Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы автоматизации технологических процессов транспортировки газа и конденсата в режиме реального времени 15
1.1 Особенности эксплуатации и автоматизации «больших систем» типа газотранспортных предприятий 15
1.2 Интеграция многоуровневых, информационно-управляющих систем в Отраслевую систему оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) ЕС газоснабжения России 23
1.3 Технико-эксплуатационные требования, предъявляемые к системам сбора, обработки и управления технологическими процессами в режиме реального времени (SCADA-системам) 31
Глава 2. Базовое программно-техническое обеспечение SCADA-системы «Сургут-QNX», используемое для реализации системы управления ЦДП и компрессорными станциями газотранспортного предприятия 43
2.1 Техническое обеспечение SCADA-системы и особенности выбора аппаратных средств при использовании ОС QNX 43
2.2 Программное-ядро и структура базы данных SCADA-системы «Сургут-QNX» 49
2.3 Типовые программные решения для создания проектов АСУ ТП ГТП 55
2.4 Организация миниварианта SCADA-системы «Сургут-QNX» и тестовые испытания 69
CLASS Глава 3. Создание единой интегрированной информационно-управляющей системы газотранспортного предприятия: организационная структура и взаимодействие подсистем CLASS 80
3.1 Реализация функций оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) и моделирования технологических процессов транспорта газа 80
3.2 Интегрированная автоматизированная система ПХД как локальная вычислительная сеть SCADA-системы «Сургут-QNX» 84
3.3 Структура информационных связей системы ОДУ в рамках интегрированной ИУС 92
3.4 Сопряжение СОДУ предприятия с моделью магистрального газопровода S1MONE в режиме реального времени 96
3.5 Организация взаимодействия с ЦПДУ ОАО «Газпром» и ЦДП соседних ГТП 98
3.6 Взаимодействие с удаленными АСУ ТП компрессорными станциями и цехами и оптимизация технических решений по организации информационного обмена между уровнями управления 101
Глава 4. Реализация систем управления компрессорными станциями (СУ КС) и цехами с помощью SCADA-системы «Сургут-QNX» 105
4.1 Функции и структура типовой СУ КС 105
4.2 Интерфейсы связи между цеховым (станционным) и агрегатным уровнями 108
4.3 Структура информационных связей и взаимодействие СУ КС с АСУ ТП удаленных цехов, с ЦДП и ДП смежными КС 116
4;4 Требования к каналам связи между цеховым и агрегатным уровнями по каналам связи с протоколом Modbus 119
4.5 Оценка временных параметров СУ КС и возможные методы их улучшения 122
Глава 5. Обеспечение природоохранной деятельности в зонах транспортировки газа с помощью промышленного экологического мониторинга 129
5.1 Основные задачи автоматизированной подсистемы сбора и обработки природоохранной информации (АПСОПИ) 129
5.2 Математическое, информационное и программное обеспечение АРМ «Эколога» на уровне управления КС 132
5.3 Техническое обеспечение и конструктивное исполнение системы контроля выбросов загрязняющих веществ на ГПА 142
Заключение 152
Список сокращений 154
Список литературы
- Особенности эксплуатации и автоматизации «больших систем» типа газотранспортных предприятий
- Технико-эксплуатационные требования, предъявляемые к системам сбора, обработки и управления технологическими процессами в режиме реального времени (SCADA-системам)
- Техническое обеспечение SCADA-системы и особенности выбора аппаратных средств при использовании ОС QNX
- Реализация функций оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) и моделирования технологических процессов транспорта газа
Введение к работе
Научная проблема.
Целью деятельности любого предприятия является получение максимально возможной прибыли путем эффективного управления и развития производственной и экономической деятельности. Повышение эффективности производства и, как следствие, дальнейшее усиление позиций предприятия в своем секторе рынка определяется в первую очередь эффективностью существующей системы управления. Скоординированное взаимодействие между всеми подразделениями, оперативная обработка и анализ получаемых данных, долговременное планирование и прогнозирование состояния рынка — вот далеко не полный перечень задач, которые позволяет решить внедрение современной автоматизированной системы управления.
