Разработка автоматизированной системы управления участком теплового пункта процесса циркуляционного слива железнодорожных цистерн

6.5 Обоснование и выбор способа резервирования, необходимого для повышения надежности АСУТП

 

Для повышения надежности систем и элементов применяют  резервирование, основанное на использовании  того или иного вида избыточности. Последняя определяет следующие разновидности резервирования: функциональное, временное, информационное, структурное.

В том случае, если различные  системы или устройства выполняют близкие функции, осуществляется функциональное резервирование. Такое резервирование часто применяют для многофункциональных систем.

Временное резервирование заключается в том, что допускается перерыв функционирования системы или устройства из-за отказа элемента. Во многих случаях временное резервирование, обеспечивающее непрерывность технологического процесса, осуществляется за счет введения аккумулирующих емкостей, складов сырья и полуфабрикатов. Временное резервирование также может иметь место из-за аккумулирующей способности технологического объекта.

Информационное резервирование связано с возможностью компенсации потери информации по одному каналу информацией по другому. На большинстве технологических объектов, благодаря внутренним связям, имеет место информационная избыточность, которая часто используется для оценки достоверности информации.

Для локальных систем наиболее характерно структурное резервирование. При использовании последнего повышение  надежности достигается путем введения дополнительных элементов в структуру системы. На рисунке 6.6 показаны основные способы структурного резервирования.

Рис. 6.6. Способы структурного резервирования

Расчет надежности и  резервирования будем производить  для параметров, которые необходимы для функционирования алгоритма:

• регистрация давления НВД;
• регистрация давления ННД;
• регулирование  температуры в теплообменнике.

Схемы для каждого  параметра будут иметь вид, показанный на рисунках 6.7-6.9 (ДД – датчик давления, К –контроллер, ДТ- датчик температуры, РК – регулирующий клапан).

Рис. 6.7. Схема для расчета надежности регистрации давления НВД

 

Рис. 6.8. Схема для расчета надежности регистрации давления ННД

 

Рис. 6.9. Схема для расчета надежности регулирование температуры в теплообменнике

 

Для работоспособности  всей системы необходимо чтобы из строя не вышел ни один из элементов, т.е. необходимо соединить каждый элемент последовательно друг с другом (рисунок 6.10).

 

Рис. 6.10. Схема для расчета надежности всей системы

 

Для повышения надежности будем резервировать ключевой элемент, в данном случае им является контроллер (применяем столько каналов  контролера, сколько имеется параметров). Схема для расчета резервированной системы показана на рисунке 6.11.

Рис. 6.11. Схема для расчета надежности резервированной системы

 

По условию все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации. Поэтому вероятность безотказной работы элементов подчиняется экспоненциальному закону.  

Этому закону подчиняются  случайные величины, на которые оказывают  влияние большое число факторов, среди которых есть доминирующий. Экспоненциальное распределение является распределением времени между событиями, появляющимися с постоянной интенсивностью. В теории надежности экспоненциальное распределение применяется для описания наработки сложных систем, прошедших период приработки.

Экспоненциальный закон  очень популярен в теории надежности. Это объясняется тем, что экспоненциальный закон физически очень естественен, прост и удобен для использования. Почти все задачи, возникающие  в теории надежности для этого  закона распределения, оказываются на порядок проще, чем для других видов законов распределения.

Для экспоненциального  закона вероятность безотказной работы - . Для расчета вероятности всей системы будем пользоваться формулой последовательного соединения блоков.

В таблице 6.6 приведены характеристики оборудования, необходимые для расчета надежности.

Таблица 6.6 - характеристики оборудования, необходимые для расчета надежности

Наименование оборудования	Средняя наработка на отказ, ч	Интенсивность отказов, λi, ч-1 · 10-4
Датчик давления Метран -150TG	45000	0,2222
Датчик температуры Метран-2700	50000	0,2000
Регулирующий клапан КМР	25000	0,4000
Контроллер Owen 150	100000	0,1000

Для исходной системы  получим:

вероятность безотказной работы -  ;

Для резервированной  системы -

Графики показаны на рисунках 6.12, 6.13.

