Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС
# Авиастроение
# Авиация и космонавтика
# Атомная промышленность
# Вузы
# Добывающая промышленность
# Железнодорожная отрасль
# Коммунальное хозяйство
# Контрольно-измерительные системы
# Лабораторные измерения
# Машиностроение
# Нефтегазовая промышленность
# Обработка драгоценных металлов
# Образование и наука
# Производство строиматериалов
# Сельское хозяйство
# Судостроение
# Транспорт
# Электроэнергетика
# Энергетика
Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС
Владимир Поленов, Сергей Цыганков
Статья рассказывает о разработке и реализации системы управления комплексом оборудования АГНКС на базе отечественного ПЛК FASTWEL I/O. Рассмотрены предпосылки разработки системы, основные критерии выбора оборудования, состав системы, её архитектура, а также подробно описан процесс её функционирования.ВВЕДЕНИЕ
Всё новое – это хорошо забытое старое. К теме данной статьи это высказывание имеет непосредственное отношение, ведь мало кто помнит, что первый практически пригодный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, запатентованный в 1860 году французским изобретателем Этьеном Ленуаром, в качестве топлива использовал газ. Правда, газ не природный, а светильный, но одним из основных его компонентов, так же как и у природного газа, является метан. В 1863 году двигатель Ленуара был модернизирован немецким инженером Николаусом Августом От˜ то, а в 1876 году им же был изобретён четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. Двигатели О˜тто пользовались огромным для того времени спросом и принесли его создателю целое состояние. Именно газ открыл дорогу человечеству к прогрессу. Но открыв эту дорогу, газ как моторное топливо был потеснён бензином на целые полтора столетия. Сейчас газ заслуженно возвращает потерянные позиции в автомобильных топливных технологиях. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два типа газового топлива – пропан-бутан и метан, но именно последнему в наибольшей степени подходит определение «топливо будущего». Основных причин этому три: его экологичность, безопасность и, конечно, дешевизна. Аббревиатура АГНКС расшифровывается как автомобильная газонаполнительная компрессорная станция и является общим названием для комплекса технологического оборудования, образующего метановую автозаправочную станцию. Основная масса существующих сегодня в нашей стране АГНКС построена на базе устаревшего оборудования, произведённого ещё в СССР или ГДР. На рынке же нового оборудования до недавнего времени лидирующее положение занимали западные производители и их отечественные представители – дистрибьюторы и интеграторы. Цены на их оборудование, к слову сказать, и так немалые, после снижения курса рубля и вовсе стали неподъёмными для большинства потенциальных покупателей. На фоне этих событий всё привлекательнее выглядят предложения от отечественных производителей, выпускающих оборудование на базе собственных разработок. В конце 2014 года перед конструкторским отделом одного из ведущих компрессоростроительных предприятий России – ОАО «Пензкомпрессормаш» – была поставлена задача разработки и внедрения в серийное производство модуля компрессорного заправочного (МКЗ) на базе поршневого компрессора собственного производства и сопутствующего оборудования для АГНКС высокой производительности. Разработка должна была вестись на базе современных материалов и технических средств с максимально возможным использованием продукции отечественных производителей. В соответствии с техническим заданием управлять комплексом технологического оборудования должна вновь разработанная автоматизированная система (далее – АСУКЗ) на базе современного надёжного программируемого логического контроллера (ПЛК) отечественного производства.
Рис. 1. Архитектура реализованной автоматизированной системы управления комплексом оборудования АГНКС
НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ
Основными задачами АСУКЗ являются предотвращение работы оборудования в недопустимых режимах и управление технологическим процессом на этапах от получения газа из газотранспортной системы (ГТС) до подачи его к газозаправочным колонкам. Основным функциональным элементом всего комплекса контролируемого оборудования является модуль компрессорный заправочный (МКЗ) на базе поршневого компрессора. Поэтому основным документом, определяющим набор необходимых защит и блокировок, осуществляемых АСУКЗ, служит ПБ03-582-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации компрессорных установок с поршневыми компрессорами, работающими на взрывоопасных и вредных газах». Данные правила обязывают осуществлять контроль и защиту компрессора по основным параметрам на всех этапах процесса компримирования (сжатия) газа. К таким параметрам относятся:- давление и температура на линии всасывания компрессора;
- давление и температура на линиях нагнетания и всасывания по ступеням сжатия;
- давление и температура жидкости в системах охлаждения компрессорной установки;
- давление и температура масла в системе смазки механизма движения компрессора;
- проток жидкости на линиях выхода из системы охлаждения компрессорной установки;
- наличие команды аварийного останова от оператора станции.
