алгоритм повышенной надёжности

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПУСК И ОСТАНОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
(АЛГОРИТМ ПОВЫШЕННОЙ НАДЁЖНОСТИ)
Севастьянов Б.Г.
(Волгоградский политехнический институт)
«Там, где большинству алгоритмистов-любителей
кажется, что алгоритм готов, профессионал понимает,
что тяжёлая и утомительная работа только начинается.»
Дж. Форсайт
Современные микропроцессорные контроллеры позволяют разрабатывать и
внедрять алгоритмы повышенной надёжности. На кафедре автоматизации
технологических процессов Волжского филиала Московского энергетического института
и кафедре автоматизации и вычислительной техники проводилось моделирование и
наладка одного из них. Ставилась цель: разработать надёжный алгоритм
автоматизированного пуска и останова группы центробежных насосов в комплексе с
задвижками. При разработке алгоритма максимально распознавать и учитывать вероятные
реальные ситуации, учитывать технологические особенности и функционирование
смежных систем контроля и регулирования. Разрабатываемая система создавалась на
основе логико-вероятностного анализа ситуаций, с учётом случайных событий,
требований технологического регламента, технической документации на приборы и
оборудование, практического опыта специалистов. Система может использоваться на
АЭС, ТЭС, на предприятиях нефтехимии и нефтепереработке, в системах оборотного
водоснабжения.
Представим себе, что имеются емкости, объединённые по продуктам и группа
центробежных насосов, которые предназначены для закачки и откачки продуктов.
Допустим, что смешивать продукты нельзя.
Постановка задачи. Дана трёхуровневая АСУТП, которая должна реализовать
следующие режимы работы:
1)
Ручной (РУЧ). Пуск и останов насосов оператором по месту с включёнными
блокировками и нет (т.е. без контроля правильности пуска и останова со стороны
контроллера).
2)
Дистанционный режим (ДИСТ): с лицевой панели контроллера или АРМа
технолога-оператора (с ПЭВМ).
3)
Автоматический режим работы (АВТ).
Реализуемые на микропроцессорных контроллерах функции.
Информационный режим.
1)
Контроль напряжения питания цепей КИП и А.
2)
Контроль напряжения питания силового оборудования.
3)
Контроль положения ключа ручного или дистанционного режима,
расположенного по месту (обычно в насосном отделении). В ручном режиме внешние
цепи управления отключаются, т.е. отключается дистанционный и автоматический
режимы.
4)
Контроль залива насоса.
2
5)
Контроль сопротивления изоляции электродвигателя.
6)
Контроль температуры подшипников электродвигателя.
7)
Контроль давления нагнетания.
8)
Контроль давления в общем коллекторе.
9)
Контроль уровня в емкостях.
10)
Контроль загазованности в насосном отделении.
11)
Контроль наличия воспламенения или пожара.
12)
насоса.
13)
Контроль состояния насосов и положения напорных задвижек каждого
Контроль качественных характеристик электропитания.
14)
Контроль количества срабатываний конечных выключателей, релейноконтактной аппаратуры, продолжительности работы каждого насоса.
Функции управления.
1)
Пуск и останов насоса.
2)
Открытие и закрытие напорной задвижки (задвижки нагнетания).
3)
Открытие и закрытие задвижки на всасе насоса.
4)
Аварийное отключение насоса.
5)
Выбор маршрута закачки или откачки продукта.
Блокировки.
Блокировка команды «Открыть задвижку» в автоматическом режиме:
1)
Задвижка открыта.
2)
Задвижка имеет признак «Авария».
3)
Задвижка в ремонте.
4)
задвижкой.
Отсутствует напряжения питания в электрической цепи управления
Блокировка команды «Закрыть задвижку» в автоматическом режиме:
1)
Задвижка закрыта.
2)
Задвижка имеет признак «Авария».
3)
Задвижка в ремонте.
4)
задвижкой.
Отсутствует напряжения питания в электрической цепи управления
