Файл: М. М. Андрееваобзор современного рынка распределенных систем управления в нефтяной и газаовой промышленности.pdf

383
УДК 004.3
А. В. Окружнов, Р. Р. Хайбунасов, И. Р. Хасанов,
М. М. Андреева
ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО РЫНКА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
В НЕФТЯНОЙ И ГАЗАОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: распределенные системы управления, обзор, производители, автоматизация.
Проведен обзор современного состояния рынка распределенных систем управления, выявлены характеристики
различных систем, а так же отличительные особенности различных производителей РСУ.
Keywords: distributed control systems, overview, manufacturers, automation.
A review of the current state of the market distributed control systems, identified characteristics of the various systems,
as well as the distinctive features of different manufacturers DCS.
Введение
Роль информационных технологий в автоматизации технологических процессов сложно переоценить – практически невозможно представить современное производство без интегрированных ИТ- систем класса ERP, MES и Распределенных систем управления (РСУ) / Distributed Control System (DCS).
Изменения рыночной ситуации во многих отраслях – общее насыщение рынка и усиление конкуренции, введение новых экологических норм и стандартов, общее удорожание стоимости производства, высокие цены на энергоносители – все эти и другие причины диктуют необходимость дальнейшего развития автоматизации на производстве, в частности, переход к оптимальному управлению, прежде всего, по технико-экономическим показателям производства. Класс систем, реализующих это на практике, носит название APC (Advanced Process
Control).
Ключевые цели внедрения APC – снижение потерь и увеличение прибыли производства путем вывода всей цепочки технологических процессов на оптимальный режим работы [1].
Автоматизированная система управления
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях.
Под АСУ ТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт [2].
В зарубежной литературе можно встретить довольно интересную классификацию АСУ ТП, в соответствие с которой все АСУ ТП делятся на три глобальных класса:
• SCADA (SupervisoryControlandDataAcquisition). На русский язык этот термин можно перевести как
“система телемеханики”, “система телеметрии” или
“система диспетчерского управления”.
• PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как
“программируемый логический контроллер” (или сокращенно ПЛК).
Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления. Тем не менее, термин ПЛКимеет и более общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.
• DCS (Distributed Control System). По-русски распределенная система управления
(РСУ).
Справедливости ради надо отметить, что если в начале 90-х такая классификация не вызывала споров, то сейчас многие эксперты считают ее весьма условной. Это связано с тем, что в последние годы внедряются гибридные системы, которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одному классу, так и к другому[3].
Распределенные системы управления
РСУ (DCS) - наиболее комплексный и самый интересный класс АСУ ТП. РСУ, как правило, применяются для управления непрерывными технологическими процессами (хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом останов процесса, даже кратковременный, недопустим. Под непрерывными процессами подразумеваются те, останов которых может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке технологического оборудования и даже несчастным случаям, а также те, возобновление которых после останова связано с большими издержками. Это сильно отличается от конвейера (применение систем PLC), который можно остановить и запустить заново достаточно быстро, при этом без каких-либо глобальных затрат.
Сферы применения РСУ бесчисленны:
1. Химия и нефтехимия;
2. Нефтепереработка и нефтедобыча;
3. Стекольная промышленность;
4. Пищевая промышленность: молочная, сахарная, пивная;
5. Газодобыча и газопереработка;
6. Металлургия;

384 7. Энергоснабжение и т.д.
Из вышесказанного вытекает главное требование к РСУ – отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно и останов технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость достигается путем резервирования (как правило, дублирования) аппаратных и программных компонентов системы, использования компонентов повышенной надежности, внедрения развитых средств диагностики, а также за счет технического обслуживания и непрерывного контроля со стороны человека [2].
РСУ чрезвычайно функциональны и масштабируемы: на их базе автоматизируются технологические установки, производственные цехи, а иногда и целые заводы. Для характеристики масштаба
РСУ часто используют специальный термин
“количество параметров ввода/вывода”.
Один параметр ввода/вывода – это либо сигнал измерения, получаемый с датчика (текущее давление пара в котле), либо управляющий сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (команда пуска насоса, например). Современные РСУ способны обрабатывать до 50000 параметров ввода/вывода, что соответствует большому химическому заводу.
