Автоматизация энергоснабжения Надеждинского металлургического завода

Введение

В октябре 2012 года компания «Сумма технологий», имеющая статус Solution Partner компании Siemens в области промышленной автоматизации, завершила работы по реконструкции системы диспетчерского управления энергоснабжением Надеждин-

с­кого металлургического завода ОАО «ГМК «Норильский никель». В рамках проекта была произведена замена выработавшего свой ресурс телемеханического комплекса ТМ-301, введённого в эксплуатацию в 1982 году, на соответствующую современным требованиям автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управ­ления энергоснабжением (АСОДУЭ НМЗ).

АСОДУЭ НМЗ представляет собой высоконадёжную и многофункциональную систему контроля и управления снабжением переделов Надеж­динского металлургического завода необходимыми энергоресурсами. Дан­ное решение выполнено на базе программно-технического комплекса Siemens Simatic PCS7, имеет открытую архитектуру и соответствует современным требованиям в области энергетического менеджмента, энергоэффективности, надёжности и удобства в использовании.

Основными целями разработки и внедрения АСОДУЭ НМЗ являлись:

• обеспечение надёжности работы сис­тем энергоснабжения предприятия;
• оперативное распределение технологических нагрузок;
• учёт потребления различных энергоносителей в реальном времени;
• накопление данных для анализа, планирования и выработки оптимальных режимов работы систем энергоснабжения на основе точных данных по потреблению энергии и мощности;
• повышение эффективности диагностики повреждений и сокращение времени на локализацию и ликвидацию аварийных ситуаций.

Результатом внедрения системы стало повышение надёжности работы систем энергоснабжения завода, обеспечение оптимальных режимов ведения энергоёмких технологических процессов. В дальнейшем всё это позволит уменьшить время простоев технологического оборудования, снизить долю энергозатрат в себестоимости продукции и сократить производственные издержки завода в целом.

Автоматизируемые объекты

К основным технологическим переделам Надеждинс­кого металлургического завода им. Б.И. Колесникова относятся: пирометаллургическое производство (ПМП), гидрометаллургическое производство (ГМП), кислородная станция, а также вспомогательные цеха и объекты. Система энергоснабжения НМЗ представляет собой сложную иерархическую многоуровневую структуру, в состав которой входят следующие подсистемы:

• электроснабжения;
• тепловодоснабжения;
• оборотного водоснабжения;
• снабжения кислородом;
• снабжения азотом;
• снабжения паром;
• снабжения сжатым воздухом;
• снабжения природным газом;
• производственного и хозяйственно-противопожарного водоснабжения.

Электроснабжение осуществляется со стороны вводной подстанции РП-2 на­пряжением 35 кВ и 10 кВ, а также со стороны ТЭЦ-3 (ПО «Норильск­энерго») напряжением 10 кВ. Объеди­нительные электропечи плавильного цеха (ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-3, ОЭП-4) запитываются от РП-2 по шинопроводам ШП-4 и ШП-6 напряжением 35 кВ. Питание рас­пределительных подстанций РП-101, РП-102, РП-103, РП-108 осуществляется по шинопроводам ШП-1 и ШП-2, закольцованным со стороны РП-2 и ТЭЦ-3, напряжением 10 кВ. Кислород­ная станция КС-2 получает электроэнергию от ТЭЦ-3 по шинопроводам ШП-3 и ШП-4 напряжением 10 кВ. Главные понизительные подстанции ГПП-46 (насосная концентратохранилища) и ГПП-51 (Кайер­канский угольный разрез) подключены к воздушным линиям с напряжением 110 кВ, понижаемым далее до 6 кВ. Остальные распределительные подстанции (РП) предприятия запитываются напряжением 10 кВ по кабельным вводам.