- концентрация взрывоопасной смеси в помещении модуля компрессорного заправочного;
- вибрация основных узлов компрессорной установки;
- уровень конденсата в системе очистки входящего газа;
- уровень масла в системе смазки цилиндров и сальников компрессора;
- давление и температура газа в подводимой линии и блоке входных кранов (БВК);
- температура и давление газа в линии подачи газа к газозаправочным колонкам и в блоке компенсаторов давления (БКД);
- электрические защиты основного электродвигателя компрессорной установки, электроприводов вспомогательных систем и другого электрооборудования станции;
- сигналы от комплектных систем управления входящего в состав станции оборудования;
- сигнал от автоматизированной системы охранно-пожарной сигнализации;
- внешний сигнал аварии. Всё множество аварийных параметров разбито на группы.
- управление клапанами блока входных кранов;
- управление клапанами основной газовой и байпасной линии модуля компрессорного заправочного;
- управление клапанами системы продувки (сброса конденсата);
- управление клапанами блока газораспределительного, осуществляющего подачу газа на блок компенсаторов давления и газозаправочные колонки;
- управление основным электродвигателем;
- управление электродвигателями вспомогательных систем: маслонасоса, вентиляторов системы охлаждения, вытяжным вентилятором;
- контроль данных коммерческого учёта по полученному из ГТС и отпущенному потребителю газу.
АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ
При анализе требуемых для решения задач и проработке возможных вариантов архитектуры выбор был сделан в пользу иерархической модели на основе программируемого логического контроллера. Архитектура реализованной автоматизированной системы управления комплексом оборудования АГНКС показана на рис. 1. Было решено разделить ПЛК и средства человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), то есть не использовать панельные контроллеры. Это позволило повысить надёжность системы управления ввиду отсутствия внешних линий связи между управляющим ПЛК и системой ввода/вывода, связь должна была осуществляться по внутренней шине данных. В качестве основного средства ЧМИ предполагалось использование сенсорной цветной ЖК-панели оператора. Подключать панель оператора к ПЛК было решено по последовательному цифровому интерфейсу RS-232. Связь с контролируемым оборудованием и исполнительными механизмами, ПЛК и системой ввода/вывода должна осуществляться посредством устройств связи с объектом (УСО). В роли УСО выступают барьеры искрозащиты, нормирующие преобразователи (для аналоговых входов) и электромагнитные реле (для дискретных выходов). Для управления мощными потребителями предполагалась к применению пускорегулирующая аппаратура, представленная в основном электромагнитными контакторами. Ниже по иерархии расположены выделенные системы управления комплектным оборудованием сторонних производителей, связь с которыми предполагалось осуществлять посредством дискретных входных (контроль) и выходных (управление) сигналов. На полевом уровне системы были помещены первичные преобразователи контролируемых параметров (датчики давления, температуры, вибрации, загазованности и т.д.), а также исполнительные механизмы (основной электродвигатель, насосы, клапаны, комплектное оборудование сторонних производителей). Также необходимо было реализовать связь с распределённой системой управления (РСУ) объекта по интерфейсу Ethernet с использованием протокола Modbus TCP. Всё оборудование системы управления, то есть ПЛК, система ввода/вывода, ЧМИ, УСО, система электропитания цепей управления и силовых цепей исполнительных устройств (в том числе пускорегулирующая аппаратура) и т.д., должно располагаться в одном шкафу напольного размещения с максимальными габаритами 2000×800×800 мм (В×Ш×Г). Реализация данного технического решения в рамках ограниченного пространства одного шкафа требовала применения компактного ПЛК, способного работать в достаточно жёстких условиях (высокие температуры окружающей среды и уровень электромагнитных помех). Применяемое оборудование должно обладать хорошим соотношением цена/качество, также обязательным условием было применение ПЛК отечественного производства.