Исторически процесс информатизации проникал на производство одновременно с двух сторон — «сверху» и «снизу». «Сверху» (в офисах) создавались информационные структуры, отвечающие за работу предприятий в целом. Это автоматизация бухгалтерского учета, управление финансами и материально-техническим снабжением, организация документооборота и др. Этот уровень называется планированием ресурсов предприятия (ERP, enterprise resource planning).
«Снизу» (в цехах) информация от различных датчиков прежде всего использовалась для непосредственного управления производственным процессом с помощью различных устройств согласования с объектом (УСО), контроллеров и промышленных компьютеров. Поток информации от датчиков поступал на вход систем SCADA (Supervisory Control and Data Acaulsiton диспетчерской контроль и сбор данных). На этом уровне осуществляется оперативное управление технологическим процессом, принимаются тактические решения, прежде всего направленные на поддержание стабильности процесса.
Очевидно, что первичная информация из цехов должна «добираться» до верхнего уровня, уровня принятия стратегических решений, поскольку оперативная информация в нужное время и в нужном месте способствует принятию объективно-правильного решения.
Однако, на практике реализовать интеграцию систем управления ТП и систем управления производственно-хозяйственной деятельностью (ПХД) бывает достаточно сложно.
Во-первых, системы ПХД развивались независимо от АСУ ТП и каналы обмена между этими системами достаточно слабые и отношение к реальному времени в АСУ ТП и АСУ ПХД принципиально различное.
Во-вторых, в случае использования на всех участках технологического процесса однородных подсистем объединить данные АСУ ТП достаточно просто
на основе уже выбранного инструментального средства. Однако, исторически на большинстве предприятий сосуществуют разнообразные подсистемы, которые в большинстве случаев функционируют независимо друг от друга, решая свой класс задач. Это весьма осложняет задачу интеграции технологических данных.
Таким образом, проблема интеграции различных систем автоматизации предприятия выходит на первый план и сложились все объективные условия для ее решения. Созданные сегодня единые сетевые протоколы, международные стандарты открытых систем и информационные технологии обмена создали необходимые предпосылки создания единой информационной управляющей системы предприятий.
Данной проблеме посвящена настоящая диссертационная работа, направленная на разработку комплексной методики создания и внедрения корпоративных интегрированных информационно-управляющих систем (ИУС) для крупных предприятий газовой отрасли на базе современных информационных технологий, программно-технических средств и систем связи.
Актуальность. За последние годы в ОАО «Газпром» выполнен ряд работ по совершенствованию управления обществом путем автоматизации и информатизации управления отдельных бизнес-процессов, создания для этого необходимой технической, программной, методологической и технической платформ.
В настоящее время практически во всех структурных подразделениях Администрации ОАО «Газпром» и на всех основных предприятиях отрасли внедрены комплексы средств автоматизации, однако, они обеспечивают только часть информационных потребностей компании. Достигнутый уровень автоматизации не позволяет в полном объеме автоматизировать функции управления отраслью как единым технологическим комплексом.
На крупных предприятиях отрасли созданы вычислительные системы, обеспечивающие автоматизацию управления как производственно-хозяйственной и финансовой деятельностью, так и управление технологическими объектами Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ . К таким предприятиям относятся «Уренгойгазпром», «Севергазпром», «Тюментрансгаз», «Мострансгаз» и т.д.
Однако автоматизация на этих предприятиях, как правило, направлена на решение проблем отдельных структур предприятия и автоматизацию лишь некоторых фрагментов производства, его отдельных процессов, а не на исследование всего производственного цикла и организацию комплексной системы управления, обеспечивающей интеграцию разрозненных компонентов в единый производственный организм.
Анализ результатов обследования существующих на данных предприятиях прикладных систем показывает, что созданные приложения не могут
взаимодействовать между собой даже при наличии технических и телекоммуникационных средств. Нет в эксплуатации «сквозных» задач, которые устанавливают единый регламент (дисциплину) сбора и обработки информации на всех уровнях предприятия. Поскольку существующие информационные системы практически не связаны между собой, то многие данные в них дублируются. Информация, хранящаяся в БД одного подразделения переносится в БД другого.
