Автоматизированные информационно-управляющие системы электростанций


А. В. Голубев, И. К. Муравьев, Ю. В. Наумов














АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ



Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 681.5
ББК 32.965
     Г62

Рецензент: кафедра систем управления ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»








    Голубев, А. В.
Г62 Автоматизированные информационно-управляющие системы электростанций : учебное пособие / А. В. Голубев, И. К. Муравьев, Ю. В. Наумов. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 180 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0756-4



    Рассмотрены состав и требования к техническим и аппаратным средствам автоматизированных систем управления, описаны контроллеры, рабочие станции, сетевые средства, предложен обзор актуальных технических решений. Изложены теоретические основы разработки операторского интерфейса АСУТП на базе программно-технического комплекса.
    Для студентов технических специальностей, изучающих автоматизированные информационно-управляющие системы. Пособие может быть использовано при разработке прикладного программного обеспечения верхнего уровня АСУТП.

                                                          УДК 681.5
                                                          ББК 32.965





ISBN 978-5-9729-0756-4

     © Голубев А. В., Муравьев И. К., Наумов Ю. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        Оглавление


Введение............................................................4
ГЛАВА 1. Функциональные возможности АИУС............................5
1.1. Анализ факторов эффективности АСУТП как систематизирующей структуры энергоблока ТЭС...........................................5
1.2. Характеристика полномасштабных АСУТП и концепция разработки АИУС на базе ПТК...............................16
1.3. Общие задачи и технология разработки технической структуры ПТК.24
1.4. Логическая и функциональная структуры АИУС.................25
ГЛАВА 2. Состав и требования к техническим и аппаратным средствам АИУС..................................................38
2.1. Основные требования и современные технологии построения контроллерного уровня...........................................38
2.2. Устройства связи с объектом................................45
2.3. Технические решения по интеграции полевого оборудования....50
2.4. Общие требования к подсистемам ПТК.........................62
ГЛАВА 3. Информационно-вычислительный комплекс АИУС.................69
3.1. Состав информационно-вычислительного комплекса.............69
3.2. Решения по рабочим станциям ИВК............................71
3.3. Современные технологии автоматизации производства..........78
3.4. Проектирование человеко-машинного интерфейса...............82
3.5. Объектная иерархия........................................112
3.6. Порядок проектирования....................................116
3.7. Виды изображений..........................................118
3.8. Динамизация изображений...................................124
ГЛАВА 4. Сетевые средства АИУС.................................127
4.1. Системы и средства передачи информации....................127
4.2. Технические решения построений вычислительной сети в условиях режима реального времени............................................134
4.3. Основные требования и решения по обеспечению безопасности и безотказности работы сетей передачи данных..........................138
4.4. Анализ современных коммуникационных протоколов в рамках стандартов на цифровые системы контроля и управления...........145
ГЛАВА 5. Технические решения по структуре ПТК..................152
5.1. Обзор актуальных технических решений по структуре ПТК АСУТП....152
5.2. Современные решения по построению локальных, полномасштабных и цифровых АСУТП...............................164
5.3. Перспективы создания цифровых АСУТП.......................166
Библиографический список.......................................169
Приложение. Требования к разработке интерфейса операторской станции...........................................171

3

ВВЕДЕНИЕ


   Отличительной особенностью современных АСУТП энергоблоков ТЭС является их многофункциональность. Иными словами, сегодня АСУТП энергоблоков выполняют не только информационно-вычислительные функции (контроль оборудования; сигнализация; регистрация процессов; расчет техникоэкономических показателей и др.), но и управляющие функции (дистанционное дисплейное управление исполнительными устройствами; технологические защиты; блокировки и АВР; автоматическое регулирование и др.). Это послужило основанием называть их полномасштабными.
   Другой отличительной особенностью современных АСУТП является непосредственно программно-технический комплекс сетевой организации. Основными системообразующими элементами ПТК полномасштабных АСУТП служат микропроцессорные контроллеры, которые формируют базовый уровень управления (управляющий комплекс). Вторым важным компонентом ПТК являются компьютеры рабочих станций информационно-вычислительного комплекса. Соответственно прикладное программное обеспечение АСУТП включает в себя: технологические программы контроллеров; ППО рабочих станций (в том числе, оперативные базы данных АСУТП и мнемосхемы технологического объекта управления). При этом реализация типовых функциональных задач выполняется в основном на контроллерном (базовом) уровне управления.
   Оперативное управление в АСУТП, построенных на базе современных программно-технических комплексов (ПТК), осуществляется с операторских станций, функционирующих на верхнем уровне системы управления. В большинстве случаев они представляют собой стандартные персональные компьютеры, и управление осуществляется на основе информации, представляемой на экранах дисплеев.
   Современный операторский интерфейс включает в себя набор видеограмм (мнемосхем) и контекстных диалоговых окон. Их создают с помощью специализированных инструментальных программных средств SCADA, входящих в состав ПТК. Среди основных типовых функций, реализуемых посредством этих программных средств, выделяют: создание изображений, их динамизацию и привязку к объектам, реализующим обмен информацией с другими компонентами системы (контроллерами, рабочими станциями). Следует отметить, что большинство операций по созданию изображений схожи с имеющимися в стандартных графических редакторах. Кроме того, во многих ПТК имеется уже готовая библиотека типовых изображений, что значительно облегчает процесс создания операторского интерфейса.

