Технические науки/12.Автоматизированные системы

управления на производстве

 

 

к.т.н. Кенжебаева Ж.Е.

 

Каспийский Государственный университет Технологий и Инжиниринга имени Ш.Есенова, Казахстан

 

Реализация автоматизированных систем управления технологическими процессами добычи и транспортировкой нефти

 

 

Реализацию АСУ ТП добычи и транспортировкой нефти лучше всего показать на примере компании «КазТрансОйл».

Как известно, компания «КазТрансОйл» является национальным оператором сети магистральных нефтепроводов и обладает крупнейшей сетью магистральных нефтепроводов Казахстана, распределенной на значительных и удаленных территориях нашей страны. Она обеспечивает перемещение почти 95 процентов продукции всего нефтегазового производства страны. «КазТрансОйл» с первых лет основания является лидером страны по внедрению в производство прогрессивных технологий, международных стандартов качества и информационной безопасности, за что был отмечен дипломом победителя республиканского конкурса на соискание премии президента РК «За достижения в области качества». В Казахстане «КазТрансОйл» реализовал такие уникальные проекты, как SAP/R3, SCADA, ГИС, ВОЛС, стал первой компанией страны, внедрившей международный стандарт информационной безопасности. Одним из выдающихся проектов компании стало внедрение системы диспетчерского контроля и управления (SCADA). Эта система, реализованная в АО «КазТрансОйл», является одной из крупнейших в мире иерархической системой управления нефтепроводами, распределенной на значительной территории.

Процесс перекачки нефти требует постоянного мониторинга за состоянием нефтепроводов, техническими параметрами производства, оперативного управления технологическим оборудованием. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления SCADA, а также действующие системы промышленной безопасности, линейной телемеханики нефтепроводов и другие дают возможность увеличить надежность и безаварийность эксплуатации всей системы нефтепроводов, обеспечить непрерывный контроль за состоянием технологического оборудования, работой эксплуатационного персонала. В результате действия этих систем в целом повышается эффективность производственно-экономической деятельности.

Такие мощные и технически сложные системы как SCADA призваны служить долго и надежно. В  АО «КазТрансОйл» внедрение данной системы было разбито на 2 этапа: в рамках первого, в 2001-2006 годах, компания осуществила реконструкцию и модернизацию систем автоматики нефтеперекачивающих станций, станций подогрева нефти общим количеством 23 объекта. Также система диспетчерского контроля и управления технологическими процессами была внедрена на 10 пунктах регионального, центрального и главного диспетчерских управлений.

Сейчас, согласно Программе развития нефтепроводов АО «КазТрансОйл» на 2007-2013 годы, идет процесс реализации второй очереди внедрения автоматизированных систем управления, включающий реконструкцию систем автоматизации, внедрение SCADA и систем промышленной безопасности. Уже сдана в эксплуатацию система на четырех объектах «КазТрансОйл», а в течение 2009-2010 годов планируется внедрение SCADA на двух крупных объектах производственных филиалов. Более того, в связи с реализацией проектов по строительству новых нефтепроводов в недалеком будущем планируется модернизировать иерархическую структуру SCADA.

В целом деятельность компании построена таким образом, чтобы минимизировать расходы на перекачку нефти при сохранении экологии, безопасности персонала и оборудования. На повестке дня стоит целый ряд важных проектов, среди которых внедрение системы обнаружения утечек, автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), системы охранно–периметральной сигнализации и видеонаблюдения, производственных и технологических объектов нефтепроводов, строительство системы измерения количества и показателей качества нефти на 4 и 5 причалах морского порта Актау и на проектируемом пункте сдачи приема «1237 км», а также модернизация иерархической структуры системы SCADA в связи с реализацией новых проектов по строительству нефтепроводов. Работы предстоит немало, ведь, перенимая и внедряя новейшие технологии в производство, АО «КазТрансОйл» не просто расширяет свой потенциал, но и вкладывает в будущее, в котором оперативность и качество по-прежнему будут главными составляющими успеха.