Кроме того, имеющиеся средства автоматизации и передачи данных, как правило, обеспечивают информационное взаимодействие на уровне предприятия, а не на отраслевом уровне, т.е. затруднен обмен с Администрацией ОАО «Газпром» и смежных предприятий друг с другом. Разработка ИУС ведется часто с использованием разнообразных технических и программных средств, собственных БД, локальных систем классификации и кодирования и ориентирована на информационное обеспечение пользователей конкретных подразделений без увязки принятых проектных решений с интересами отрасли в целом.
Недостаточно проработаны научно-методические вопросы использования методов имитационного моделирования для прогнозирования и стратегического планирования на основе оперативных технологических данных.
Кроме того, в составе ИУС территориальных комплексов по добыче и транспортировке газа фактически отсутствуют экологические задачи.
Исследования, проведенные в данной работе направлены на создание ИУС, осуществляющих не только контроль за технологическими процессами, но и производственно-хозяйственной и финансово-экономической деятельностью предприятия, системой планирования и оптимизации производственных процессов, и являются актуальными.
Для выполнения поставленной задачи решаются вопросы проектирования и разработки ИУС, выбор средств автоматизации и обеспечение совместимости компонентов на информационном, программном и физическом уровне с учетом связей и особенностей всех компонентов оборудования, входящиго в систему.
Объектом исследования является газотранспортное предприятие (ГТП) ООО «Сургутгазпром».
000 «Сургутгазпром» является многофункциональным производственным объединением и включает в себя объекты транспорта и переработки газа и газового конденсата.
К основным технологическим объектам относятся компрессорные станции, цеха и газоперекачивающие агрегаты, осуществляющие транспортировку газа посредством повышения его давления.
Объекты управления основного производства ГТП эксплуатируются в сложных климатических условиях, рассредоточены на значительной территории и представляют собой сложный комплекс технологических процессов транспорта газа и конденсата. Таким образом, газотранспортное предприятие как объект управления относится к классу больших систем.
До создания и внедрения ИУС система управления технологическими процессами и производственно-хозяйственной деятельностью Сургутгазпрома основывалась на информации, полученной из различных не интегрированных, географически разнесенных и реализованных порой в различных средах информационных систем.
Анализ организационной структуры предприятия показал, что управление объектами транспорта газа должно осуществляться на трех иерархических уровнях.
Первый (нижний) уровень управления объектами основного производства реализуется диспетчерскими службами компрессорных цехов, обеспечивающими непосредственное управление технологическими процессами транспорта газа и конденсата.
Основными службами двух верхних уровней управления являются диспетчерская служба линейного производственного управления МГ (КС) и центральный диспетчерский пункт (ЦДП) газотранспортного предприятия, которые являются органами оперативного управления производства, осуществляющими выполнение плановых заданий по транспорту и реализации газа с соблюдением заданных технологических режимов всех технологических объектов.
Предметом исследования являются специализированные пакеты типа SCADA, обеспечивающие сбор, обработку, хранение и визуализацию данных в режиме реального времени (РВ), для организации рабочих мест эксплуатационного персонала.
Понятие РВ означает гарантированное время отклика системы на входной сигнал (воздействие). Причем, временные параметры режима РВ на каждом уровне управления различны, они регламентируются технологическими требованиями.
Кроме того, создание корпоративной ИУС предполагает исследования в области:
поддержки заданных интерфейсов и коммуникационных протоколов и использования стандартных интерфейсов и аппаратных модулей ПЛК на базе открытых международных стандартов;
построения распределенных систем ПЛК, подключенных к промышленным сетям открытыми коммуникационными протоколами семейства Fieldbus (Modbus, Profibus и др.);
использования специализированных средств планирования ресурсов
предприятия и оптимизации режимов транспорта газа и т.д.
Методы исследования. Проведенные исследования выполнены с
использованием методов системного анализа, математического моделирования
информационных потоков, моделирования объектов управления и
вычислительной математики.
Целью работы является повышение эффективности процесса управления типовым газотранспортным предприятием на основе разработки и внедрения единой интегрированной информационно-управляющей системы, которая повысит надежность, безопасность и эффективность эксплуатации технологического оборудования и позволит эффективно использовать кадровый, технический и промышленный потенциал предприятия.
Работа проводится в рамках программы по созданию отраслевой интегрированной информационно-управляющей системы ОАО «Газпром», Это является принципиальным положением, которое определяет структуру и стратегию создаваемой ИУС и предъявляемые к ней требования.