Из самого названия “распределенная система управления” становиться очевидным, что подобные системы могут охватывать множество территориально распределенных объектов.
В действительности расстояние между технологическими установками, объединенными в одну систему управления, порой достигает нескольких километров. Система может покрывать большие площади. Это стало возможным за счет применения современных сетей и шин передачи данных, таких как: всем известный Ethernet или, например, специальная промышленная шина Profibus
DP.
Первые инструментальные средства для создания DCS были представлены на рынок в 1975 году компаниями Honeywell (система TDC 2000) и Yokogawa (система CENTUM) [4].
Основные производители РСУ
На рынке представлены несколько ключевых производителей программного обеспечения для APC:
 Honeywell, США
 Schneider Electric, Франция
 Emerson, США
 Yokogawa, Япония
 Invensys, Великобритания
 SiemensAG, Германия и т.д.
Данный спектр APC вендоров позволяет сделать выбор правильного решения с учетом работающего оборудования, технологических процессов, существующих РСУ и прочее. Важно отметить, что на современном этапе развития технологии APC, производители решений все более оптимизируют модели управления для обеспечения наиболее оптимального управления процессом не только за счет уточнения прогнозирующих моделей, но также за счет построения нелинейных моделей управления и собственных запатентованных многопараметрических алгоритмов.
Наряду с универсальными решениями развивается ряд специализированных APC-решений для определенных отраслей и/или оптимизационных задач [1].
Honeywell
Honeywell International, Inc.
— крупная американская корпорация, производящая электронные системы управления и автоматизации.
В 2003 г. фирма закончила разработку и начала внедрение новой распределенной системы управления ExperionPKS (ProcessKnowledgeSystem – система знаний о процессе), базирующейся:
•на анализе работы автоматизируемого объекта в нормальном и нештатных режимах работы;
•на моделировании процессов, происходящих в объекте;
•на учете опыта операторов и технологов по управлению объектом.
Основные особенности системы, характеризующие свойства системы Experion PKS.
•Широкая масштабируемость, достигаемая использованием специальной архитектуры распределенной системы, при которой несколько отдельных систем Experion PKS работают как единый комплекс, обеспечивая прямой доступ от любой рабочей станции к любому контроллеру и к историческим данным любой системы. Благодаря этому систему Experion PKS можно использовать как для управления отдельным технологическим процессом, так и для автоматизации всего производства в комплексе.
•Объединение всех данных различных средств системы в единой базе данных, что позволяет иметь одноразовый ввод информации из любого средства и многократное использование ее разными пользователями на различных уровнях управления.
•Непосредственная доступность всей информации, вырабатываемой системой, через средства Интернет/Интранет, поскольку построение всех программных средств верхнего уровня системы базируется на запатентованной фирмой технологии
HMIWeb, реализующей человеко-машинный интерфейс (HMI) с форматированием данных (их гипертекстовой разметкой) на языке XML.
•Экономное функционирование сетей благодаря принятому способу передачи сигналов от любых средств нижнего уровня (датчиков и контроллеров): сигналы передаются только тогда, когда происходят измененияих значений. Это существенно снижает загрузку сетей и повышает быстродействие системы.
•Всесторонняя открытость системы, которая обеспечивается использованием промышленного интерфейса ОРС (ОРС-клиента и ОРС-сервера); типовой связью с реляционными СУБД – язык SQL и драйвер ODBC, всеми типовыми программными интерфейсами и стандартами сборки программ фирмы Microsoft, включая COM/DCOM, OLE,
ActiveX; использованием в составе системы наиболее распространенных, стандартных,

385 информационных, промышленных и полевых сетей; наличием драйверов к техническим средствам ведущих мировых производителей продукции автоматизации.
•Наследование линии предыдущих систем автоматизации фирмы Honeywell и реализация непосредственной связи и интеграции с существующими на предприятиях системами, комплексами, контроллерами производства фирмы
Honeywell.
Система имеет 3 сетевых уровня, каждый из которых может быть реализован разными вариантами типовых сетей.
На верхнем информационном уровне, формирующем связи рабочих станций друг с другом, с серверами, с корпоративной сетью предприятия, используется типовая сеть Ethernet в двух вариантах.
