / RIO
• Нестандартные интерфейсы
• DH-485
Организация уровней АСУ ТП – локальные
вычислительные сети
Связь между отдельными элементами АСУ ТП
осуществляется с использованием различных локальных
вычислительных сетей (ЛВС).
Все ЛВС условно можно разбить на две группы:
• Глобальные, которые осуществляют связь между
технологическими участками и технологическим
сервером и обеспечивают работу АСУ ТП в целом.
К ним относятся EtherNet и ControlNet.
• Локальные ЛВС, которые обеспечивают работу АСУ
ТП в пределах отдельных технологических участков.
К ним относятся EtherNet, ControlNet, DeviceNet и RS485.
Локальные сети ControlNet и DeviceNet
Локальные сети ControlNet внутри каждого из технологических участков обеспечивают сбор входных сигналов и выдачу управляющих сигналов.
В качестве примера такой сети приведена ЛВС ControlNet
щита 4А участка обогащения.
Локальные сети DeviceNet используются для подключения
к АСУ ТП исполнительных механизмов, таких, как приводы
задвижек «AUMA».
Как пример такой сети показана схема ЛВС DeviceNet для
участка гравитационного обогащения.
Локальная сеть ControlNet
Локальная сеть DeviceNet
Локальные сети RS-485
Локальные сети RS-485 используются для подключения к
АСУ ТП отдельных элементов защиты и измерения в системе
электроснабжения, а также стоек управления PЛC и СПТК.
Локальные сети RS-485
1756-MVI – программируемый модуль
связи для организации взаимодействия
по нестандартным протоколам на базе
RS-232 / 485.
Использование программируемого модуля обусловлено
применением в качестве СПТК PC-совместимых контроллеров,
действующих, в том числе, под ОС DOS, и использующих
нестандартные протоколы связи.
Разработка выполнялась ранее для ОФ АЛРОСА и на данный
момент является практически «готовым решением».
Сеть управления - ControlNet
Глобальная сеть ControlNet организует связь
контроллеров технологических участков и контроллеров
исполнительного уровня в единую систему, что
обеспечивает передачу сигналов взаимной блокировки и
другой критической информации между участками АСУ ТП.
При этом с целью повышения надежности участки
глобальной сети ControlNet большой протяженности, также
прокладываемые в зоне сильных электромагнитных помех
выполнены оптоволоконным кабелем.
Глобальная сеть ControlNet
Информационная сеть - Ethernet
Информационная сеть Ethernet обеспечивает передачу
информации между управляющим и информационным
уровнями, а также функционирование систем отображения
технологической информации и автоматизации
деятельности управляющего персонала.
Информационная сеть - Ethernet
На представленной схеме сетей EtherNet видно, что
глобальная сеть обеспечивает связь центрального
коммутатора с коммуникационными шкафами
технологических участков. Для повышения надежности
системы эти связи выполнены оптоволоконным кабелем.
Внутри участков подключение отдельных элементов АСУ
ТП к коммутаторам выполнено с помощью медных кабелей.
Кроме того, центральный коммутатор позволяет в
перспективе обеспечить связь с внешними объектами
комплекса - для этих целей могут быть использованы 4
независимых выхода центрального коммутатора на
оптоволоконные кабели.
Информационная сеть - Ethernet
Особенности внедрения
В настоящее время, исходя из нашего опыта создания
подобных систем, известно, что особое внимание на этапе
внедрения систем АСУ ТП, следует уделять таким аспектам
как:
• повышение уровня помехозащищённости
оборудования и систем связи;
• повышение надежности электроснабжения комплекса
АСУ ТП;
• повышение уровня защиты применяемого
оборудования от влияния окружающей среды;
• обеспечение климатических условий по температуре и
влажности, требуемых для нормальной работы
оборудования.
Повышение помехозащищенности
Для борьбы с помехами в управляющих и
информационных сетях стандартными являются следующие
технические решения:
• Прокладка трасс для сетей отдельно от силовых
кабелей.
• Обеспечение, при параллельной прокладке,
требуемых зазоров между потоками силовых и
сетевых кабелей.
• Дополнительная защита сетевых кабелей экранами и
стальными трубами при невозможности выполнить
требования к раздельной прокладке.
Повышение помехозащищенности
При прокладке протяженных сетей наилучшим решением
является использование оптоэлектроники. В этом случае
схема прокладки оптоволоконных кабелей никак не влияет
на качество передаваемых сигналов. Так, например, для
модуля №2 приняты следующие решения:
• вся глобальная сеть EtherNet в пределах модуля №2
выполнена оптоволоконным кабелем;
• на участках глобальной сети ControlNet с наибольшей
протяженностью также использован оптоволоконный
кабель.
При наличии удаленных объектов в Системе возможно
также использование радиомодемы. Однако, в условиях
повышенной грозовой активности, подобное решение может
не дать желаемого результата
Отдельный пример…
На примере ЛВС участка электроснабжения показан подход
по повышению надежности работы АСУ ТП в условиях
больших электромагнитных помех.
Для этого локальная сеть ControlNet между отдельными
объектами участка электроснабжения выполнена
оптоволоконным кабелем, прокладываемым по одной трассе в
высоковольтными кабелями.