Рис. 6.12. График  вероятности безотказной работы исходной системы

Рис.6.13. График  вероятности безотказной работы системы после резервирования

Судя по полученным графикам, система с резервированием работает более надежно.

 

7 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ  АСУ ТП

7.1 Конфигурирование станции управления (микроконтроллера) и операторской  станции

 

Для решения задач  мониторинга и диспетчерского управления проектируемой АСУ ТП будем использовать SCADA-систему Trace Mode.

Конфигурирование станций  управления начнем с создания соответствующих узлов в слое система. Создадим узел типа RTM (Real-time monitor) с поддержкой графических экранов для АРМ оператора и узел типа MicroRTM для представления контроллера в системе. Назовем их АРМ и PLC соответственно (рисунок 7.1).

Рис. 7.1. Создание узлов проекта

Затем с целью использования  в узлах расчетных и управляющих  программ, а также графических  экранов для отображения хода технологического процесса, создадим соответствующие шаблоны экранов  и программ в одноименных слоях  проекта.

Создадим графический  экран АРМ оператора. Процесс  создания заключается в последовательном размещении графических элементов, настройке их свойств и осуществлении  привязок к создаваемым в процессе аргументам шаблона экрана.

На рисунке 7.2 представлен  итоговый внешний вид графического экрана. На нем изображена технологическая схема процесса, а также органы управления и сигнализации, задания и контроля параметров. Элемент «тренд» осуществляет визуализацию изменения температуры в соответствии с заданием во времени.

Рис. 7.2. Внешний вид графического экрана АРМ оператора

Внешний вид табличного редактора аргументов экрана представлен  на рисунке 7.3. Аргументы создаются  с учетом их типа (REAL для аналоговых сигналов, USINT или BOOL для дискретных), а также направления передачи (IN – отображаемые на экране, OUT – отображаемые и пересылаемые в контроллер). Названия аргументов характеризуют их назначение.

Рис.7.3. Аргументы шаблона экрана АРМ оператора

Поскольку данный шаблон должен будет использоваться узлом АРМ, перетащим методом drag-n-drop его в соответствующий узел. Данная операция создает канал класса CALL для данного экрана методом автопостроения, т.е. создает иными словами линию связи, по которой узел может вызвать (обратиться) к шаблону.

Следующим шагом является создание программ, осуществляющих регулирование температуры и давления. Процедура написания программ приводится в подразделе 7.2.  Здесь же вкратце опишем методику создания шаблонов.

Шаблоны программ создаются  аналогично шаблонам экранов с той  лишь разницей, что задание аргументов шаблона программы рекомендуется выполнять перед написанием текста программы (IN – для передающихся программе, OUT – для аргументов, которые программа может изменить). При необходимости, их всегда можно отредактировать в процессе. Аргументы шаблонов программ характеризуются теми же свойствами, что и аргументы шаблонов экрана.

Аналогично ранее описанному случаю, создадим каналы класса CALL для трех программ в соответствующих узлах. Однако для работы узлов необходимо осуществить привязку аргументов шаблонов программ и экранов к соответствующим каналам. Поскольку каналов на данном этапе еще не создано, часть из них можно создать методом автопостроения с автоматической привязкой аргумента, а если аналогичный канал уже существует, то – ручной привязкой.

Классы каналов при  автопостроении создаются автоматически: FLOAT для аргументов типа REAL, HEX16 для USINT. При этом для входных аргументов  IN привязка происходит к атрибуту реальное значение, а OUT – к атрибуту входное значение.

При осуществлении ручной привязки необходимо выбрать уже имеющийся канал и привязаться к его реальному или входному значению.