Основным контроллером системы Experion
PKS является контроллер С200, который поддерживает работу в резервированной и нерезервируемой конфигурации.
Еще одна система производства Honeywell – это РСУ TDC-3000.
Основные функции системы: контроль и управление непрерывными и периодическими процессами; отображение и печать трендов; создание базы данных; сигнализация и блокировка; контроль состояния оборудования и диагностика системы.
Архитектура TDC-3000 предусматривает резервирование на нескольких уровнях: резервирование модулей ввода/вывода, модулей интерфейсов сети и шлюза, операторских станций [5].
Emerson
Emerson
(Эмерсон) (NYSE: EMR) — крупная транснациональная корпорация, головной офис в городке Фергюсон, штат Миссури, (США).
DeltaV - распределенная система управления
(РСУ) производства компании
EMERSONPROCESSMANAGEMETN для непрерывных или периодических химико- технологических процессов.
Основные преимущества DeltaV являются:
•Превосходная точность измерительных каналов: 0,1% от шкалы во всем рабочем температурном диапазоне -40 до +70 °С.
•Малые габариты и пониженное энергопотребление, соответственно нет необходимости в дополнительной вентиляции и кондиционировании помещения контроллерной.
•Одноранговая сеть управления. Нет узких мест, все операторские станции взаимозаменяемые.
•100% резервирование всех компонентов системы управления, при необходимости, включая модули входов-выходов. On-line замена любого компонента системы управления. On-line наращивание и конфигурирование без ограничений.
•Максимальное использование общепромышленных компонентов для уменьшения стоимости и повышения ремонтопригодности: операторских станций на базе PC, сетевых коммутаторов, блоков питания 24VDC.
•Минимальное количество компонентов в системе управления по сравнению с конкурентами для повышения надежности и упрощения эксплуатации.
•Уникальная гибкая система лицензирования позволяющая создавать на одной платформе сверхмалые бюджетные системы управления на 50 входов-выходов и сверхбольшие системы на 300 000 входов-выходов с одинаковой функциональностью.
•Первая в мире
РСУ изначально спроектированная на применение полевых цифровых шин управления к приборам КИП и исполнительным устройствам. Поддерживаются практически все известные полевые шины управления (HART, Foundation FieldBus, Profibus,
AS-i, DeviceNet, Wireless и т.д.) включая специальное программное обеспечение AMS Device
Manager для удаленного конфигурирования и on-line диагностирования полевого оборудования.
•Богатейшая библиотека функциональных блоков и шаблонов для конфигурирования контроллера.
•Продвинутые возможности по управлению технологическим процессом.
Помимо
ПИД- регулятора вы можете использовать FUZZI-logick регуляторы и регуляторы работающие по математической модели регулируемого параметра.
•Встроенный программный анализатор эффективности использования автоматического управления технологическим объектом.
•Богатейший набор дополнительных программных надстроек для организации оптимального управления вашим технологическим процессом, включая подсистемы прогнозирования степени деградации технологического и динамического оборудования для предупреждения аварийных остановок и оптимального планирования вывода оборудования в ремонт [6].
Invensys
Invensysplc.
– крупный британский промышленный концерн, один из ведущих производителей средств автоматизации, систем управления и безопасности для зданий и сооружений.
Система серии интеллектуальной автоматики (Intelligent Automation, I/A Series) является открытой промышленной системой (OIS), которая интегрирует и автоматизирует производственные операции. Это расширяемая распределенная система, которая позволяет технологической установке методом приращений адаптировать эту систему к требованиям технологического процесса. Модули, которые образуют систему I/A Series, осуществляют связь друг с другом, несмотря на то, что они могут располагаться в разных местах в зависимости от условий и компоновки конкретной технологической установки.
Другим преимуществом распределенной системы является то, что каждый модуль имеет конкретные задачи и самостоятельно их выполняет

386 вне зависимости от состояния других модулей.
Система I/A Series представляет набор устройств, каждое из которых называется модулем. Каждый модуль запрограммирован для выполнения конкретных задач, связанных с мониторингом и управлением производственными процессами.
Базовая функция модуля определяют его классификацию, а именно:

Процессорный модуль (Станция)

Модуль Fieldbus (FBM)

Коммутатор Ethernet
С этими модулями связаны различные типы аппаратных средств, такие как периферийные устройства и кабели.