Блокировка команды «Пуск» насоса в автоматическом режиме:
1)
Напорная задвижка открыта.
2)
Нет залива насоса, блокировка пуска «на сухую».
3)
Сопротивление изоляции электродвигателя ниже нормы.
4)
Открыта задвижка другого продукта.
5)
Ключ напорной задвижки не переведён в положение ДИСТ.
6)
Напорная задвижка имеет признак «Авария».
5)
Отсутствует напряжение питания в электрической цепи управления
задвижкой нагнетания.
3
7)
Отсутствует напряжение питания в электрической цепи управления пуском
и остановом электродвигателя насоса.
8)
Отсутствует напряжение питания электродвигателя насоса.
9)
Защита от несвоевременного пуска.
10)
Насос имеет признак «Авария».
11)
Насос в ремонте.
12)
В случае формирования ложной, случайной команды «Пуск».
13)
уровнем.
При попытке оператором произвести закачку в ёмкость с максимальным
Блокировка команды «Стоп» насоса в автоматическом режиме (нормальный
режим, не аварийный):
1)
Напорная задвижка открыта.
2)
Защита от несвоевременного останова.
В программе реализовано импульсное включение и импульсное отключение
насосов с защитой от повторного несвоевременного включения насоса. Некоторые
двигатели нельзя включать раньше указанного в паспорте времени. Двигатель нельзя
отключать, если он не набрал номинальные обороты. Останов двигателя в момент пуска,
когда пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный, может привести к возникновению
дуги в контакторе. Блокировка от несвоевременного останова и пуска просто и надёжно
реализована на одновибраторах (ОДВ). При пуске контролируется набор давления за
заданное время, а в процессе работы контролируется давление в общем коллекторе и
другие параметры.
Индикация. Всех контролируемых значений и состояний. Хранение предыстории.
Фиксирование некорректных действий оператора и их блокирование.
Предусмотрена защита
несанкционированного доступа.
информации
(БД-базы
данных)
и
программ
от
Производится периодическое тестирование аппаратных и программных средств.
Сигнализация. В системах автоматизированного управления для объектов
повышенной опасности сигнализации уделено особое внимание. Разработаны блоки
интеллектуальной сигнализации.
В реальных системах необходимо предусматривать связь пуска и останова насосов
с системой ПАЗ (противоаварийной защитой).
Большинство из этих функций при реализации детализируются. Рассмотрим
подробнее, например, на первый взгляд простую функцию: «Открыть/Закрыть» напорную
задвижку.
Алгоритм управления электрозадвижкой
Реализуемые функции.
Режимы работы: ДИСТ или РУЧ и АВТ.
Команды: открыть, закрыть. Состояния: открыта, закрыта, авария.
Блокировки команд открыть или закрыть, если задвижка открыта или закрыта.
Блокировка действий оператора при попытке открыть задвижку другого продукта. Т.е.,
если идёт закачка одного продукта, а оператор пытается открыть задвижку на ёмкости
другого продукта. Предусмотрена антиреверсная защита. Если по каким-либо причинам
оператор ошибочно дал команду открыть (закрыть) и в момент её движения понял, что её
необходимо срочно закрыть. Формирует команду закрыть. Команда закрыть сбрасывает
4
команду открыть и проходит на выход не сразу, а с задержкой, например, 3 секунды. Этой
выдержки достаточно, чтобы двигатель с редуктором остановились и только после этого
идёт противоположная команда закрыть.
Реализацию алгоритма управления напорной электрозадвижкой представим на
языке алгоблоков (язык FBD) для логической модели контроллера Ремикон Р-130,
который имеется в лаборатории института. Программирование осуществлялось с
помощью кросс-средств Редитор Р-130.
Алгоритм управления задвижкой включает следующие моменты:
1.
По командам «открыть» или «закрыть» формируются управляющие сигналы
на исполнительные механизмы.
2.