В 1996 г. ООО «Сургутгазпром» и НИИ измерительних систем была разработана и утверждена Комплексная целевая программа создания и внедрения ИАСУ ТП, которая регламентирует вопросы проектирования системы, выбор средств автоматизации и обеспечение совместимости компонентов на информационном, программном и физическом уровне.
Для реализации работ по интеграции в ОИИУС в 1997 г. специалистами 000 «Сургутгазпром» была разработана Концепция развития АСУ 000 «Сургутгазпром».
Диссертационная работа представлена в виде теоретического обобщения решения проблемы, имеющей научное и практическое значение.
Научная новизна исследования заключается в разработке интегрированной модели ИУС крупного промышленного предприятия, методики оптимизации структуры сложных корпоративных ИУС и определении совокупности внедряемых программно-технических решений для ее базовой инфраструктуры, интеграции независимых подсистем и тиражирования типовых решений.
Практическая ценность настоящего исследования заключается в следующем:
Разработан базовый комплекс программно-технических средств для создания проектов автоматизации крупных предприятий топливно-энергетичнекого комплекса, ориентированный на большой объем технологических параметров и адаптированный к специфике отрасли;
Выработан единый подход к выбору технических характеристик оборудования, позволяющий установить связи между конкретными объектами производства и элементами ИУС и оценить техническую совместимость различных компонент (к примеру, изготовленных различными производителями) и иерархических уровней ИУС на этапе проектирования системы;
Разработан унифицированный комплекс типовых программных и технических решений и рекомендаций на базе СУ газотранспортного предприятия, готовых для внедрения или тиражирования в любых структурных подразделениях компании.
Реализация и внедрение результатов работы.
По направлению АСУ ТП в 2001 году был внедрен в опытную эксплуатацию 1 этап многоуровневой АСУ ТП реального времени в объеме:
Центральный диспетчерский пункт предприятия и 7 систем управления компрессорными станциями (КС-1; КС-2; КС-3; КС-5; КС-6; КС-7; КС-9);
Система управления газораспределительной станции (СУ ГРС) Сургутского линейного производственного управления, включая системы линейной телемеханики на продукто- и конденсато про воде;
15 систем автоматического управления и регулирования (САУиР) фирмы ССС (ГКС-5 шт; КС-1 - 3 шт; КС-4 - 3 шт; КС-8 -2 шт; КС-11 -2 шт.)
САУиР электроприводных агрегатов с устройством мягкого пуска на КС-11;
На продуктопроводе Сургутского ЛПУ внедрена система обнаружения утечек;
В Центральном офисе предприятия внедрен программный комплекс "SIMONE" для расчёта установившихся состояний и моделирования динамических процессов при транспортировке и распределении газа в трубопроводных системах и осуществлена его интеграция с АСУ ТП.
По направлению АСУ ПХД в 2001 году велось развитие системы на базе SAP R/3, в частности:
поддержки промышленной эксплуатации интегрированной системы в части ведения договоров, финансового и бухгалтерского контроллинга;
перехода на новый план счетов (произведен впервые в России);
создания справочника материалов и АСУ материально-технического снабжения;
работ по внедрению системы управления персоналом.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании НТС ОАО «Газпром» (Москва), экспертных советов по автоматизации ОАО «Газпром» 2000г. (Сургут), 2001г. (Сочи), НТС НИИ измерительных систем им. Ю.Е.Седакова, заседании кафедры ИАНИ ННГУ им.Лобачевского, конференции молодых ученых «Математика и кибернетика 2002», международной специализированной
выставке-конференции военных и двойных технологий «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления 2002» (Нижний Новгород).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей, 6 научно-технических отчетов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 62 наименований, изложена на 160 листах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 18 таблиц.
Краткое содержание работы.
В первой главе описана структура типового российского газотранспортного предприятия на примере ООО «Сургутгазпром», которое может быть взято за основу для разработки комплекса типовых программно-технических решений при создании ИУС.
Проведен анализ основных видов деятельности предприятия и типовых бизнес-процессов, определяемых ролью газотранспортного предприятия в составе ОАО «Газпром», дана характеристика особенностей эксплуатации и автоматизации предприятия в рамках научно-технической программы по созданию «Отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления Единой системы газоснабжения РФ».