Т2550 – контроллер фирмы Invensys, в соответствии с современными требованиями поддерживает реконфигурирование в режиме онлайн и мониторинг всех функций непрерывного и логического управления.
Т2550 обеспечивает комплексное автономное решение или мощное добавление к более широкой системе.
Использование
Т2550 в качестве резервированной пары контроллеров автоматически защищает технологический процесс в случае отказа контроллера или связи. Если связь активного контроллера с полевым вводом/выводом или сам контроллер выйдет из строя, то вторичный контроллер автоматически берет на себя управление, обеспечивая бесперебойное управление и плавное переключение связи и технологического ввода/вывода [7].
Yokogawa
Yokogawa Electric Corporation — инжиниринговая компания, работающая в области измерительной техники и промышленной автоматизации.
Система CENTUM CS 3000 представляет собой интегрированную систему управления производством, используемую для управления и контроля работы установок в самых различных отраслях промышленности.
Основными достоинствами системы являются:
 Гибкая система двойного резервирования на всех уровнях, обеспечивающая феноменальные показатели наработки на отказ и доступности;
 Гибкая конфигурация каждого рабочего места оператора с возможностью независимого накопления исторической информации;
 Доменный принцип организации позволяет организовать системы управления любого масштаба с истинным распределенным управлением;
 Высокая плотность каналов модулей ввода/вывода (64-х канальные модули дискретных сигналов);
 Связь с подсистемами верхнего и нижнего уровней;
 Двусторонний обмен информацией с системами управления предприятием с использованием протокола ОРС;
 Двусторонний обмен информации с подсистемами нижнего уровня практически по любым стандартным протоколам;
 Функция виртуального тестирования, позволяющая выполнять отладку алгоритмов управления и прикладного программного обеспечения, как с подключением полевых станций управления, так и без подключения [8].
Schneider Electric
Schneider Electric – крупная французская машиностроительная компания, обеспечивающая разработку и производство решений в области управления электроэнергией, а также комплексных энергоэффективных решений для энергетики и инфраструктуры, промышленных предприятий.
В области РСУ решением фирмы является система EMCS SUI. Физическая связь между компонентами основана на двух основных типах технологий (Ethernet и последовательные каналы), для того чтобы обеспечить использование существующих устройств и интегрировать оборудование сторонних производителей. EMCS
SUI поддерживает стандартные последовательные протоколы (T103, DNP3, MODBUS), позволяющие связывать существующие устройства и полностью интегрировать их в систему управления.
Базовая архитектура системы EMCS SUI соединяет периферийный терминал (RTU) или ПК с интеллектуальными электронными устройствами
(IED), такими как реле защиты или центры измерений, через традиционные протоколы связи.
Стандартная архитектура системы EMCS SUI состоит из Ethernet сети (кольцо или двойная звезда), связывающей компоненты базовой архитектуры, интерфейс оператора (ОI), IED устройства, шлюзы и т. д.
Связь типа «клиент-сервер» предполагает отсутствие центральной точки между местным и дистанционным управлением и облегчает индивидуальное резервирование клиента и/или сервера. Для больших объектов и при наличии разных уровней напряжения, система EMCS SUI предлагает архитектуры сети Ethernet с несколькими кольцами [9].
Siemens AG
Siemens AG – немецкий транснациональный концерн, работающий в области электротехники, электроники, энергетического оборудования, транспорта, медицинского оборудования и светотехники, а также специализированных услуг в различных областях промышленности, транспорта и связи.
В области создания РСУ основными продуктами являются:
● SIMATIC PCS7 (включая CEMAT и
BRAUMAT)
● APACS
● QUADLOG
SIMATIC
PCS
7
(полное название:
SIEMENS SIMATIC Process Control System 7) —

387 распределённая система управления - программно- аппаратный комплекс автоматизированной системы управления технологическими процессами, полностью производства компании SIEMENS.
SIMATIC
PCS
7 является однородной, функционально полной интегрированной системой.
Функциональные возможности системы могут быть проиллюстрированы следующими примерами:
●Единая стратегия конфигурирования всех технических средств.
●Единые концепции навигации и обслуживания аварийных сообщений.