нижнего;
Сброс команд происходит:
по нажатию конечного выключателя (КВ, конечника), верхнего или

по истечении времени необходимого для открытия или закрытия;

по истечении времени, необходимого для схода с конечного выключателя;

при появлении противоположной команды
3.
Алгоритм формирует сигнал аварии. Аварией считаются ситуации:

оба конечника нажаты;

оба конечника отжаты без команды;

задвижка не сошла с конечного выключателя за отведённое время.
4.
Алгоритм обеспечивает индикацию состояния задвижки:

в положении "открыто" - «горит» светодиод №5,

в положении «закрыта» - «горит» светодиод №13 лицевой панели
контроллера,

в процессе перехода задвижки из одного состояния в другое
соответствующий светодиод мигает. Например, когда задвижка Z-1 открывается мигает 5й светодиод.

команда открыть или закрыть контроллером сформирована - светодиод

сигнал аварии выдаётся на светодиод №29.
№21,
5.
С конечных выключателей при нажатии приходит сигнал нулевого уровня
(логический ноль). Если КВ отжат, то – единица.
Для наглядности и лучшего восприятия материала в докладе приводится лицевая
панель контроллера Ремиконт Р-130 (модель логическая). На лицевой панели светодиоды
расположены в восемь столбцов по четыре светодиода в каждом столбце. Первые два
вертикальных ряда отведены под состояния двух насосов. Пятый и шестой ряд под
состояния напорных задвижек. Структурные схемы алгоритмов, вид лицевой панели
контроллера, циклограммы работы системы будут представлены в докладе. В таблице
приведено назначение закреплённых светодиодов.
Табл. 1. Назначение закреплённых светодиодов
5
Номер
светодиода
1
2
5
6
9
10
13
14
17
18
21
22
25
26
29
30
Назначение
Насос Н-1 включен
Насос Н-1 включен
Напорная задвижка Z-1 насоса Н-1 открыта
Напорная задвижка Z-2 насоса Н-2 открыта
Насос Н-1 отключен
Насос Н-2 отключен
Напорная задвижка Z-1 закрыта
Напорная задвижка Z-2 закрыта
Команда по Н-1 сформирована (пуск или стоп)
Команда по Н-2 сформирована (пуск или стоп)
Команда по Z-1 сформирована (открыть или закрыть)
Команда по Z-2 сформирована (открыть или закрыть)
Авария по Н-1
Авария по Н-2
Авария по задвижке Z-1
Авария по задвижке Z-2
Пояснения к программе на языке функциональных алгоблоков.
Приведём пояснения некоторых используемых алгоритмов.
ВДБ (10) – модуль (алгоритм) ввода дискретных сигналов по группе Б. 10-номер
алгоритма в библиотеке алгоритмов.
ИЛИ (72) – алгоритм ИЛИ (двухвходовой). Количество элементов ИЛИ в одном
алгоблоке равно 8.
ЛОИ (70) - двухвходовой алгоритм (элемент) И.
ТМР (81) – таймер.
МИЛ (73) – многовходовое ИЛИ.
ОДВ (83) – одновибратор.
МУВ (84) – мультивибратор.
ТРИ (76) – триггер.
ДИК (04) – алгоритм вывода дискретной информации на светодиоды лицевой
панели Р-130.
ОКЛ (02) – алгоритм оперативного контроля аналоговой, дискретной и другой
информации.
ДВБ (14) – алгоритм выдачи дискретной информации.
Для исключения ложного включения насосов при поступлении запросов вводится
защита от «дребезга». Под «дребезгом» входного дискретного сигнала понимается случайное кратковременное появление логической единицы.
Программы составлены на языке функциональных алгоблоков. Целесообразно, на
наш взгляд, придерживаться следующих принципов при написании таких программ:
1.
Принцип функциональной полноты. Алгоритм и программа контроля и
регулирования должны максимально реализовывать функции объекта
управления (ОУ). Сюда входит учёт перспективных функций или задач.
Введение новой функции не должно изменять (существенно) структуру
6
программы. Структура программы должна содержать проверку входной и
выходной информации на достоверность, отражать логику нормального
функционирования ОУ. Блоки интеллектуальной сигнализации должны
включать прогноз вероятных нарушений, учитывать время реакции оператора и
системы, формировать рекомендаций обслуживающему персоналу и
операторам технологического процесса, переводить систему в активный режим,
позволяющий предупреждать нарушения и аварии.
2.
Принцип единообразия в шифрации, нумерации и расположении
алгоритмических блоков (алгоблоков), выполняющих одну или несколько
взаимосвязанных функций. Расположение и их нумерация должны отражать
последовательность преобразования информации.
2.1. Принцип нежёсткой нумерации. Между конечными и начальными номерами
очередной группы алгоблоков, реализующих одну или несколько
взаимосвязанных, но разных функций должны быть резервные номера
(свободные). Обычно не более 5-ти.
2.2. Нумерация каждой группы блоков, реализующих одинаковые функции, должна
быть идентична. Например, первая группа имеет нумерацию от 10 до 19, тогда
вторая – от 20 до 29 и т.д.
2.3. При расположении алгоблоков друг под другом следует учитывать
возможность изменения модификатора размера в сторону увеличения (на один
размер).
2.4. Границы группы алгоблоков должны располагаться на одной линии, чтобы
можно было проводить информационные кабели (связи между алгоблоками)
без дополнительных зигзагов и пересечений.
3.
Введение в программу промежуточных алгоблоков при вводе и выводе
информации
(промежуточных
«клеммников»).
Данный
приём
программирования, в частности, позволяет оперативно переходить на
резервный канал, не корректируя связи в самой программе.
4.
Принцип распределённого (по контроллерам) программирования задач
контроля и регулирования технологическим оборудованием, имеющим резерв.
Нельзя параллельное резервирование технологического оборудования сводить к
последовательному включению (с точки зрения резервирования) за счёт
реализации программы управления резервным оборудованием в одном
контроллере. Вводить сигналы в один контроллер можно в том случае, если он
имеет резервный контроллер.
5.
Принцип максимальной информационной автономности реализуемой задачи.
Этот принцип позволяет распределять связанные параметры по контроллерам
так, чтобы отказ любого контроллера, работающего в локальной сети, не влиял
на работоспособность другого контроллера (другой программы) или это
влияние было не существенным. Если группа параметров необходима для
выполнения одной или нескольких взаимосвязанных задач, то эти параметры
должны быть заведены через устройства связи с объектом (УСО) на один
контроллер.
Внедрение систем, максимально учитывающих возможные ситуации, позволит
избежать при пуске насосов кавитационных явлений, при останове – гидравлических
ударов, исключить некорректный пуск ( на «сухую», на открытую задвижку и т.д.) и
останов (при открытой задвижке, ложной команде) насосов. Что значительно повысит
долговечность релейно-контактной аппаратуры, продлит ресурс работы задвижек и
7
насосов. Снизится нагрузка на технологический и ремонтный персонал. Практически
исключаются остановы по вине автоматизированной системы.
В докладе будет представлен один из алгоритмов управления насосами и группой
задвижек.
Ориентировочная стоимость разработки такой автоматизированной системы
управлением группой из 10-12 насосов, 30-40 задвижек для 20-30 ёмкостей составит
0.8-1,5 млн. рублей. Срок разработки и внедрения системы обычно составляет 2-3 года.