Определены состав и структура подсистем и уровней управления, входящих в ИУС: АСУ ТП и АСУ ПХД, сформулированы функциональные и технические требования к подсистемам, показана взаимосвязь уровней при достижении поставленной цели. Данные требования являются достаточно общими и могут быть использованы при проектировании ИУС предприятий отрасли.
Выполнение вышеперечисленных общесистемных и технических требований должно осуществляться в первую очередь за счет правильного выбора инструментальных средств для создания системы. Поэтому в работе проведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных разработок на соответствие данным требованиям и осуществлен выбор инструментального средства - SCADA-системы «Сургут-QNX» для реализации вышеперечисленных информационных и управляющих функций.
Вторая глава включает в себя выбор программно-аппаратной платформы, на базе которой будет осуществляться проектирование и разработка типового проекта для АСУ ТП газотранспортного предприятия ОАО «Газпром» и его тиражирование на различные технологические объекты и уровни управления, входящие в состав предприятия.
Для осуществления выбора аппаратной платформы использовались аналитические обзоры международных компаний, специализирующихся на исследованиях в области компьютерного рынка, а также принимался во внимание
опыт автоматизации лидерных предприятий ОАО «Газпром» и фирм-интеграторов.
При выборе аппаратных средств учитывалось использование в качестве программной платформы узкоспециализированной ОС РВ QNX, которая накладывает определенные ограничения на используемую технику.
В качестве базовой платформы SCADA-системы «Cypryr-QNX» были выбраны серверы и рабочие станции фирмы «Dell», которые удовлетворяют требованиям ОСОДУ к техническому обеспечению.
Далее во второй главе представлены основные возможности программного обеспечения «Сургут-QNX», база данных (БД), основные модули и типовые программные решения, которые включают в себя:
Базовую систему визуализации с системой адаптируемого меню и окном для вывода мнемосхем;
Библиотеку основных графических элементов и набор базовых мнемосхем и таблиц;
Базовую систему архивирования и протоколирования;
Базу данных типовых расчетных задач, реализующую модули решения основных технологических расчетов;
Программное обеспечение системы горячего резервирования.
Состав унифицированных решений охватывает все уровни управления -агрегатный, цеховой, станционный, предприятия.
Работа по созданию ТПР унифицирует требования к информационным потокам, программному обеспечению, результатам расчетов, форматам сообщений, погрешности измерения, аппаратным интерфейсам, структуре программно-технических средств и системам отображения информации.
Такой подход обеспечит создание, внедрение и эксплуатацию АСУ ТП ООО «Сургутгазпром» с минимальными затратами времени и финансовых ресурсов.
В третьей главе представлена общая концепция создания единой интегрированной информационно-управляющей системы сбора, обработки и управления технологической и экономической информации газотранспортного предприятия, ее функциональная и организационная структура.
Представлена информационная модель предприятия, в соответствии с которой осуществляется реализация функций оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) и моделирования технологических процессов транспорта газа и организационно-экономического управления предприятием, а также распределение функций и взаимодействие этих подсистем на основе единого информационного пространства. Только такой подход позволит поддерживать интегрированную модель промышленного предприятия и на основе этой модели
строить управление в соответствии с главным критерием - рентабельностью производства.
В данной главе представлены технические решения по организации физических, программных и информационных интерфейсов системы ОДУ уровня предприятия с АСУ ПХД, системой моделирования МГ Sim one и с внешними системами в рамках интеграции в Отраслевую систему ОДУ(а именно с ЦПДУ ОАО «Газпром», ЦЦП смежных предприятий) в режиме реального времени.
Кроме того, в данной главе уделено внимание вопросам организации информационного обмена между уровнями управления и его оптимизации. Исходя из предполагаемой конфигурации аппаратных и программных средств, объема передаваемых данных и требованиям по времени доставки сигналов, произведена оценка пропускной способности каналов.
Одним из основных требований к ИУС ГТП является обеспечение ее функционирования в режиме реального времени, поэтому оптимизация технических решений по организации информационного обмена между уровнями управления является первоочередной задачей.
Представленная в данной главе интегрированная модель АСУ предприятия является достаточно универсальной и ее можно использовать при автоматизации структурных подразделений ОАО «Газпром».
