2007-2011 гг.
Деятельность тематической группы сосредоточена в области научных исследований отказоустойчивых высокопроизводительных архитектур распределенных управляющих систем для АСУТП (DCS – Distributed Control System) и разработке новых подходов и решений для создания комплексных систем автоматизации технологических процессов, требующих от системы управления повышенной отказоустойчивости, высокой надежности и масштабируемости по ключевым показателям, в том числе по детерминированности системы управления в диапазоне от сотен до единиц миллисекунд и по объему системы от сотен до нескольких десятков тысяч каналов контроля/управления.
Сотрудники тематической группы имеют более чем 25 летний опыт в этой области. Ведущие специалисты группы были в числе первых отечественных разработчиков стандарта VME, систем коммутации пакетов на основе стандартов X.25 и других, адаптации технологий персональных компьютеров для систем автоматизации и встраиваемых систем – первый персональный компьютер в стандарте VME был разработан в ИАиЭ в 1984 году.
Отличительной особенностью тематической группы является ее направленность на внедрение своих разработок в реальную жизнь от "идеи – НИР – ОКР – "оригинал-макет" – опытный образец – проект (конструкторская документация) – серийное производство – внедрение на действующих предприятиях". В этом направлении ведется тесное сотрудничество с внедренческими компаниями Академгородка. Большинство идей и разработок тематической группы не остаются только идеями, они внедряются в промышленности.
Исторически сложившиеся партнерские связи между ИАиЭ СО РАН и группой компаний "Торнадо" позволяют коммерциализировать полученные результаты научных разработок. С другой стороны, имеется редкая возможность проверять продуктивность новых идей в реальных условиях, непосредственно на промышленных объектах, реализуя уникальную обратную связь, которая обеспечивает поступательное движение совместного творческого процесса по развитию и совершенствованию и идей, и конечного продукта.
Представленные ниже примеры внедренных и растиражированных разработок показывают, как научно-технологические идеи получают свое материальное воплощение в промышленном производстве.
Идеи и результаты исследований, лежащие в основе этих разработок, изложены в публикациях сотрудников тематической группы.
Магистральные модули распределённого ввода-вывода MIRage-N
После успешной разработки и апробации в 1996 году идеи магистрально-модульного контроллера, устойчивого к любому единичному отказу (MIF-controller, MIF-modules) и последующего его успешного внедрения начиная с 1998 г. по сегодняшний день, в 2005 году возникла идея новой концепции единой однородной распределенной среды, объединяющей на одном уровне все элементы системы управления - процессорные устройства обработки, устройства ввода-вывода, рабочие станции, серверы с охватом всего объекта автоматизации с обязательным сохранением свойств устойчивости к любым единичным отказам. Таким образом в новой архитектуре отсутствуют традиционные «физические» контроллеры, вместо их появляются «виртуальные» контроллеры в виде исполняемых программ на процессорных устройствах обработки.
Идея была воплощена в опытных образцах модулей серии MIRage-N и в 2007 году получила высокую оценку журнала «Control Engineering», получив звание «Продукт года».
Серия модулей распределённого ввода-вывода MIRage-N была удостоена престижной премии «Продукт Года 2007» журнала «Control Engineering».
С 2008 года модули серии MIRage-N были успешно портированы в существующий программно-технический комплекс (ПТК) «Торнадо» и стали основной современного ПТК нового поколения «Торнадо-N», предназначенного для создания АСУТП на крупных промышленных объектах с высокими требованиями по надежности (например, котлы, турбины, парогазовые установки, энергоблоки теплоэлектростанций) и обладающего фактически неограниченными возможностями по производительности, масштабируемости, надежности и отказоустойчивости.
Это решение не имеет аналогов в мировой практике комплексных ПТК, и в настоящее время ведутся работы по патентованию этой разработки.
Сегодня комплексные АСУТП на базе ПТК «Торнадо-N» успешно эксплуатируются на таких объектах как Краснодарская ТЭЦ (комплексная АСУТП ПГУ-410 МВт), Новосибирская ТЭЦ-5 (СТК генераторов, шарикоочистка конденсаторов турбин), Красноярская ТЭЦ-3 (комплексная АСУТП пылеугольного энергоблока-210 МВт, комплексная АСУТП общестанционной электрической части ТЭЦ), Канская ТЭЦ (АСУТП турбин-12 МВт), Томская ГРЭС-2 (общестанционная АСУТП ТЭЦ).
Сейчас ведется проектирование и изготовление ПТК для ряда новых объектов: пять газотурбинных установок ГТУ-40 МВт Южно-Сахалинской ТЭЦ-1, пылеугольный энергоблок 300 МВт РиТЭС "Углевик" в Республике Сербской (Босния и Герцеговина) и других.