Ячейки РП-2, комплектное распределительное устройство (КРУ) и головное распределительное устройство (ГРУ) ТЭЦ-3 обеспечивают распределение электроэнергии по всем заводским РП и трансформаторным подстанциям и да­лее через них – по высоковольтным по­требителям, а также по потребителям пониженного напряжения 10/0,4, 10/0,69, 6/0,4 кВ. Основ­ным технологическим оборудованием РП, которое требует диспетчерского контроля и управления, является коммутирующая аппаратура (высоковольтные масляные выключатели).

Водоснабжение НМЗ обеспечивает цех обезвоживания и складирования концентратов (ЦОСК). Цех имеет разветвлённую структуру и состоит из следующих отделений: отделение гидротехнических сооружений и гидротранспорта (ГТС и ГТ), отделение подготовки концентрата (ОПК), отделение обезвоживания металлургических шламов (ООМШ). Отделения ОПК, ГТС и ГТ подпадают под ведение технологических служб. В состав ООМШ входят насосные станции (НС) № 18, № 18а, № 19 и № 20 – соответственно, НС18, НС18а, НС19 и НС20.

НС18 и 18а обеспечивают подачу технологической и хозяйственно-противопожарной воды на объекты НМЗ. Источник водоснабжения – река Норилка. В состав станций входят насосные агрегаты, накопительные резервуары, камеры переключений и системы трубопроводов с запорной арматурой. НС18 эксплуатируется в режиме дистанционного управления, постоянный технологический персонал на этой станции отсутствует.

НС19 входит в состав западной системы оборотного водоснабжения НМЗ и обеспечивает подачу охлаждающей воды к агрегатам основных подразделений предприятия – плавильных цехов № 1 и № 2, кислородной станции. НС19 оборудована 12 насосными агрегатами и имеет систему трубопроводов с запорной арматурой. В настоящее время НС19 как наиболее ответственный объект в системе водоснабжения завода функционирует с обязательным присутствием оперативно-технического персонала.

НС20 относится к северной систе­ме оборотного водоснабжения НМЗ и обеспечивает подачу воды в плавильные цеха завода для поверхностного охлаждения плавильных агрегатов и грануляции шлака электропечей. Станция имеет 9 насосных агрегатов и цепочку гидротехнических сооружений, включающую отстойники, бассейны, камеры переключений и систему трубопроводов с запорной арматурой.

Особенности АСОДУЭ и результаты модернизации

Программно-технический комплекс модернизированной АСОДУЭ постро­ен базе распределённой системы управления SIMATIC Processing Control System 7 (PCS7) фирмы Siemens. Система PCS7 создаёт открытую платформу для внедрения современных, экономически выгодных и ориентированных на перспективу решений в области автоматизации производственных предприятий. С её помощью может быть обеспечена экономичная, широкомасштабная интеграция систем управления всеми процессами в единую систему управления предприятием. Архитектура SIMATIC PCS 7 отличается высокой гибкостью и легко адаптируется к структуре по­строения предприятия и специальным требованиям ОАО «ГМК «Норильский никель».

Автоматизация АСОДУЭ представляет собой нетривиальную инженерную задачу, сложность которой обусловлена следующими факторами:

• сложность объединения территориально-распределённых объектов автоматизации в централизованную систе­му диспетчерского управления;
• жёсткие требования к функционалу и надёжности системы, обусловленные сложностью технологических процессов, выполняющих жизненно важные функции по энергоснабжению всего производства;
• наличие труднодоступных участков, не позволяющих выполнить прокладку кабельных трасс;
• необходимость резервирования каналов передачи данных;
• необходимость интеграции в АСОДУЭ локальных систем автоматики насосных станций и системы управления подстанции.

Система АСОДУЭ функционирует в круглосуточном режиме в соответствии с непрерывным характером и режимом ведения технологического процесса, с регламентными перерывами на профилактическое обслуживание.

Структурная схема АСОДУЭ представлена на рис. 1. 

Управление технологическим процессом осуществляется программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) серии SIMATIC S7, поддерживающими общую концепцию распределённого управления системы PCS7 и применяемыми для построения систем автоматизации высокой степени сложности. В АСОДУЭ используется шесть контроллеров SIMATIC S7-400 (три из них относятся к реализованным ранее локальным системам автома­тики) и два контроллера SIMATIC S7-300.

