АСУ ТП на базе SCADA-пакета GENESIS32: опыт, решения, наработки

Введение

В середине 2002 года завершились работы по реконструкции нефтесборного пункта «Сергеевка» (рис. 1) НГДУ «Уфанефть» компании «Башнефть».

На нефтесборном пункте (НСП) осуществляется первичная подготовка промысловой нефти: сброс пластовой воды, сепарация газа, отделение механических примесей и получение товарной нефти для последующей переработки на предприятиях нефтехимического комплекса, а также подготовка воды для закачки в систему поддержания пластового давления.

В процессе реконструкции было принято решение внедрить на НСП современную АСУ ТП, позволяющую управлять процессом и реализующую удобный пользовательский интерфейс (HMI). Эта задача была поручена специалистам НПФ «Интек».

На выбор структуры АСУ ТП оказали влияние следующие особенности объекта:

• медленный технологический процесс;

• отсутствие химических стадий в технологическом процессе;

• равномерное распределение технологического оборудования;

• большое количество однотипных датчиков с унифицированными выходами (4…20 мА, «сухие» контакты).

Перечисленные особенности объекта автоматизации, а также отсутствие чёткой последовательности в технологической цепочке (как, например, в конвейерном производстве), подтолкнули нас к определённому решению по структуре АСУ ТП и выбору технических средств. Система состоит из нескольких централизованных пунктов сбора данных и управления, каждый из которых оснащён индустриальными IBM РС совместимыми компьютерами, объединёнными в промышленную сеть Ethernet; эти компьютеры работают под управлением Windows 2000 и используются в качестве управляющих контроллеров и рабочих станций оператора.

Аппаратные средства

Обработка поступающей информации и организация пользовательского интерфейса осуществляются 7 промышленными компьютерами, объединенными сетью Ethernet. Из них 4 компьютера:

• SRVA — сервер аналоговых сигналов,

• SRVD — сервер дискретных сигналов,

• SRVlevels — сервер системы измерения межфазных уровней (отдельная закрытая система),

• SRVpump — сервер насосной станции, —

выполнены на базе шасси IPC-610 (Advantech), установлены в стойках Schroff и функционируют в качестве серверов ввода-вывода, занимающихся сбором, обработкой входных параметров, выдачей управляющих сигналов, а также обнаружением тревог и аварий.

В центральной операторной расположена стойка с серверами SRVA и SRVD (рис. 2). Там же установлены 2 стойки с барьерами искрозащиты, терминальными платами ввода-вывода дискретных и частотно-импульсных сигналов, модулями ввода и вывода аналоговых сигналов, а также стойка с оборудованием системы измерения уровней. В насосной станции размещены 2 стойки с сервером SRVpump, платами ввода-вывода сигналов и барьерами искрозащиты.

В качестве УСО используются:

Сбор данных от счётчиков-расходомеров «Взлёт МР110» (RS-485, ModBus) и контроллера «Мега» (RS-485, РТМ-64), передающего информацию о состоянии блочной кустовой насосной станции (БКНС), осуществляется компьютером на базе шасси IPC-6908 (Advantech) в настольном исполнении (WS3), который также выполняет функции станции визуализации.

Операторские станции WS1 и WS2 на базе шасси IPC-6908 предназначены для отображения состояния объекта управления, просмотра архивов и истории аварийных сообщений и выдачи команд управления (рис. 3).

Сеть

Для реализации общего пространства обмена технологической информацией серверы ввода-вывода и станции визуализации объединены в промышленную сеть Ethernet (рис. 4). При построении сети применены коммутаторы и трансиверы фирмы Hirschmann. Для связи между компьютерами в операторной и компьютером в насосной станции (удалённый сервер SRVpump) был проложен бронированный оптоволоконный кабель фирмы Belden.

Один из компьютеров (в данном случае WS3), имеющий 2 сетевые карты, играет роль шлюза и служит для развязки технологической сети установки и общей сети НГДУ. Таким образом, физическое разделение сетей исключает возможность несанкционированного доступа из общей сети к компьютерам управления. В то же время удалённые пользователи из сети НГДУ имеют возможность просмотра экранных форм с текущими технологическими данными в реальном времени посредством Internet Explorer. Сервером предоставления информации является приложение WebHMI, входящее в состав SCADA-пакета GENESIS32.

Программное обеспечение

Открытость системы

Пользовательский интерфейс и функции обработки и структурирования данных реализованы средствами SCADA-пакета GENESIS32 v. 6.13 (Iconics). SCADA-пакет GENESIS32 состоит из отдельных приложений, построенных в соответствии со спецификацией ОРС (OLE for Process Control), каждое из которых предназначено для решения определённого круга задач и может использоваться отдельно от других. Это позволяет строить законченную систему по модульному принципу.