Основным элементом реализации идеи однородной сетевой среды управления, являются Модули серии MIRage-N. Они предназначены для решения максимально широкого круга задач АСУТП на промышленных объектах любой сложности и масштаба:
- Просты в использовании, легко интегрируются в любые системы автоматизации.
- Отвечают требованиям международных промышленных стандартов.
- На их основе типовым образом можно создавать структуры с требуемыми характеристиками по быстродействию, надёжности и отказоустойчивости.
- Могут применяться как в составе АСУТП, так и в качестве локальных приборов для измерения или управления.
Магистральные модули серии MIRage-N предоставляют данные о технологическом процессе непосредственно в общую скоростную дублированную магистраль Fast Ethernet, объединяющую все элементы системы автоматизации: устройства обработки данных (процессорные устройства), серверы, рабочие станции. В такой архитектуре отсутствуют привычные контроллеры в виде отдельных конструктивных единиц со своим процессорным устройством и напрямую подключённым вводом-выводом, выполняющие и алгоритмы управления, и операции ввода-вывода.
На базе модулей MIRage-N возникает качественно новая архитектура системы: распределённая мультипроцессорная среда управления, по сути являющаяся мультипроцессорным магистральным контроллером с общей скоростной магистралью передачи данных. Это даёт полную свободу в проектировании и эксплуатации системы, для неё нет ни топологических, ни конструктивных ограничений, в любой момент можно добавить дополнительные процессоры, каналы ввода-вывода, перераспределить нагрузку. Для этого не требуются изменения ранее установленных элементов, только добавление новых и программная настройка нового оборудования. Система может быть сколь угодно резервированной, дублированной или троированной, по мере необходимости. Это современный конструктор, позволяющий решать любые задачи АСУТП.
Технология построения системы на базе общей магистрали Fast Ethernet является инновационной. В силу технических и коммерческих преимуществ, есть основания предположить, что эта архитектура станет основной большинства АСУТП будущего.
Конструктивное исполнение модулей MIRage-N.
Основные модули серии MIRage-N и их характеристики
Программно-технический комплекс «Торнадо-N»
На сегодняшний день в эксплуатации находится более 100 АСУТП на базе программно-технического комплекса (ПТК) «Торнадо». Наиболее современным в этой линейке является ПТК «Торнадо-N». Комплекс имеет все необходимые разрешительные документы, в том числе включён в Государственный реестр средств измерения Российской Федерации и Республики Казахстан.
ПТК «Торнадо-N» – это специализированная платформа, предназначенная для автоматизации технологических процессов (АСУТП) на предприятиях тепло- и электроэнергетики и других промышленных объектах высокой степени ответственности с любым типом технологического оборудования и КИПиА.
Идеологической основой ПТК «Торнадо-N» стали результаты исследований, проведенных в 2007-2011 .г. сотрудниками тематической группы, с учетом многолетнего опыта внедрений АСУТП, сотрудничества с предприятиями теплоэлектроэнергетики и российскими инженерами, проектирующими и эксплуатирующими оборудование ТЭС, ЕНЭС и других производств, связанных с большой энергетикой.
Особенности ПТК «Торнадо-N»
АСУТП на базе ПТК «Торнадо» – полнофункциональная информационно-управляющая человеко-машинная система, работающая в режиме реального времени и управляющая работой технологического оборудования во всех эксплуатационных режимах, включая базовый режим, пуск, останов и аварийный режим работы основного технологического оборудования. Способ управления оборудованием зависит от режима эксплуатации: в базовом режиме – автоматический, в режимах с нарушением условий нормальной эксплуатации и в пусковых режимах – автоматизированный (полуавтоматический). ПТК обеспечивает высокую степень автоматизации с учётом конструктивных и технологических особенностей объекта, многообразия режимов его работы и связанных с ними особенностей управления и регулирования.
Внедрение современных комплексных АСУТП обеспечивает:
- Увеличение срока службы технологического оборудования. Автоматическое регулирование, автоматизированный пуск и останов в пределах технологических допусков эксплуатации оборудования, автоматика защит и интеллектуальных блокировок позволяют существенно увеличивать рабочий ресурс основного оборудования и сроки его фактической эксплуатации.
- Повышение экономической и экологической эффективности объекта. Реализация более сложных законов управления позволяет внедрять современные технологии сжигания и парораспределения, что позволят повысить КПД энергоустановок, экономить топливо и минимизировать вредные выбросы.
