Информационные технологии

Проектирование распределенной системы управления золотоизвлекательных фабрик в условиях Крайнего Севера

О.В. Лазарева — к.т.н., доцент кафедры автоматизации производственных процессов Иркутского государственного технического университета

Для технологических объектов отрасли, как объектов автоматизации, характерными являются следующие особенности: наличие разнородных функциональных задач, возникающих при автоматизации; сравнительно высокий уровень автоматизации существующих ТОУ; повышение актуальности задач оптимизации и др. Современный этап развития АСУ ТП характеризуется применением индустриальных технологий создания и внедрения АСУ ТП на базе серийно выпускаемых промышленных контроллеров, совместимых с персональными компьютерами и мощных программно-технических комплексов (ПТК) поддержки программирования АСУ ТП — SCADA систем, а также развитием сетевых технологий.

Архитектура АСУ ТП весьма существенно влияет на состав программно-аппаратных средств. АСУ ТП подразделяются на два основных типа:

  • централизованные АСУ ТП;
  • распределенные АСУ ТП.

Централизованные АСУ ТП являются комплексами, как правило, занимающими единое ограниченное производственное пространство с централизованной подсистемой обеспечения электропитанием и магистралями для обмена информационными потоками.

Распределенные АСУ ТП строятся на базе объектов, расположенных на различных, отчасти далеко расположенных, закрытых и открытых площадках. Именно эта особенность накладывает определенные структурные требования при проектировании распределенных АСУ ТП.

Основными техническими требованиями при проектировании распределенных АСУ ТП ЗИФ являются:

  • обеспечение широкого температурного диапазона работы технических средств локальных систем автоматического управления (САУ);
  • распределенная система электропитания;
  • обеспечение надежного контура заземлений на каждой отдельной площадке объекта автоматизации;
  • защита контрольно-измерительных и информационных каналов от внешних воздействий, а также усиление передаваемых сигналов;
  • выбор оптимального, с точки зрения эффективности, надежности и взаимозаменяемости составных частей, удовлетворяющего международным стандартам контроллерного оборудования;
  • выбор оптимального, с точки зрения пылевлагонепроницаемости, а также защиты от электромагнитного излучения, коррозии и др. факторов, удовлетворяющего международным стандартам конструктива шкафа цехового контроллера, шкафов автоматики локальных САУ и автоматизированного рабочего места системного инженера (АРМ);
  • обеспечение высоконадежных каналов обмена технологической информацией между отдельными автоматизированными объектами и централизованной системой управления и контроля;
  • резервирование основной аппаратуры контроля и управления, а также наиболее важных каналов передачи информации;
  • обеспечение аппаратного и программного аварийного останова технологического комплекса при аварийных ситуациях;
  • обеспечение высокоэффективного человеко-машинного интерфейса в системе визуализации и мониторинга;
  • обеспечение обмена данными по информационным каналам в реальном масштабе времени;
  • эффективная, с точки зрения скорости обнаружения неисправности, и надежная диагностика программно-аппаратных средств;
  • обеспечение обслуживающего персонала качественной эксплуатационной документацией, а также инструментом для монтажа и диагностики.

Описание системы управления и выполняемых ею функций

Традиционно, ИСУ представляют в виде многоуровневой иерархической модели (рис. 1 а). Такое строение обеспечивает повышенную устойчивость системы к внешним возмущениям и позволяет локализовать конфликты, возникающие внутри нее. Низшей ступенью (нулевым уровнем) АСУ ТП является комплекс локальных систем контроля и автоматического регулирования. Более высокими по иерархии ступенями являются соответственно информационная и управляющая подсистемы АСУ ТП.

№3_toms_ris1АСУ ТП ЗИФ создается как основная часть АСУ ТП, которая, в свою очередь, имеет возможность интегрирования в систему управления золотоизвлекательной фабрики ЗИФ (ИСУ ЗИФ, рис. 1 б). АСУ ТП ЗИФ является системой типа «человек-машина» и включает в себя программно-технические средства автоматизации и персонал, участвующий в функционировании системы и обеспечивающий ее работоспособность.

АСУ ТП ЗИФ выполняет следующие функции:

  • функции автоматического управления;
  • функции контроля состояния автоматизированного управления оборудованием;
  • внутрисистемные функции;
  • функции оперативно-производственного персонала.

Проектом предусматривается возможность предоставления следующих данных в ИСУ ГОКа:

  • текущее состоянии технологического оборудования (с формированием архива);
  • выход контролируемых параметров за допустимые (регламентные) границы;
  • время и место возникновения отказа оборудования (с формированием отчета);
  • АСУ ТП ЗИФ одновременно контролирует текущее состояние систем пожарной сигнализации («работа», «неисправность», «пожар») и состояния вентсистем.