4

ГЛАВА 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АИУС

1.1. Анализ факторов эффективности АСУТП как системообразующей структуры энергоблока ТЭС

   Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), построенные на базе электронных вычислительных машин (ЭВМ), начали вводиться в эксплуатацию на отечественных тепловых электростанциях в середине прошлого века. Эти системы реализовывались на вычислительных комплексах (СМ-2, СМ-1210, СМ-1634 и др.) и осуществляли исключительно информационно-вычислительные функции (контроль технологических параметров, расчет технико-экономических показателей, регистрация аварийных ситуаций и т. п.). Выполнение управляющих функций возлагалось на специализированные технические средства (аппаратура серий КАСКАД, АКЭСР, УКТЗ, УЛУ и т. д.). Отмеченная особенность позволяет отнести подобные АСУТП к классу систем контроля и управления (СКУ) и информационновычислительных систем (ИВС).
   С начала текущего века и до настоящего времени на многих электростанциях страны осуществляется замена традиционных СКУ и ИВС современными АСУТП. Необходимость такой замены объективно обусловлена не только физическим и моральным старением технических средств автоматизации и связанного с этим обстоятельством ростом эксплуатационных издержек, но и возросшими требованиями рынка к уровню автоматизации и управляемости энергетического оборудования в целом (в том числе для повышения точности регулирования энергосистемных параметров).
   Современные АСУТП строятся на базе программно-технических комплексов (ПТК) сетевой организации. В отличие от традиционных ИВС они выполняют не только информационно-вычислительные функции, но и все управляющие функции (дистанционное дисплейное управление исполнительными устройствами, технологические защиты, блокировки, автоматический ввод резерва, автоматическое регулирование, логическое управление и др.), которые ранее реализовывались специализированными СКУ.
   В общем случае техническая структура современной АСУТП энергоблока содержит: измерительные средства; информационно-вычислительный комплекс; управляющий комплекс; сетевой комплекс; исполнительные устройства.
   В качестве примеров технических структур современных АСУТП ниже приведены АСУТП энергоблока 1200 МВт ст. № 9 Костромской ГРЭС на базе ПТК «Квинт» и АСУТП ПГУ 190/220 МВт Тюменской ТЭЦ-1 на базе ПТК SPPA-T3000 (рис. 1.1, 1.2).


5

Датчики и исполнительные устройства Датчики подсистемы Датчики вибрации Кондуктометры,    Датчики и коммутационные    
                                          защит                            рН-метры               аппараты            
                          Тепломеханическое оборудование                               Электротехническое оборудование

Рис. 1.1. Пример технической структуры АСУТП энергоблока на базе ПТК «Квинт» (энергоблок 1200 МВт ст. № 9 КГРЭС)

СТКГпт

Вибробит

САУ ГТ

РУСИ 6 кВ РУСН 0,4 кВ щпт

Рис. 1.2. Пример технической структуры АСУТП энергоблока на базе ПТК SPPA-T3000 (энергоблок ПГУ 190/220 МВт Тюменской ТЭЦ-1)