Рис. 2. Собранный модуль ПЛК и система ввода/вывода в ходе монтажа шкафа
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
Количество предложений на рынке ПЛК и систем ввода/вывода от отечественных производителей в последнее время существенно расширилось. Однако боˆльшую часть этих предложений составляет оборудование, предназначенное для применения в системах вентиляции, отопления и кондиционирования (HVAC) и на пищевых производствах. Для применения же в системах управления оборудованием, используемым в добыче, транспортировке, переработке и хранении нефтегазового сырья, традиционно предлагается продукция иностранных производителей, где стоимость оборудования уходит на второй план и основным критерием выбора является надёжность системы. На наш взгляд, данная практика на текущий момент не совсем оправданна и среди отечественных производителей есть достойные этого сектора предложения. С учётом сформулированных критериев наш выбор пал на продукцию компании «ФАСТВЕЛ» – линейку FASTWEL I/O для ответственных применений. В соответствии с разработанной архитектурой был выполнен подбор необходимого оборудования из линейки производителя:- программируемый логический контроллер (ПЛК) узла сети Ethernet CPM713-01 –1 шт.;
- четырёхканальные модули аналогового ввода сигналов постоянного тока 4–20 мА AIM723-02 – 10 шт.;
- 8-канальные модули дискретного ввода 24 В DIM717-01 – 9 шт.;
- 8-канальные модули дискретного вывода 24 В/0,5A DIM719-01 – 5 шт.;
- интерфейсный модуль сопряжения FBUS–RS-232C для связи с ЧМИ NIM742-01 – 1 шт.;
- системные модули:
- модуль подключения источника питания 24 В/6,3 А OM75201 – 2 шт.;
- модуль ввода питания +5 В/2A внутренней шины FBUS OM75401 – 1 шт.;
- заглушка шины FBUS – оконечный модуль OM75001 – 1 шт.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы автоматизированной системы управления комплексом оборудования АГНКС
ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ
Блок-схема процесса функционирования системы предоставлена на рис. 3. В начале цикла программы происходит обработка данных с датчиков – приведение данных от аналоговых датчиков 4–20 мА (датчики давления, температуры через нормирующие преобразователи, концентрации взрывоопасной смеси, расхода газа по входу и т.д.) к диапазону шкалы. Затем обрабатываются нажатия кнопок управления и команды оператора, поступившие с сенсорной панели. Это делается в каждом цикле программы, и в последующем эти данные используются в про грамме.Система может работать в одном из двух режимов:
- ручной режим – оператор берёт на себя полное управление системой. Ручной режим нужен для проверки узлов и оборудования. К примеру, можно отдельно запустить маслонасос, вентилятор вентиляции, насосы и вентиляторы системы охлаждения, обогреватели помещения компрессорной, проверить клапаны и т.д. Аварийные защиты в этом режиме отключены;
- автоматический режим – основной режим работы.
Рис. 4. Стартовый экран системы
Рис. 5. Основной экран на панели MT6100i
Рис. 6. Экран «Сервис»
При этом система работает быстро и стабильно. Разработка прикладного ПО ПЛК и панели оператора – процесс понятный и простой, платформа хорошо документирована, не требует длительного обучения, хотя и не лишена своих нюансов. В основном они связаны с типами данных и обменом информацией с периферийными устройствами. Доработка программы для ПЛК и панели оператора проводилась под оборудование заказчика на объекте в малые сроки ПНР, успешно соблюсти которые удалось в основном благодаря понятным и простым в освоении средствам разработки прикладного ПО ПЛК и панели оператора.
Рис. 7. Экран «Продувка азотом»
УНИКАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТА, УДОБСТВО В РАБОТЕ, НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ
Сам по себе проект АГНКС на базе отечественного оборудования, отвечающего современным требованиям по техническим параметрам (прежде всего это производительность компрессорной установки, показанной на рис. 8), надёжности и уровню автоматизации, является на данный момент уникальным для России. Действительно, реализованных в «железе» и внедрённых на реальных объектах аналогов на сегодняшний день просто не существует, а имеющиеся являются, по сути, импортным оборудованием или результатом отвёрточной сборки на базе импортного оборудования. Выпущенное в 70–80-х годах прошлого века и эксплуатирующееся до сих пор на ряде объектов оборудование ещё советского производства на данный момент безнадёжно устарело. Особенно это касается систем управления, сравнивать которые с рассматриваемой в настоящей статье АСУКЗ просто не имеет смысла. Благодаря использованию современных средств ЧМИ, прежде всего сенсорной ЖК-панели оператора с достаточной диагональю, система управления имеет интуитивно понятный интерфейс пользователя, позволяющий легко освоить и затем осуществлять процесс управления всем комплексом сложного технологического оборудования, входящего в состав АГНКС.
Рис. 8. Компрессорная станция, входящая в состав АГНКС