- Снижение роли человеческого фактора. Значительно сокращается число трудоёмких, рутинных ручных операций и, соответственно, исключается возможность ошибок, связанных с их выполнением. Персонал может сосредоточиться на более ответственных задачах, а безаварийные эксплуатационные периоды и готовность оборудования существенно увеличатся.
ПТК является комплексным решением: учитывается весь спектр технологических задач, возникающих на работающем объекте. Это открытое решение, позволяющее поэтапно внедрять и с минимальными затратами расширять АСУТП, не затрагивая уже существующую часть комплекса. Это наиболее современный комплекс с архитектурой будущего, не имеющий аналогов на рынке, показатели надежности и быстродействия которого превосходят нормы руководящих документов (РД).
Архитектура ПТК «Торнадо-N» позволяет производить безударную замену любых устройств ПТК (устройств ввода-вывода, процессорных блоков, серверов верхнего уровня, АРМ, любых источников питания, коммуникационного оборудования). К функционирующей системе можно добавлять дополнительные модули, причём эта процедура не требует модификации действующей части системы.
Основу ПТК составляют модули распределенного ввода-вывода MIRage-N. Применение данных модулей позволяет создать качественно новую архитектуру объединённого магистрального мультипроцессорного контроллера с единой высокоскоростной магистралью обмена данных между процессорными устройствами обработки и устройствами ввода-вывода, охватывающего весь объект автоматизации. ПТК «Торнадо-N» практически не имеет ограничений по структуре, пространственному распределению и компоновке, что делает его удобным как для проектировщиков и интеграторов, так и для конечного пользователя.
Рис 1. Типовая структура ПТК «Торнадо-N»
Информационная структура ПТК
Информационная структура системы основана на событиях и сообщениях о событиях. Предусмотрена первичная обработка информации по аналоговым параметрам. При этом анализируется отклонение параметров и скорость изменения параметров. Для любой переменной могут задаваться предупредительные и аварийные уставки.
Нижний информационный уровень представлен мгновенной базой данных, формируемой управляющими программами процессорных блоков. Данные для МБД поступают из модулей УСО методом циклического опроса, выполняемого множеством программ первичной и специальной обработки информации (ПОИ и СОИ) первичных данных от датчиков и формирования расчётных параметров. Цикл опроса программируется индивидуально для каждой программы Длительность цикла – 5 мс и более. Любые данные МБД доступны любой управляющей программе и серверу приложений. ПОИ и СОИ реализуются в виде virtual-IOboard и библиотечных элементов обработки данных системы ISaGRAF.
Рис 2. Внешний вид типового шкафа ПТК «Торнадо-N»
Средний информационный уровень образован оперативной базой данных ОБД дублированного сервера приложений (СП), реализуемого на дублированном компьютере с Windows-платформой. Взаимодействие СП с МБД Процессорных Блоков (ПБ), обеспечивают специальные коммуникационные процессы, функционирующие на ПБ. В ПБ отслеживаются все изменения МБД и формируют события (телеграммы) с присвоением метки времени в момент изменения состояния параметра, по индивидуальному критерию изменения (апертуре). Спорадический метод передачи данных в ПТК «Торнадо» обеспечивает максимальную актуальность и своевременность данных в системе. Кроме спорадического (по событиям) метода используется циклический метод формирования мгновенного среза всей МБД в ОБД, коммуникационные процессы в ПБ циклически отправляют всё состояние МБД, вне зависимости от изменений из ПБ в СП, что повышает их представительность. Время цикла настраивается. Дублированных (пар) СП может быть несколько в системе, что ещё повышает устойчивость ПТК. Одна из важных функций СП – интеграция в ОБД данных, получаемых через различные интерфейсы, например, OPC.
Верхний информационный уровень системы представлен АРМами и различными серверами: сервером базы данных (СБД) для хранения архивной БД, web-сервера для организации неоперативных «тонких» клиентов, вспомогательного сервера для различных системных сервисов: печати, разграничения сетей.
Рис 3. Организация АРМов операторов ПТК «Торнадо» (Энергоблок № 1 Красноярской ТЭЦ-3)
Конструктивные особенности
Оборудование полевого уровня, включая натуральные сигналы от термометров-сопротивлений и термопар, датчики с унифицированным выходом (ток или напряжение), а также дискретные сигналы и команды 24В и 220В, подключается прямо в ПТК, без промежуточных клеммников, кроссовых, промежуточных реле и других преобразователей. Это уменьшает количество шкафов на объекте, значительно увеличивает надёжность и упрощает коммутацию, а также облегчает обслуживание оборудования АСУТП. ПТК может работать с любым полевым уровнем (КИПиА), как отечественного, так и импортного производства. Это достигается применением согласующих терминальных блоков (блоков полевых интерфейсов – БПИ), содержащих преобразователи полевых сигналов и пружинные клеммы, обеспечивающие надежное подключение кабеля сечением 2,5 кв. мм. Конструктивная особенность БПИ обеспечивает замену отказавших в нём элементов без демонтажа подключённого полевого кабеля.