На первом уровне АСУ ТП ЗИФ осуществляется сбор информации от датчиков, с последующей передачей этой информации на второй уровень, также осуществляется выдача воздействий на объект управления, в соответствии с управляющими сигналами, пришедшими с верхнего уровня управления.

Второй уровень отвечает за первичную обработку входных данных, автоматическое управление, выявление предаварийных ситуаций. В результате реализации функции сбора и первичной обработки информации, полученной от первого уровня, формируется массив текущих значений технологических параметров. Формирование управляющих воздействий осуществляется путем передачи управляющих сигналов на нижний уровень для выдачи воздействий на объект управления. Также в системе, при определении предаварийных ситуаций, формируется массив данных о состоянии технологических защит и блокировок, который передается в систему для визуализации на АРМе оператора (диспетчера).

Одной из функций ПТК второго уровня системы является самодиагностика. В результате самодиагностики, формируются массивы данных диагностического состояния системы. Функция контроля технологических параметров в системе формирует данные об отклонениях значений технологических параметров от норм, указанных в технологическом регламенте и передает их на третий уровень для хранения и визуализации.

Третий уровень системы реализует функцию предоставления информации оперативному персоналу, производит архивирование данных о ходе технологического процесса и осуществляет передачу информации в ИСУ ГОКа.

В составе АСУ ТП ЗИФ выделены следующие подсистемы:

  • СУ дробильного комплекса, включая ЛСУ комплектного оборудования;
  • СУ главного корпуса (все отделения, за исключением плавильного отделения), включая ЛСУ комплектного оборудования (рис. 2).

На 1 уровне КТС реализуются следующие функции:

Для подсистемы дробильного комплекса:

  • измерения технологических параметров (уровня в бункере, вес руды на конвейере, температуры, скорости потока жидкостей (маслостанция) и т.д.);
  • управления электроприводами, пневмоприводами;
  • сигнализации состояния ЛСУ дробилок, исполнительных механизмов технологического оборудования, светозвуковая сигнализация запуска оборудования с незакрытыми подвижными частями;
  • защиты (двигателей от перегрузки, блокировки технической безопасности, алгоритма работы оборудования).

Для подсистемы главного корпуса:

  • измерения технологических параметров (давления, вес руды на конвейере, значения PH, значения проводимости, температуры, уровня в емкостях и дренажных приямках, расход воды и реагентов, значения тока на электроприводах, состояние оборудования с ЛСУ и т.д.);
  • регулирования уровня в емкостях с растворами, дозировка подачи воды и реагентов, регулирование частоты вращения электроприводов;
  • управления электроприводами, пневмоприводами;
  • защиты (двигателей от перегрузки, насосов от работы насухую, переливов емкостей с раствором, превышении ПДК ЯВ, блокировки технической безопасности, алгоритма работы оборудования).

№3_toms_ris2На 2 уровне КТС реализуются следующие функции:

  • сбор и первичная обработка измерительной информации с датчиков (преобразователей) технологических параметров;
  • контроль функционирования технологического оборудования с выявлением нештатных и аварийных ситуаций;
  • автоматическое управление (включая функции защиты) исполнительными механизмами;
  • автоматический прием и выполнение команд оператора (диспетчера) на изменение режимов работы;
  • защита от несанкционированного доступа к информации.

На 3 уровне КТС реализуются традиционные для этого уровня функции (централизованный сбор информации от компонентов второго уровня каждой из подсистем; диагностика комплекса технических средств; регистрация работающего с АРМ персонала; формирование и отображение отчетной документации и т.д.)

Часть технологического оборудования оснащена локальными системами управления (ЛСУ). Таким оборудованием являются:

  • шаровые мельницы МШЦ;
  • станции отбора проб;
  • сгуститель и станция дозировки флокулянта;
  • установка предварительного цианирования;
  • установка сорбционного цианирования CIL;
  • установка десорбции; печь реактивации; компрессоры фирмы Atlas Copco.

Системы выполняют функции измерения параметров работы технологического оборудования, выдачи управляющих воздействий, управления двигателями (пуск, останов, необходимые блокировки), сбора и хранения данных о работе технологического агрегата, диагностики.

Описание комплекса технических средств

Основу технических средств для измерения технологических параметров составляют датчики, выпускаемые известными отечественными и зарубежными фирмами и хорошо зарекомендовавшие себя в условиях обогатительных фабрик. Все используемые средства измерения имеют стандартный выходной сигнал 4-20 мА. При нормальном ходе технологического процесса диапазон изменения измеренной величины составляет от 50 до 80% диапазона измерения. Все измерительные системы имеют легкодоступную регулировку нуля и шкалы. Все датчики имеют исполнение и степень защиты, соответствующие условиям окружающей среды в месте установки.