В качестве устройств удалённого ввода-вывода в системе используются периферийные станции SIMATIC ET200M (рис. 2). 

ET200M – это многофункциональная станция распределённого ввода-вывода, позволяющая использовать в своём составе сигнальные, функциональные и коммуникационные модули. Связь периферийной станции с головной процессорной стойкой осуществляется посредством промышленной сети PROFIBUS DP.

В этой сети станция ET200M выполняет функции стандартного ведомого DP-устройства и способна поддерживать обмен данными с ведущим DP-устройством на скорости до 12 Мбит/с. На длинных участках связи, где превышена допустимая спецификацией PROFIBUS протяжённость кабельного сегмента, для усиления сигнала используются репитеры, а на самых протяжённых участках, связывающих наиболее удалённые объекты, – оптические конверторы.

Связь системы с оборудованием полевого уровня системы осуществляется по протоколу Modbus, важной особенностью которого является возможность опроса по одной двухпроводной шине до нескольких десятков устройств.

Верхний уровень системы представлен следующими устройствами:

• два резервированных операторских сервера (OS-серверы);
• два резервированных центральных архивных сервера (CAS);
• инженерная станция разработки (ES);
• 7 клиентских станций операторов (OS-клиенты).

Станции операторов и архивные серверы CAS реализованы на основе промышленных серверов AdvantiX известной российской фирмы электронного оборудования FASTWEL.

Резервированная пара OS-серверов выполняет функции оперативного управления и мониторинга. В процессе их функционирования осуществляется контроль корректности работы основных приложений и при необходимости автоматическое безударное переключение с ведущего сервера на ведомый.

Синхронизация ведущего и ведомого OS-серверов выполняется в автоматическом режиме с высокой скоростью.

Функционально в АСОДУЭ можно выделить следующие подсистемы (рис. 3):

• приёма и первичной обработки информации;
• сигнализации;
• управления технологическим оборудованием;
• визуального представления технологической и системной информации;
• архивирования;
• формирования отчётных и статистических документов;
• диагностики работоспособности систем автоматизации и каналов связи;
• защиты информации.

Информация о ходе технологического процесса выводится на мониторы АРМ диспетчеров и на видеостену (рис. 4). 

Человеко-машинный интерфейс имеет чёткую и ясную структуру, эргономичный дизайн и понятен на интуитивном уровне. Оператор может легко осуществлять обзор хода протекания процесса (рис. 5), производить построение трендов, отчётов, таблиц и своевременно диагностировать сбои в электроснабжении завода. 

Видеостена состоит из четырёх ЖК-панелей с диагональю экрана 46", образуя матрицу 2×2. Используемые панели специально разработаны для эксплуатации в диспетчерских помещениях и конференц-залах.

На труднодоступных участках завода, не позволяющих выполнить прокладку кабельных трасс, в качестве основного канала связи используется промышленное оборудование широкополосного беспроводного доступа SkyMAN. А на некоторых наиболее ответственных участках беспроводная связь используется в качестве резервного канала связи.

Заключение

Внедрение АСОДУЭ НМЗ является важнейшим шагом к повышению энергоэффективности Надеждинского металлургического завода ОАО «ГМК «Норильский никель».

Данное решение предоставляет не только соответствующие современным требованиям надёжные и эффективные средства контроля и управления энергоснабжением производственных объектов завода. На основе накапливаемых в АСОДУЭ НМЗ данных реализуются оптимальные режимы ведения энерго­ёмких технологических процессов, эффективные алгоритмы работы в аварийных и нестандартных ситуациях.

Таким образом, АСОДУЭ НМЗ яв­ля­ется фундаментом для дальнейшей оптимизации производственных и технологических процессов завода и снижения общих энергозатрат. ● 

E-mail: larisadalyan1@rambler.ru