Специальные решения по питанию
Питание собственно оборудования ПТК и полевого уровня, подключаемого к ПТК, организовано в соответствии с 1 категорией особой группы по классификации ПУЭ. Для питания контроллерного оборудования, сети нижнего уровня и полевого оборудования, подключаемого к ПТК, в качестве третьего независимого источника питания используется, как правило, общестанционная аккумуляторная батарея. Такое решение избавляет от необходимости приобретать дорогие и сложные в обслуживании ИБП. При этом ПТК «Торнадо» отличается низким энергопотреблением.
Организована специальная разветвлённая диагностика электропитания элементов ПТК и подключаемых датчиков. Питание аналоговых датчиков осуществляется от индивидуальных ИП для каждого датчика, устанавливаемого в измерительном модуле. ИП для «сухих» контактов имеет встроенную диагностику и сигнализацию нарушений изоляции от «земли». Поиск нарушений изоляции в цепях датчиков автоматизирован. Питание датчиков сухих контактов и токовых датчиков 4-20мА производится из ПТК, что обеспечивает значительно большую надежность функционирования, избавляет от дорогих, сложных и не надежных дополнительных ИБП.
Примеры внедрений ПТК «Торнадо-N» на промышленных объектах
- РиТЭС «Углевик», Сербия. Блок 300 мВт, паровой котел 990 тонн пара в час, пр-во ЗИО «Подольск», турбина К-300-240-1 пр-во ЛМЗ, около 7 000 сигналов контроля и управления.
- Краснодарская ТЭЦ. АСУТП энергоблока ПГУ-410, около 5 000 сигналов контроля и управления.
- Красноярская ТЭЦ-3 ОАО ТГК-13. АСУТП энергоблока № 1 мощностью 220 МВт, состав энергоблока: паровая турбина Т-185/220-12,8-2 пр-во ЛМЗ, паровой котел типа ТПЕ-216, генератор Т3ФП-220-2УЗ, около 8 000 сигналов контроля и управления.
- Томская ГРЭС-2. АСУТП газового тракта котлоагрегата ТП-230-2 ст. № 4 Томской ГРЭС-2.
- Томская ПРК. АСУТП газового тракта котлоагрегата ПТВМ-180 ст. № 4 Томской ПРК.
- Канская ТЭЦ. АСУТП турбоагрегата Р-12-3,4/0,5.
Рис 4. Торжественный пуск парогазовой установки 410 МВт с АСУТП на базе ПТК «Торнадо-N» на Краснодарской ТЭЦ.
Публикации (2007-2011)
1. Сердюков О.В., Нестуля Р.В., Кулагин С.А., Скворцов А.Н., Тимошин А.И., Журавлёва Л.В., Пасеко С.М., Камочкин А.В. Опыт разработки АСУТП энергоблока ПГУ-410 Краснодарской ТЭЦ на базе программно-технического комплекса "Торнадо-N" // Теплоэнергетика, 2011, № 10. С. 20-25.
2. Сердюков О.В. Применение программно-технического комплекса "Торнадо-N" на базе Ethernet для объектов теплоэнергетики // Сборник докладов Третьей Всероссийской конференции "Реконструкция энергетики-2011". Москва, 7-8 июня 2011 г.
3. Сердюков О.В., Пасеко С.М., Камочкин А.В. Внедрение российского ПТК "Торнадо-N" на энергоблоке ПГУ-410 Краснодарской ТЭЦ // Доклад на конференции Russia Power, г. Москва, 28-30 марта 2011 г.
4. Сердюков О.В., Нестуля Р.В., Кулагин С.А., Скворцов А.Н., Тимошин А.И., Дорошкин А.А., Сорокин И.В. Современные промышленные ПТК на базе Ethernet // Информатизация и системы управления промышленности (ИСУП), 2011, № 1. С. 21-24.
5. Сердюков О.В., Нестуля Р.В., Кулагин С.А., Скворцов А.Н. Современные ПТК для теплоэнергетики и перспективы их развития // Теплоэнергетика, 2010, № 10. С. 58-61.
6. O. Serdyukov (Russia). DCS with Homogeneous Architecture based on Ethernet Network // Proceedings of the IASTED International Conferences on Automation, Control, and Information Technology (ACIT 2010). Control, Diagnostics, and Automation. June 15 – 18, 2010, Novosibirsk, Russia. P. 11-14.