Пневмоприводы запитываются сжатым воздухом приборного качества давлением до 7 бар, для чего устанавливаются компрессоры с устройством очистки и осушки воздуха. Вся регулируемая арматура оснащается датчиками положения со стандартным сигналом обратной связи и конечными выключателями. Управление приводами ведется сигналом 4-20 мА, для чего используются электропневмопреобразователи.

Для регулируемых электроприводов предусматривается использование частотных преобразователей типа Micromaster 430, позволяющих изменять скорость, и соответственно, производительность оборудования. Управление ЧП выполняется поинтерфейсу Profibus DP. Запорная арматура оснащается электрическими приводами с дискретным управлением.

Оборудование КИП и А выбрано так, чтобы обеспечить устойчивую надежную работу систем контроля и регулирования, точность, отвечающую требованиям технологического процесса.

Выбор состава контроллерного оборудования является наиболее важным в архитектуре распределенного АСУ ТП. Оптимальным решением принято применение промышленных контроллеров на базе открытых систем. Данные контроллеры по своей архитектуре и технологии соответствуют известным международным стандартам и имеют следующие основные характеристики:

  • системная шина VMEдля фронтальных котроллеров цехового применения;
  • встроенная операционная система реального времени OS9, предназначенная для промышленных контроллеров;
  • мезонинная технология с ориентацией на гибкую конфигурацию; прикладное обеспечение на базе открытых инструментальных систем типа ISaGRAF(стандарт IEC6131-3);
  • стандартный сетевой интерфейс типа Ehternet, Profibus; широкий выбор взаимозаменяемых модулей УСО; конструктив типа «Евромеханика», обеспечивающий удобство монтажа, механическую совместимость, высокую помехозащищенность и сертифицированную защиту от механических и климатических воздействий.

Программно-технический комплекс построен на базе системы WIN CC и S7 компании Siemens. Проектом предусмотрено использование распределенной структуры управления на основе CPU-416-2, станций ET200M компании Siemens. Они расположены в шкафах управления ШУ.

Третий уровень включает в себя:

  • WINCC сервер базы данных, в котором хранится необходимое количество значений измеряемых и управляемых переменных. Сервер WinCC собирает данные из процесса, архивирует и передает их на клиентское оборудование, отсылает отчет в реальном времени на рабочие и инженерные станции, осуществляет передачу и получение данных из ИСУ ГОКа.
  • инженерную станцию — обычный, но мощный компьютер с двойным или тройным дисплеем, в который загружены все необходимые программы для обслуживания и доступа в сеть, а также все утилиты для конфигурации и техобслуживания системы (переменные и административные отчеты, тестирование сети, показ конфигурации и т.д.). Как правило, инженерная станция предназначена для обслуживания системы, но при необходимости может быть использована как станция оператора ведения технологического процесса.
  • операторскую станцию (АРМ), расположенную в операторском пункте главного корпуса. Станция имеет двойной или тройной дисплей, т. к. современная технология многооконного дисплея операторского интерфейса дает возможность контролировать процесс, используя одновременно несколько фрагментов процесса. На дисплее операторской станции отражены отчеты в реальном времени.
  • панели оператора Simatic OP270, расположенные в операторском пункте дробильного комплекса. Панель выполняет функции локального оперативного управления, визуализации и обработки данных.

Все технические средства второго и третьего уровня системы управления запитываются от источников бесперебойного питания, обеспечивающих автономную работу, как минимум, в течение 30 минут с последующим корректным выключением компьютеров. Наличие источников бесперебойного питания гарантирует сохранение целостности данных при перебоях электроснабжения.

Шкафное оборудование.

На рынке предложений шкафного оборудования высокую конкурентоспособность имеет оборудование фирмы RITTAL. Шкафы по пылевлагозащищенности соответствуют международным стандартам, степень защиты IP54, высокая технологичность при сборке, широкая номенклатура составных частей и принадлежностей.

Шкафы АСУ ТП ЗИФ подразделяются на три типа по функциональному назначению:

  • шкаф фронтального контроллера напольный;
  • шкаф автоматики напольный; шкаф автоматики настенный.

По конструктивному назначению используемые шкафы подразделяются на два типа:

  • шкаф напольный типа DK7771 фирмы RITTAL; шкаф настенный типа АЕ1260 фирмы RITTAL.
  • Сетевое оборудование.

АСУ ТП ЗИФ использует внутренние и внешние физические интерфейсы для обмена информационными данными:

  • полевую сеть Profibus-DP, которая осуществляет связь между распределенной системой управления и ЛСУ, поставляемыми комплектно с технологическим оборудованием;
  • сеть Ethernet связывает между собой главный ПЛК, сервер, станции оператора и инженерную станцию и позволяет использовать информационные ресурсы обогатительной фабрики пользователям, имеющим к ним доступ;
  • сеть optical Ethernet связывает между собой главный ПЛК и ПЛК дробильного комплекса.