Локальные сети участка электроснабжения
Применение помехозащищенного оборудования
При проектировании систем управления следует
учитывать, что одним из существенных источников помех
для вычислительных сетей могут оказаться преобразователи
для питания электродвигателей. В подобных случаях мы
применяем следующий комплекс мер:
• применяются преобразователи, обеспечивающие
низкий уровень помех;
• применяются рекомендуемые фирмамипроизводителями преобразователей защитные
устройства (реакторы, фильтры и т.д.)
• учитываются рекомендации фирм-производителей
преобразователей о применении экранированных
силовых кабелей.
Повышение надежности электроснабжения
Для повышения надежности электроснабжения Системы
нами широко используются источники бесперебойного
питания (ИБП) фирмы APC. Питание их, как правило,
выполняется по схеме автоматического включения резерва
(АВР), реализуемого стандартными средствами фирмы
Schneider Electric.
Мощность ИБП выбирается исходя из реально
потребляемой мощности Системы, а также из требования
обеспечения безаварийной остановки работы Системы при
полной потере питания в сети.
Повышение надежности электроснабжения
Источники бесперебойного питания
Повышение надежности электроснабжения
Устройства защиты и автоматического ввода резерва
Повышение надежности электроснабжения
Слева – шкаф питания 1АВМ1 со схемой АВР. В нижней
части шкафа – место под установку ИБП.
Справа - панели силового открытого щита AН в
двухстороннем исполнении:
• 1-я панель – с программируемым контроллером;
• 2-я панель – с вводным и секционным выключателями.
Повышение надежности электроснабжения
1АВМ1
АН-1С
АН-2С
Защита от влияния окружающей среды
Для обеспечения защиты от окружающей среды и
обеспечения требуемых климатических условий целесообразно
обеспечить размещение оборудования АСУ ТП в
специализированных помещениях, оборудованных автономными
системами обогрева, кондиционирования и вентиляции.
Также немаловажным является выбор электроконструкций
для изготовления отдельных элементов Системы.
Мы в основном используем электроконструкции фирмы
«Rittal» (Германия), которые помимо удобства при монтаже и
обслуживании обеспечивают защиту оборудования АСУ ТП от
влияния окружающей среды. Также эти конструкции позволяют,
при необходимости, применять богатый набор автономных
средств для поддержания требуемых климатических условий
(вентиляторы, фильтры, кондиционеры, теплообменники и т.д.)
НКУ для ГРО КАТОКА
4А-1С
4А-2С
НКУ для ГРО КАТОКА
Панели силового закрытого щита 53A в одностороннем
исполнении со встроенной аппаратурой управления,
установленного непосредственно в производственном
помещении. Для обеспечения климатических требований
шкафы панелей №№1,4 и 5 оборудованы вентиляцией.
НКУ для ГРО КАТОКА
53А-1С
53А-2С
НКУ для ГРО КАТОКА
Шкаф с программируемым контроллером, встроенный в
силовой щит.
В верхней части монтажной панели установлен блок
питания для ЛВС DeviceNet.
НКУ для ГРО КАТОКА
НКУ для ГРО КАТОКА
Панели силового открытого щита 2_1А-1С в двухстороннем
исполнении:
• 1-я панель – с частотно-регулируемым
преобразователем серии PowerFlex700;
• 2-я и 3-я панели - с устройствами плавного пуска серии
SMC Dialog Plus.
НКУ для ГРО КАТОКА
2_1А-1С
НКУ для ГРО КАТОКА
Панели силового открытого щита 2_1А-2С в
двухстороннем исполнении:
• 1-я и 2-я панели – с устройствами плавного пуска
серии SMC Dialog Plus;
• 3-я панель - с частотно- регулируемым
преобразователем серии PowerFlex700.
НКУ для ГРО КАТОКА
2_1А-2С
НКУ для ГРО КАТОКА
Статистика.
В составе системы управления электроприводами нами
поставлены:
Щиты станций управления открытые одностороннего
обслуживания – 3 щита в составе 35 панелей.
Щиты станций управления открытые двухстороннего
обслуживания –
5 щитов в составе 60 панелей.
Щит закрытый одностороннего обслуживания – 1 щит в
составе 5 панелей.
Шкафы питания закрытые – 5 шкафов.
Посты местного управления - 112 штук.
НКУ для ГРО КАТОКА
Статистика
В составе автоматизированной системы управления и
контроля (АСУ ТП) нами поставлены:
Шкафы управления с программируемыми контроллерами,
серверами и коммутаторами – 17 шкафов.
Шкафы питания закрытые – 6 шкафов.
Пульты управления - 17 пультов.
Всего по системе поставлено:
Силовых щитов - 100 панелей.
Пультов управления - 17 пультов.
Шкафов управления различного назначения - 28 шкафов.
Постов местного управления – 112 штук.
Частотно-регулируемых преобразователей – 81 штук.
Устройств плавного пуска – 31 штук.
Выводы
Применяемый нами комплекс мер несомненно
увеличивает стоимость Системы, но однозначно повышает
надежность работы оборудования. Значительно снижается
вероятность сбоев в работе АСУ ТП, обусловленных
помехами при передаче данных и перерывами в
электропитании.
В целом, применение подобных решений увеличивает
сроки службы оборудования и уменьшает сроки аварийных
простоев, что, в итоге, приводит к снижению суммарной
затрат на создание и обслуживание системы.
Заключение
Учитывая опыт работ на объектах, а также то, что наша
фирма сотрудничает с ведущими производителями
современного электротехнического и вычислительного
оборудования, можно сказать, что пути дальнейшей
автоматизации процессов обогащения сырья будут
проходить в русле современного развития техники.