Использование ОРС-протокола для обмена данными между приложениями обеспечивает прозрачность информации для всех программ, поддерживающих данный интерфейс и работающих в рамках одной сети. В НПФ «Интек» разработаны программные модули, позволяющие создавать как ОРС-серверы, так и ОРС-клиенты, поддерживающие стандарты OPC DA и OPC AE. Для всех используемых в системе плат ввода-вывода разработаны собственные ОРС-серверы: OPC-сервер платы аналогового ввода (АЦП общего назначения) PCL-711S/B, OPC-сервер для программируемого модуля ввода-вывода UNIO96-5 (UNIO48-5), OPC-сервер для универсального модуля ввода-вывода UNIO96-1, OPC-сервер платы аналогового вывода АО16-С16, а также МеgаOPC — OPC-сервер контроллера «Мега» (разработан в НПФ «Интек»), FileOPC — файловый OPC-сервер (читает информацию из файлов определённого формата и представляет её в соответствии с OPC) и другие серверы, используемые в наших проектах.

Структура и состав ПО

Структура программно-аппаратного комплекса системы управления показана на рис. 5. 

Платы ввода-вывода опрашиваются OPC-серверами. Данные со всех серверов собираются в DataWorX32, где группируются по типам и объектам. Далее сигналы подвергаются вычислительной обработке, архивируются (TrendWorX32), анализируются на предмет возникновения аварийных ситуаций (AlarmWorX32) и отображаются на мнемосхемах (GraphWorX32).

Функции управления, аварийного оповещения, а также некоторые вычисления реализуются разработанными в НПФ «Интек» программами, которые установлены на серверах ввода-вывода.

Автоматическое регулирование

Программа «Регуляторы» (рис. 6) представляет собой виртуальный контроллер, отрабатывающий алгоритм ПИД-регулирования технологических параметров. Управление регулирующими клапанами может также осуществляться в ручном режиме с любой рабочей станции.

 

Управление технологическими объектами

Программа «Управление технологическими объектами» (рис. 7) позволяет выполнять дистанционное открытие и закрытие электроуправляемых задвижек, включение и выключение насосов в соответствии с заданными алгоритмами как вручную, так и в автоматическом режиме по заданным условиям. Реализован алгоритм автоматического включения резервного насоса.

 

Аварийное оповещение

Помимо цветовой индикации на мнемосхемах аварийное оповещение осуществляется двумя программами.

• Программа «Экран тревог» является удобной оболочкой для ActiveX AWXView32 из пакета GENESIS32. Она позволяет отображать список текущих тревог и событий, квитировать тревоги. При возникновении новой тревоги или аварии «Экран тревог» автоматически появляется поверх всех окон. Значок, находящийся в правом верхнем углу экрана, при наличии неквитированных тревог меняет свой цвет с жёлтого на красный.

• Программа «Голосовое оповещение» предназначена для предупреждения оператора голосом о нештатных ситуациях или изменениях режима. При этом можно сопоставить проигрывание последовательности wav-файлов некоторому значению определённого тега либо передавать список файлов, подлежащих проигрыванию, в атрибутах тревоги. Соответственно программа поддерживает OPC DA для первого случая и OPC AE — для второго.

 

Расчёт и суммирование расходов

Программа «Расходомеры» непрерывно осуществляет:

• расчёт расхода жидкости по значению перепада давления на диафрагме;

• вычисление расхода газа по значениям перепада давления на диафрагме, температуры и давления;

• расчёт мгновенных расходов по частотно-импульсным сигналам;

• вычисление суммарных расходов.

Все перечисленные ранее приложения позволяют вносить изменения в их конфигурацию «на ходу», не останавливая управления и вычислительной обработки.

 

«Таблица сигналов»

Для упрощения настройки системы разработана программа «Таблица сигналов», позволяющая вести базу данных подключений и автоматически генерировать файлы конфигурации приложений GENESIS32 (DataWorX32, AlarmWorX32 и TrendWorX32), а также всех используемых OPC-серверов. Такая возможность сводит «ручную» настройку системы к минимуму и облегчает перенастройку, ускоряя тем самым процесс наладки системы.

 

Экран «Петельная схема»

Для специалистов цеха автоматизации производства и наладчиков разработан экран «Петельная схема». Он позволяет получить полную информацию по любому сигналу: тип датчика, номера проводов и кабеля, номера клеммников и контактов кросс-плат, номер канала платы ввода-вывода, имя компьютера, коэффициент масштабирования, текущее значение параметра, наличие предупредительной или аварийной сигнализации и др. (рис. 8).

Параметры для «Петельной схемы» поступают из базы данных программы «Таблица сигналов».

Как показала практика, такой экран является весьма полезным инструментом при проведении пуско-наладочных работ, позволяющим быстро решать текущие вопросы.

Разграничение доступа

В системе имеется защита от несанкционированного доступа (приложение GENESIS32 Security Server). Идентификация пользователя осуществляется по имени и паролю. Предусмотрены 4 уровня доступа, соответствующие им возможности пользователей приведены в табл. 1.

Визуализация

Инструментом для создания экранных форм, реализующим как среду разработки, так и среду исполнения, служит приложение GraphWorX32.

По степени детализации в структуре визуализации выделяются 3 уровня (рис. 9).