На рисунке 7.4 представлены аргументы трех программ с их привязкой  к созданным каналам как описано  далее, одна из которых принадлежит узлу АРМ (Синхр_экран), а две других – узлу PLC.

 

Рис. 7.4. Аргументы шаблонов программ с привязкой к каналам

На рисунке 7.5 показаны базы каналов для обоих узлов.

Рис. 7.5. Базы каналов узлов

 

7.2 Написание пользовательских  программ управления

 

Вернемся к написанию  программ. Чаще всего программы пишутся  на языке функциональных блоков (FBD) или Паскале-подобном языке структурированного текста (ST).

Сущность написания  на языке FBD заключается в последовательном размещении блоков и соединении их между собой методом протягивания. У блоков есть входы и выходы: входами могут быть константы или входные аргументы программы, выходами – выходные аргументы. Последовательность выполнения блоков можно отслеживать по обозначению у них внизу. Сначала идет текущий номер блока, через двоеточие – следующий выполняющийся.

На рисунке 7.6 приведен внешний вид программы управления температурой на выходе теплообменного аппарата.

Рис. 7.6. Программа управления температурой

Величина рассогласования  между текущей и заданным значениями температуры поступает на блок PID-регулятора, стремящегося эту величину свести к нулю. Управляющее воздействие, являющееся нужным для поддержания заданной температуры расходом, поступает блок преобразования в проценты, где по значениям максимального и минимального расхода через проходное сечение клапана, вычисляется текущее положение рабочего органа в процентах. Данная величина поступает на блок управления клапаном, который на основании показаний текущего положения рабочего органа (вход CDI) и времени полного открытия/закрытия (PT), вычисляет необходимое положение, поскольку положительная величина, поданная на вход CMD является координатой положения рабочего органа. Для достижения заданного положения блок вырабатывает выходной сигнал на выходах CLS (закрытие) или OPN (открытие), являющимися воздействием на электропривод клапана, закрывающий или открывающий его.

У блока управления клапаном KLP есть безымянный вход, который определяет работоспособность блока. Поскольку для того чтобы он функционировал на него должен подаваться логический ноль, свяжем данный вход с аргументом ALARM_P, который равен нулю все время кроме момента возникновения аварийной ситуации (остановки любого из насосов). Когда произойдет аварийная ситуация, установление данного аргумента в 1 позволит запретить управление данному блоку и присвоить выходному аргументу Q_L значение 0 с помощью программы контроля давления без возникновения конфликтов. Иными словами, управление блоком клапаном происходит всегда, кроме возникновения аварийных ситуаций, когда управление передается в другую программу, перекрывающую подачу пару в теплообменник.

Последний блок распаковывает  слово данных на выходе ALR блока управления клапаном, поскольку для нас важен только второй байт данного слова как характеризующий аварийные события на клапане.

Программа контроля давления приведена на рисунке 7.7.

Рис. 7.7. Программа контроля давления

Программа очень проста. В случае, если в контроллер поступил сигнал на запуск насоса высокого давления НВД (сигнал на запуск обоих насосов поступает практически одновременно, поэтому не принципиально какой из них контролировать), выполняется выполнение функции wait (Старт_нвд), реализующей ожидание равное 5 секундам с момента изменения логического сигнала Старт_НВД (он же соответствующий аргумент) с 0 на 1. По окончании пятисекундного ожидания, реализованного FBD блоком TON (задержка по включению), глобальной переменной (необходимо для сохранения значения на протяжении работы всей программы) Control присваивается значение 1, что позволяет перейти к выполнению взаимовложенных условий проверки давления на выходе насосов. Если давление меньше 0,5 кг/см² у НВД или 0,1 кг/см² у НВД соответственно, инициируется выдача тревожного сигнала, остановка насосов и перекрытие подачи пара благодаря перехвату управления у программы контроля температуры в связи с запретом функционирования блока управления клапаном. Перекрытие клапана в этом случае осуществляется за счет особенностей внутреннего устройства.