●Защита доступа/ управления с ограничением перечня операций, разрешенных различным категориям обслуживающего персонала.
●Единая система мониторинга и диагностики.
●Синхронизация по времени.
●Интегрирование систем противоаварийной автоматики.
●Полное резервирование всех компонентов: от приборов полевого уровня до уровня интерфейса оператора.
●Исчерпывающий набор библиотек с готовыми к применению функциональными блоками, экранными формами и символами.
●Функции импорта и экспорта данных процесса из/в CAD/CAE системы.
●Программное обеспечение для пакетного управления производственными процессами
(SIMATIC BATCH, соответствует
ISAS88.01).
Система SIMATIC PCS7 базируется не только на использовании широкой гаммы промышленного программного обеспечения, но и на применении стандартных компонентов SIMATIC. Это позволяет:
●Производить выбор систем автоматизации различной производительности в зависимости от предъявляемых к ним требований.
●Производить пошаговое развитие систем локального и распределенного ввода-вывода.
●Выполнять простое расширение функций управления и мониторинга, переходя от простой одноместной системы к распределенным многопользовательским системам с архитектурой клиент/ сервер.
●Выполнять расширение функциональных возможностей рабочих станций за счет установки различных опциональных программных и аппаратных компонентов [10].
APACS – этоконтроллер РСУ.
Для связи с интеллектуальными датчиками, имеющими стандартный протокол HART, в контроллер Apacs добавляется модуль связи HFM.
Использование специальной терминальной панели контроллера позволяет подключить к нему 16 выходных цепей на HART-протокол; к каждой цепи может подключаться до 8 интеллектуальных датчиков.
На нижнем (полевом) уровне контроллер подсоединяется к удаленным блокам ввода/вывода с помощью магистрали IOBUS: порт RS485.
На среднем
(промышленном) уровне контроллеры между собою взаимодействуют через короткие шины Modulbus, Основной промышленной сетью, связывающей контроллеры и пульты операторов, является сеть ModulNet, которая связывает отдельные шины Modulbus и компьютеры между собою.
На верхнем уровне пульты операторов соединяются между собою и с другими компьютерами типовой магистралью Ethernet или
Token Ring no протоколу TCP/IP. К этой сети могут подключаться и сети: Modulbus, ModulNet через специальный модуль-интерфейс NIM.
Контроллеры Apacs могут работать самостоятельно, соединяясь через последовательный порт с пультом оператора; могут работать в общей с контроллерами Quadlog системе управления, взаимодействуя через сеть Modulnet; имеют связь с сетью Modbus.
Все модули контроллера Apacs могут быть резервированы; всегда резервируются магистрали всех сетей и их оконечные элементы; каждый каркас контроллеров подключается к трем независимым линиям питания; блоки ввода/вывода при резервировании контроллера могут также резервироваться или оставаться в не резервируемом виде. Резервируемые модули непрерывно тестируют друг друга, что помогает мгновенно реагировать на возникающие неисправности. Замена неисправных модулей при их резервировании производится обслуживающим персоналом в работающей системе без какого-либо вмешательства в процесс управления и без каких-либо специальных команд оператора.
Система критического управления и обеспечения безопасности технологических процессов QUADLOG предназначена для создания приложений, предъявляющих особенно высокие требования к надёжности, отказоустойчивости и безопасности:
Системы противоаварийной защиты (ПАЗ), системы пожаро - и газобезопасности, системы управления критическими процессами.
Система QUADLOG может быть непосредственно интегрирована с распределённой системой управления технологическим процессом в составе АСУТП.
Первый вариант структуры не резервируемый, но полностью диагностируемый по всей цепи управления контроллер (так называемая "Dual" архитектура).
Второй вариант структуры с резервируемым процессором (Redundant Controllers) и аналогично первому варианту полной диагностике цепи несколько повышает надежность и уменьшает время пребывания объекта в нерабочих режимах из-за неисправностей контроллера.
Третий вариант структуры полностью резервируемая и полностью диагностируемая цепь управления (так называемая, "Quad" архитектура) значительно повышает надежность и еще более уменьшает время пребывания объекта в нерабочих режимах. Вариант Quadlog Quad [11].
Текон
Текон начал свою деятельность в 1990 году с разработки и производства контроллеров.