В последние годы для создания АСУ ТП широкое применение получили различные технологические языки программирования, доступные для понимания не только программистам, но и инженерам-технологам. В результате, в настоящее время мы имеем программные пакеты для создания интерфейса человек-машина (MMI) и программного обеспечения операторских станций АСУ ТП (SCADA) [1]. В связи с тем, что технологические языки легко поддаются унификации, таких программных пакетов разработано превеликое множество, и, более того, под них разрабатываются собственные языки программирования. Для того, чтобы как-то упорядочить этот "беспорядочный процесс", в 1993 году был принят стандарт Международной Электротехнической Комиссии IEC-1131-3 [2]. Стандарт описывает пять языков программирования программируемых логических контроллеров: Sequential Function Chart (SFC), Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagrams (LD), Structured Text (ST), Instruction List (IL) [3]. Наиболее популярными в среде программистов являются языки ST и IL, так как они вобрали в себя наиболее общие операторы языков программирования типа Pascal и Assembler. Но практика показала, что для инженеров-технологов наиболее понятен язык функциональных блоковых диаграмм (FBD). Этот язык не что иное, как перенос идей языка релейно-контактной логики (LD) на другую элементную базу. Вместо реле используются функциональные блоки, по внешнему виду – микросхемы [4]. Алгоритм работы некоторого устройства, выраженный средствами этого языка, напоминает функциональную схему электронного устройства: элементы типа логическое "И", логическое "ИЛИ" и т.п., соединённые линиями [5]. Язык FBD служит для построения и детального описания алгоритмов управления технологическими процессами. Он позволяет пользователю для систем любой сложности построить блок-схему алгоритма управления, состоящую из библиотечных блоков. Программный комплекс "АКИАР", разработанный программистами предприятия ООО "НПО ВЭСТ" (г. Томск) в сотрудничестве с кафедрой информационно-измерительной техники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, позволяет работать именно с этим языком программирования и имеет ряд отличительных особенностей от аналогичных программных продуктов. Стандарт МЭК IEC-1131 носит рекомендательный характер.

Программный комплекс "АКИАР" включает все основные возможности SCADA-систем. Аналогом такой программы является инструментальная система программирования алгоритмов "КОНГРАФ" (ОАО "МЗТА", г. Москва) для регуляторов типа "MC", построенных на дорогих микроконтроллерах. Программный комплекс "АКИАР" предназначен для работы с регуляторами, построенными на недорогих микроконтроллерах. "АКИАР" совмещает графический редактор функциональных блоков и программу моделирования АСУ ТП, которые интуитивно понятны пользователям, имеющим самое общее представление о SCADA-системах. Значительным преимуществом программного комплекса "АКИАР" над системой "КОНГРАФ" является независимая от алгоритма управления система ввода, вывода и индикации параметров промышленного регулятора. Такая система имеет гибкую логику, позволяет обозначать параметры на английском и русском языках, имеет древовидное (структурированное) меню.

Структурная схема "АКИАР" представлена на рисунке 1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1.1 - Структурная схема "АКИАР"

 

Графический редактор предназначен для составления инженером-технологом блок-схемы алгоритма управления, на базе, заложенной в программу библиотеки функциональных блоков. В настоящее время библиотека насчитывает 43 блока, которые имеют различное функциональное назначение: от простых математических операций до ПИД-регулирования. Пользователь не имеет возможности создавать новые блоки. В графическом редакторе пользователь имеет возможность по своему усмотрению установить на блок-схеме точки снятия и ведения архивных данных (до 6 параметров).