Полевое оборудование

   Измерительные средства представляют собой совокупность датчиков технологических параметров, формирующих достаточную информацию о текущем состоянии технологического объекта управления.
   В информационно-вычислительный комплекс (ИВК) входят компьютеры рабочих станций (как правило, промышленного, иногда офисного исполнения). В качестве отдельных рабочих станций обычно выделяют: операторские станции, инженерные станции, событийную станцию, архивную станцию, станцию анализа архивной информации, станцию единого времени и др.
   Управляющий комплекс включает в себя микропроцессорные контроллеры ПТК, сгруппированные в системные модули по технологическим зонам и функциональным задачам. Сюда же относятся модули устройств связи с объектом (УСО), обеспечивающие преобразование аналоговых и дискретных сигналов в цифровую форму и обратное преобразование.
   К сетевому комплексу относятся сетевые средства, обеспечивающие информационную связь между отдельными компонентами системы (шлюзы, коммутаторы, концентраторы, сетевые карты компьютеров и контроллеров).
   Исполнительные устройства представляют собой совокупность устройств, осуществляющих управляющее воздействие на технологический объект (электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы и др.).
   Техническая структура современных АСУТП в основном определяется иерархией технологического объекта управления (например, подсистема водопарового тракта котла, подсистема турбогенератора и т. д.). При этом ряд функций реализуется специализированными подсистемами (например, подсистема вибродиагностики, подсистема релейных защит и автоматики и т. д.). В традиционных системах контроля и управления подсистемы обычно выделялись по типу используемых технических средств и выполняемых ими функций.
   В целом техническая структура АСУТП энергоблока должна обеспечивать требуемый объем автоматизации управляемого объекта и способствовать эффективной, безаварийной и комфортной эксплуатации технологического оборудования.
   Таким образом, можно отметить, что современные АСУТП имеют сложную иерархическую структуру, включающую уровень локальных систем управления (контроллерный уровень, уровень прикладного алгоритмического обеспечения) и уровень оперативного управления, называемый уровнем рабочих (операторских) станций, взаимодействующих между собой через сетевые средства маршрутизации потоков информации.
   При этом определяющей является роль ПТК, который служит основным системообразующим компонентом АСУТП. Поэтому от уровня аппаратного и программного обеспечения ПТК во многом зависит успешное и эффективное 8

функционирование всей системы в целом, в том числе, возможность практической реализации сложных алгоритмов управления.
   Наличие единой информационно-технологической среды, реализуемой средствами ПТК, является ключевым отличием новых АСУТП от традиционных СКУ и ИВС.
   Единство информационно-технологической среды подразумевает, что любая информация о ходе технологического процесса, о действиях автоматики или о состоянии технических средств автоматизации становится доступной для всех подсистем АСУТП. Так, например, текущее значение технологического параметра, полученное от соответствующего датчика, может использоваться как в алгоритмах контроля, сигнализации, защит, блокировок, автоматического регулирования, так и в любых других алгоритмах, для которых необходима информация о данном параметре.
   С одной стороны, единая информационно-технологическая среда позволяет сократить количество датчиков, а также делает более удобным процесс доступа к необходимой информации. С другой стороны, система становится более зависимой от достоверности получаемой информации. Кроме того, существенно усложняется отладка системы управления в целом, так как нет возможности рассматривать отдельные функции АСУТП полностью автономно, как это делалось в традиционных СКУ и ИВС.
   С точки зрения реализации единой информационно-технологической среды предпочтительным решением при разработке АСУТП было бы применение единых программно-технических средств. Однако некоторые технологические агрегаты энергоблока (модули ГТУ, блоки питательных насосов, дизельные генераторы и т. д.) зачастую поставляются со своей собственной локальной автоматизированной системой управления, реализованной с помощью других технических средств. В этом случае возникает проблема интеграции подсистем, выполненных на ПТК, отличных от базовых, в единую систему управления.
   Здесь же стоит отметить, что в настоящее время ПТК проходят лишь добровольную сертификацию. При этом вообще не рассматривается вопрос об адекватности базовых функций, реализуемых программно-техническими средствами. Информацию об алгоритмах, реализующих базовые функции, разработчики ПТК, как правило, не предоставляют. Так, например, заявленный в документации закон регулирования может существенно отличаться от «идеального» и иметь ^задокументированные ограничения.
   Еще одной отличительной особенностью современных АСУТП является их полномасштабность и многофункциональность.
   Полномасштабность АСУТП определяется тем, что системой управления охватывается весь спектр основного и вспомогательного оборудования энергоблока, причем как тепломеханической, так и электротехнической его части.

9

   Многофункциональность современных АСУТП связана с необходимостью обеспечить выполнение множества управляющих, информационновычислительных, сервисных и вспомогательных функций (рис. 1.3).