При передаче данных применяется как магистральный, так и радиальный физический тип интерфейса:

  • ETHERNET внутренний, внешний магистральный;
  • PROFIBUS внутренний магистраль-ный/радиальный;
  • RS-485/232 внешний радиальный.

Для передачи данных на короткие расстояния (до 100 метров) применяется интерфейс Ethernet/Profibus с витой парой. Для расстояний между объектами более 100 метров рекомендовано применение оптической линии связи с кабелем, имеющим соответствующие технические характеристики оптических преобразователей.

Физическая среда передачи данных интерфейса PROFIBUS соответствует стандарту PROFIBUS (DIN 19245).

Физическая среда передачи данных интерфейса RS-485 соответствует стандарту EIA RS-485.

Физическая среда передачи данных интерфейса ETHERNET соответствует стандарту IEEE 802.3.

Резервирование

В решениях по увеличению надежности автоматизированных систем краеугольным камнем является резервирование. Существуют разные подходы к реализации стратегии резервирования. Многое сводится к выбору между стоимостью и надежностью оборудования. Оптимальных решений, как правило, нет, однако есть базовые принципы, которые следует соблюдать при проектировании распределенных АСу ТП, а именно:

  • резервирование цеховых (фронтальных) контроллеров;
  • распределение функций в многопроцессорной системе фронтальных контроллеров;
  • резервирование информационной магистрали или локальных контроллеров наиболее ответственных объектов;
  • резервирование цепей аварийного останова системы; резервирование контрольно-измерительных каналов (по необходимости).

Исходя из этого, в АСу ТП ЗИФ резервируются следующие элементы:

  • фронтальный контроллер;
  • оптический канал PROFIBUS локального контроллера узла подключения;
  • коммутационные цепи аварийного останова.

Кроме того, производится распределение функций в двухпроцессорной системе фронтальных контроллеров.

Электроснабжение

Основное электропитание шкафов автоматики и фронтальных контроллеров распределенных АСу ТП осуществляется от сети переменного тока 1 категории напряжением ~220В +22/-33В, частотой 50 Гц и от ЩПТ (щит постоянного тока) постоянным током напряжения =220В +22/-33В (резервное питание).

Для защиты от провалов выходного напряжения и нарушения работоспособности питаемого электронного оборудования, основное электропитание локальных и фронтальных контроллеров дублируется от резервного источника питания постоянного тока напряжением =220 В (аккумуляторная батарея).

Для управления ЭПуу кранов к шкафам автоматики подается питание постоянного тока напряжения =220 В от щита постоянного тока (ЩПТ).

Питание датчиков, подключаемых к шкафам автоматики, осуществляется от источников постоянного тока напряжением =24 В этих шкафов.

Для бесперебойного питания автоматизированного рабочего места сменного инженера (основного и резервного АРМ СИ) применяется бесперебойный ИП (ИБП) без обслуживания батарейного питания, работающий от цепей переменного тока ~220В и внешней аккумуляторной батареи =220 В.

Устройства релейной защиты, автоматики и управления ответственных
элементов имеют постоянно действующий контроль состояния цепей питания ~220B и =220В.

Контур защитного заземления АСу ТП ЗИФ соединяется по типу с глухозаземленной нейтралью для основного оборудования, расположенного на базовой площадке, и по типу с изолированной нейтралью для периферийных площадок. Контур защитного заземления с сопротивлением растеканию тока не более 4 Ом объединяется с рабочим заземлением на уровне распределительных коробок либо составляет общее рабочее заземление.

Заключение

Проектирование и создание современных систем управления основывается на разработке и применении адаптивных интеллектуальных систем, работа которых невозможна без использования вычислительной сети, которая включает в себя персональные компьютеры (ЭВМ), микроконтроллеры и большой набор модулей ввода/вывода.

Усложнение технологических процессов ставит задачи создания сложных распределенных иерархических систем (АСуТП), что обуславливает появление новых компьютерных технологий для интегрированных систем, объединяющих все уровни производства.

Компания ТОМС Инжиниринг, при разработке проектной документации, успешно решает задачи предъявляемые современным миром к автоматизированной системе управления обогатительными комплексами: повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда; возможность достижения максимальной эксплуатационной эффективности при минимальной избыточности и высокой надежности технических средств управления.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии» № 3(21)/сентябрь 2013 г.

Добавить комментарий

Ещё из этого раздела
Предотвращение столкновений при добыче полезных ископаемых
Обеспечение промышленной безопасности — это приоритет каждой...
Промышленный Wi-Fi: рациональные решения для организации сетей передачи данных
Тема организации надежной высокоскоростной беспроводной...
Новая версия Micromine 16.1 уже доступна для пользователей
Полное название статьи: «Новая версия Micromine 16.1 уже доступна...
Смешанная реальность в горнодобывающей отрасли
Полное название статьи: «Технология смешанной реальности...
Регионы
^ Наверх