Программа моделирования позволяет имитировать созданный алгоритм управления. С помощью того же графического редактора пользователь может создать модель объекта управления или имитатор объекта, состоящий из соответствующего набора цифровых входов и аналоговых выходов. Неотъемлемой частью всех SCADA-систем является монитор отображения поведения переменных процесса в виде графиков в режиме реального времени [6]. При моделировании объекта управления пользователь имеет возможность подключать внешние модули, имитировать сложные функциональные узлы, такие как линии задержки, источники шума, гистерезис исполнительных механизмов и др. В результате моделирования и получения визуального представления о поведении объекта управления в виде графиков пользователь может исключить ошибки ещё на стадии проектирования. Особенно это полезно при построении крупных блок-схем сложных АСУ ТП, где возможно допустить ошибку по элементарной невнимательности. И, наконец, модуль внешней связи с конкретным оборудованием, который реализует возможность экспорта готовой блок-схемы в виде откомпилированного сценария алгоритма управления во FLASH-память микропроцессора промышленного контроллера. Логический интерфейс использует стандартный протокол MODBUS фирмы MODICON GOULD [2], поэтому программный комплекс "АКИАР" можно использовать для отображения, архивирования, осциллографирования, операций базы данных внешних устройств и т.п.

Сделаем краткий промежуточный вывод: программный комплекс "АКИАР" имеет все основные функции SCADA-систем, за исключением, например, трёхмерной графики ("Trace Mode 5"), импорта видео и т.п. не "жизненно важных" модулей.

Рассмотрим функциональность АСУ на фоне конкретных технологических процессов. Такие мощные программные пакеты SCADA-систем как "Genesis", "Trace Mode", "Genie" являются многофункциональными и предназначены, прежде всего, для крупных АСУ ТП. Для своей реализации такие системы требуют мощных и дорогостоящих промышленных контроллеров, а так же значительных временных затрат для моделирования переходных процессов. При транспортировке нефти использование дорогостоящих контроллеров не совсем оправдано. В таких системах на первый план выходит экономическая целесообразность использования АСУ. Поэтому в настоящее время наиболее актуально построение таких АСУ ТП на недорогих контроллерах, отвечающих минимальным требованиям функциональности SCADA-систем. Введём понятие "локальной автоматизированной системы управления". Под локальной будем понимать АСУ, которая состоит из контроллера, построенного на гибкой логике, интерфейс ввода/вывода данных "контроллер - персональный компьютер" и автоматизированного рабочего места. SCADA-системы отвечают этим требованиям только при наличии полного пакета автоматизации, т.е., начиная со стадии проектирования и заканчивая внешними модулями расширения автоматического регулятора (контроллера). На базе программного комплекса "АКИАР" создан и реализован автоматический регулятор типа "ВЭСТ", который построен на гибкой логике и отвечает всем описанным выше требованиям, т.е., во-первых, локальности; во-вторых, функциональности, достаточной для рассматриваемых систем; в-третьих, экономичности.

Таким образом, возможно создание различных алгоритмов управления технологическими процессами на языке функциональных блоков (FBD), который понятен не только программистам, но и инженерам-технологам. АСУ ТП могут быть  построены на базе недорогих контроллеров отвечающих всем требованиям современных SCADA-систем и являющимися экономически эффективными в области энергосбережения.

 

Литература:

1. Уткин А.И. Глобализация: процесс и осмысление. - М., 2001. - С. 14.

2. Шафраник Ю. Мировой рынок нефти: взгляд из России // Нефтегазовая вертикаль. - 2001. - №18. - С. 78.

3. Зозуля Ю.И., Братцев СИ., Кабальнов Ю. С. и др. Автоматизированная система хранения и обработки диагностической инфор­мации на основе концепции многомерных баз данных применительно к объектам нефтедобычи // Сборник трудов научн.-тех. конференции “Проблемы нефтегазового комплекса России”. — Уфа: УГНТУ, 1998.- С.10-12.

4. Конопляник А.А. Мировой рынок нефти: возврат эпохи низких цен? (послед­ствия для России). Открытый семинар «Экономические проблемы энергетического комплекса». - Второе заседание 26 мая 1999 года. - М.: Изд-во ИНП РАН, 2000. – С.120.

5.  Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть… // СТА. – 1996. - №1. - С.32-35.

6.  Пичков С.Н., Кадашов А.Н. Автоматизированная система оперативной диагностики потенциально опасных промышленных объектов // Безопасность труда в промышленности. – 1996.- №4.