    Функции АСУТП


Информационновычислительные функции


Управляющие функции

Сервисные и вспомогательные функции

                                        
     Базовые              Функции        
   оперативные          оптимизации      
     функции          режимов работы     
                       оборудования      
Сбор и первичная      Расчет и анализ    
    обработка            технико-        
   информации          экономических     
                        показателей      
                      Пооперационный     
                        контроль и       
   Оперативный       санкционирование    
    контроль        действий оператора   
  оборудования       Контроль выбросов   
                       загрязняющих      
                    веществ в атмосферу  
Технол оги ческая        Контроль        
  сигнализация        температурного     
                      режима металла     
   Регистрация       Контроль качества   
    аварийных         регулирования и    
    ситуаций           автоматизация     
                       настройки АСР     
                        Контроль и       
 Анализ действия        диагностика      
      защит              основного       
                    электротехнического  
   Регистрация         оборудования      
    аварийных           Отображение      
   процессов и         рабочей точки     
     событий        генератора и границ  
  (электронное      допустимой области   
  осциллографи-         его работы       
    рование).                            
                        Контроль и       
                    диагностика водно-   
    Контроль        химического режима   
   оперативных          энергоблока      
  переключений       Вибродиагностика    
                      турбогенератора    
                                         
                                         
       Базовые              Функции       
     оперативные          оптимизации     
       функции           режимов работы   
                          оборудования    
    Дистанционное        Автоматическое   
     управление          регулирование    
                          (общеблочные    
  Блокировки и АВР          системы)      
(тепломеха н ическое                      
    оборудование)        Функционально-   
                           групповое      
  Блокировки и АВР         управление     
(эле ктротехн ическое                     
    оборудование)                         
   Технологические                        
       защиты             Оптимизация     
   Автоматическое       процесса горения  
    регулирование           в топке       
     (локальные          котлоагрегата    
      системы)                            
  Релейная защита и                       
     автоматика           Оптимизация     
   Автоматическая          вакуума в      
  синхронизация при       конденсаторе    
      включении             турбины       
  генератора в сеть                       

Рис. 1.3. Функции АСУТП тепловых электростанций

Регистрация текущих событий

Архивация и прото кол и рован ие

Автоматизация электрических испытаний генератора

Подготовка информации для информационноэкспертной системы по дефектам и отказам тепломеханического оборудования

10

   Выполнение системой управления всех заявленных функций должно обеспечить достижение стабильного уровня заданных технико-экономических, экологических и других показателей работы оборудования.
   В целом, с учетом рассмотренных особенностей можно отметить, что современные АСУТП относятся к классу больших (сложных) систем. Причем сложность систем управления, в первую очередь, определяется сложностью теплоэнергетических объектов управления, которые характеризуются глубокой взаимозависимостью между отдельными агрегатами и многосвязностью технологических параметров, а также большим числом контролируемых и управляемых параметров (для крупных энергоблоков - более 10 000 входных и выходных сигналов).
   Большой информационный масштаб системы предъявляет повышенные требования к подготовке оперативного персонала электростанций, усложняет задачу отладки АСУТП при вводе ее в действие и определяет высокую стоимость системы.
   Следует отметить, что многие функции АСУТП реализуют алгоритмы, применявшиеся еще во времена, когда низкий уровень технических средств являлся сдерживающим фактором. Сейчас вычислительные средства позволяют решать задачи практически любой сложности для получения экономического эффекта, соответствующего высоким затратам на разработку и эксплуатацию систем управления.
   Наукоемкость АСУТП обусловлена практической возможностью повышения эффективности их функционирования. В ближайшей перспективе дальнейшее развитие АСУТП электростанций будет, видимо, идти как по пути совершенствования ее основных функций (дисплейное дистанционное управление, технологические защиты, блокировки, автоматическое регулирование, функционально-групповое управление и др.), так и в направлении интеллектуализации АСУТП. Под интеллектуализацией АСУТП понимается реализация дополнительных функций, которые требуют для своего выполнения нетривиальной обработки информации о текущем состоянии объекта с использованием его математической модели.
   Переход от традиционных СКУ и ИВС потребовал существенного изменения и технологии создания систем управления. Технология создания современных АСУТП на базе ПТК представляет собой сквозную итерационную последовательность работ на стадиях формирования технического задания, функционального, конструкторского и технологического проектирования. Наиболее «узкими» местами технологии создания АСУТП являются неотработанность алгоритмов управления и неотлаженность системы управления в целом на этапе ввода в действие, а также недостаточная квалификация специалистов заказчика при формировании технического задания на разработку АСУТП.

11