7. Сердюков О.В., Дорошкин А.А. Программно-технические комплексы на базе шины Ethernet // Автоматизация и IT в энергетике, 2010, № 2. С. 38-40.
8. Сердюков О.В., Дорошкин А.А. Структурные особенности ПТК на базе единой цифровой сети // Информатизация и системы управления промышленности (ИСУП), 2010, № 1. С. 34-36.
9. Сердюков О.В., Дорошкин А.А. Магистральные Контроллеры // Материалы конференции "Горение Твёрдого Топлива", 10-13 ноября 2009 г., Институт Теплофизики СО РАН, г. Новосибирск, 2009 г.
10. Нестуля Р.В., Тараненко Л.В. "Нейрон-ТМ" – универсальная технология для автоматизации электроэнергетических объектов // Мир Автоматизации, 2009, октябрь. С. 46-48.
11. Сердюков О.В. Основы функционирования АСУТП для больших ПТК // Информационный материал по освоению, эксплуатации надежности АСУТП, реализованных на базе "основных" ПТК на ТЭС Росии. ОАО "Инженерный центр энергетики Урала", г. Екатеринбург, 2009 г.
12. Сердюков О.В. ПТК нового поколения "Торнадо-N" для создания АСУТП объектов энергетики // Материалы конференции ПТА. Автоматизация: Проекты, Системы, Средства, г. Новосибирск, 2009 г.
13. Serdyukov O.V. Prospects of "One-level" Architecture of Control Systems on the basis of Ethernet Network – DCS "Tornado-N" with "One-level" Architecture on the basis of Ethernet // Proceedings of the 1st International Workshop on Networked embedded and control sysem technologies: European and Russian R&D cooperation – NESTER 2009, Milan, Italy, 2009. P. 75-80.
14. Сердюков О.В., Тараненко Л.В. Магистральные контроллеры // Мир автоматизации, 2009, февраль-апрель. С. 34-36.
15. Сердюков О.В., Тимошин А.И., Кулагин С.А., Кузнецов В.И., Дорошкин А.А. Крупномасштабные АСУТП электростанций на основе модулей удаленного ввода/вывода с дублированным ETHERNET // Промышленные АСУ и контроллеры, раздел "Технические средства АСУТП", 2008, № 07. С. 39-40.
16. О применении модулей удаленного ввода/вывода MIRage-N с дублированным Ethernet // Автоматизация в промышленности, 2008, № 6. С. 63-64.
17. Сердюков О.В. ПТК "Торнадо": жизнь в большой энергетике // Рациональное управление предприятием – Rational Enterprise Management (REM), раздел "Автоматизация производства", 2008, № 1. С. 50-54.
18. Сердюков О.В., Кузнецов В.И., Дорошкин А.А., Тимошин А.И., Кулагин С.А. Магистральное направление развития промышленных контроллеров // Силовая интеллектуальная электроника (СИЭЛ), 2008, № 3(9). С. 15–17
19. Сердюков О.В., Кузнецов В.И., Дорошкин А.А., Тимошин А.И., Кулагин С.А. Магистральное направление развития промышленных контроллеров // Автоматизация в промышленности, 2007, № 12. С. 47-49.
20. Дорошкин А.А., Сердюков О.В., Тимошин А.И., Кулагин С.А., Фокин С.Н. Системы автоматизации будущего прирастать будут Ethernet // Информатизация и системы управления промышленности (ИСУП), 2007, № 3(15). С. 22-25.
21. Интервью с главой компании "МСТ" О.В. Сердюковым // Информатизация и системы управления промышленности (ИСУП), 2007, № 3(15). С. 45-48.
22. Сердюков О.В., Тимошин А.И., Кулагин С.А., Дорошкин А.А., Горбунов А.И., Суворов В.В. "MIRage", ставший реальностью // Промышленные АСУ и контроллеры, раздел "Технические средства АСУТП", 2007, № 07. С. 44-46.
23. Сердюков О.В. Опыт разработки и внедрения АСУТП на электростанциях России // Электрические станции, 2007, № 4. С. 15-17.
24. Фельдман В.Г., Сердюков О.В., Нестуля Р.В., Кузнецов В.И. О модернизации систем контроля и управления // Энергетик, 2007, № 4. С. 29-31.
25. Сердюков О.В., Тимошин А.И., Кулагин С.А., Дорошкин А.А., Фокин С.Н. Системы автоматизации будущего прирастать будут Ethernet // Промышленные АСУ и контроллеры, раздел "Технические средства АСУТП", 2007, № 02. С. 39-42.