1. «Общие экраны». Главным экраном, с которого можно перейти на любой экран 2-го уровня, является «Сводный экран». К общим экранам можно также отнести экранные формы, объединяющие информацию об однотипных объектах, как, например, экран «Подземные ёмкости».

2. «Технологические площадки». Это экранные формы с изображением групп объектов. Всё технологическое оборудование распределено по мнемосхемам с учётом стадий технологического процесса и места расположения аппаратов. Между экранными формами площадок, связанных технологическими цепочками, можно переключаться по кнопкам на мнемосхемах.

3. «Объектовые экраны». Экранные формы данного уровня появляются поверх мнемосхем типа «Технологические площадки» и отображают информацию по конкретному объекту (аппарату, насосу и т.д.); они позволяют просматривать архивы технологических параметров объекта в виде графиков (TWXView32), а также историю тревог и событий в виде таблиц (AWXRep32).

В нижней части мнемосхем имеется панель с кнопками для перехода к наиболее часто используемым экранам.

Описанная структура визуализации обеспечивает, на наш взгляд, наиболее лёгкую и быструю навигацию по мнемосхемам. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс дает возможность даже неопытному оператору быстро обучиться работе с системой.

Структура данных в приложениях GENESIS32

Основная часть технологического оборудования НСП состоит из типовых объектов, а каждый тип объекта имеет заданный набор свойств — технологических параметров. Например, «ёмкость» имеет следующие свойства: «температура», «давление», «общий уровень», «уровень эмульсии», «уровень воды» и др. Поэтому в структуре DataWorX32 было удобно принять следующую иерархию групп данных:

• все сигналы разбиваются по группам в зависимости от типа (AI — аналоговый вход, DI — дискретный вход, AO — аналоговый выход, DO — дискретный выход, DII - счётный вход);

• сигналы, принадлежащие некоторому объекту (например насосу), дублируются в группе OBJECTS.ObjectType.ObjectName, где ObjectType — тип объекта (например, Valves — задвижки, Pumps — насосы, Controls — регуляторы), ObjectName — имя, или позиция объекта (например, Н1_1 — имя для насоса Н1-1);

• в качестве входа для дублированных сигналов задаётся ссылка на исходный тег, расположенный в одной из папок: AI/DI/AO/DO/DII.

Такая структура позволяет легко создавать экраны, способные отображать состояние любого объекта некоторого типа («насос», «регулятор» и др.). Кроме того, упрощаются привязки динамических графических элементов к тегам в процессе разработки экранных форм. Имя тега, например, может выглядеть следующим образом: \\SRVpump\ICONICS.DataWorX32.1\OBJECTS.Pumps.H1_1.IsStarted (сигнал состояния «включен» для насоса), где изменяемые части H1_1 — имя (позиция) объекта, SRVpump — имя компьютера, к которому подключен данный сигнал. Заменив в экранах GraphWorX32 имена объекта и компьютера на псевдонимы, получаем: <<Node>>ICONICS.DataWorX32.1\OBJECTS.Pumps.<<Object>>.IsStarted. Если осуществить привязку графических символов таким образом, то для добавления нового типового объекта на мнемосхеме достаточно скопировать имеющийся, изменив лишь значения псевдонимов, что не требует перехода в режим редактирования многоуровневой группы и задания имён тегов для множества простых элементов динамики.

Подобную же структуру имеют AlarmWorX32 и TrendWorX32, что позволяет аналогичным образом осуществить привязку ActiveX-компонентов (AWXView32, AWXRep32, TWXView32), встраиваемых в GraphWorX32.

Выполнив таким образом все привязки на уровне «Объектовые экраны» и написав несложный Basic-script, получаем универсальную экранную форму для всех объектов одного типа. При вызове окна (щелчок по объекту, выбор соответствующего пункта контекстного меню) процедура определяет и устанавливает значения необходимых псевдонимов.

Заключение

Многообразие современных технологий и средств автоматизации, сложность задач автоматизации ведут к неоднозначности в подходах к их решению. В этой статье рассмотрена архитектура АСУ ТП на базе промышленных компьютеров и SCADA-системы GENESIS32. Сравнивая такое решение с архитектурой на базе распределённых контроллеров, можно отметить следующие его преимущества:

• возможность создания управляющих программ практически любой сложности за счёт мощных ресурсов промышленного компьютера;

• единая среда разработки, настройки и исполнения;

• возможность настройки программного обеспечения (ПО) с любого компьютера системы.

Эти особенности позволяют легко вносить изменения (связанные, например, с доработкой проекта) в конфигурацию ПО, что особенно актуально на этапе пусконаладочных работ.

Наш трёхлетний опыт работы со SCADA-пакетом фирмы Iconics свидетельствует о том, что это функциональный программный продукт с богатыми возможностями как для разработчика, так и для конечного пользователя.

В целом система получилась гибкой, наращиваемой и весьма экономичной.

Надеемся, что идеи и технические решения, изложенные в данной статье, будут полезны нашим коллегам. ● 

Авторы — сотрудники НПФ «Интек» и АНК «Башнефть»
Телефоны: (3472) 90-8844, 22-3810