Четвертая глава посвящена построению технической и организационной основы АСУ ТП ГТП - автоматизации компрессорных станций, которые являются основной производственной единицей ГТП. В общей структуре предприятия КС является нижним уровнем оперативно-диспетчерского управления, который охватывает все уровни сбора информации от датчиков и исполнительных механизмов до систем обработки и хранения. Глава содержит различные варианты построения СУ типовой КС и их сравнительный анализ.
Особенностью реализации данной СУ КС является совмещение функций ДП станции с ДП одного из Щ на одних ПТС. Целесообразность совмещения функций управления обусловлена:
* экономией производственных площадей, и денежных средств, необходимых
для закупки и эксплуатации дополнительного оборудования;
достаточностью аппаратных и программных ресурсов используемого в СУ
КС оборудования для реализации функций управления КЦ.
Несмотря на распределенную структуру построения систем управления, СУ КС представляет собой целостную структуру, объединенную с помощью коммуникационных интерфейсов с открытым протоколом и единым или стыкующимся между собой программным обеспечением.
Учитывая многообразие средств и систем автоматизации, внедренных в ООО «Сургутгазпром» на различных уровнях управления, в данной главе
отработаны варианты стыковки ПТС различных производителей в рамках СУ КС. Определены требования к каналам связи между цеховым и агрегатным уровнем. Проведена доработка схемы СУ КС (КЦ) для уменьшения времени задержки информации в каналах связи с цеховым и агрегатным уровнем.
Для совершенствования структурной схемы СУ КС представлены несколько способов, представляющих собой реализацию специальных алгоритмов обработки и передачи информации, уменьшение информационных потоков за счет правильного выбора периодичности опроса параметров, введение интегральных параметров и т.д.
В пятой главе представлена автоматизированная подсистема сбора и обработки природоохранной информации (АПСОПИ), создаваемая в рамках программы «Создания и внедрения системы производственно-экологического мониторинга объектов РАО «Газпром». АПСОПИ интегрирована в АСУ ТП компрессорной станции и предусматривает решение природоохранных задач как производств предприятия, так и социальной сферы, связанной с ним.
В результате анализа производств КС, а также требований органов Госкомприроды в АПСОПИ реализован необходимый объем задач, связанных непосредственно с контролем природоохранных показателей. АПСОПИ производит фактический учет выбросов и сбросов вредных веществ, их сравнительную оценку с нормативными значениями и выдачу рекомендаций по выбору оптимальных режимов работы технологического оборудования, что позволяет осуществлять текущий количественный контроль, ситуационный анализ экологической обстановки в зоне действия системы.
Система может быть использована на различных объектах отрасли.
Количество контрольных пунктов замера выбросов вредных веществ от
газоперекачивающих агрегатов или других объектов определяется
возможностями контрольного прибора, территориальным размещением объектов
и линиями доставки пробы. Общие перечни экологических показателей
атмосферы, воды и почвы, контролируемых в соответствии с нормативными
документам Госкомприроды, уточняются региональными органами в
соответствии с особенностями реальных условий.
Реализация производственного экологического контроля ввиду большого объема работ и требуемых финансовых затрат проводится поэтапно с учетом последующего наращивания и развития подсистемы, интегрирования вновь вводимых элементов с ранее реализованными, а также интегрирования АПСОПИ с АСУ предприятия в целом. В соответствии с этой концепцией в объеме первой очереди реализации АПСОПИ разработана и внедрена подсистема контроля, использующая уже имеющиеся на КС технические средства
и установленные организационные взаимоотношения с природоохранными органами.
Таким образом, в данной диссертационной работе была решена научная задача в области автоматизации предприятий газовой отрасли, имеющая важное, актуальное значение. Она заключается в создании совокупности организационных, технико-экономических и математических методов и решений для создания и внедрения сложных корпоративных информационно-управляющих систем и оптимизации их структуры.
Автор благодарит научного руководителя, к.т.н., доцента Костюкова Валентина Ефимовича, к.т.н. Иванова Игоря Алексеевича и к.т.н. Лотову Оксану Викторовну за помощь в проведении настоящей работы.
Особенности эксплуатации и автоматизации «больших систем» типа газотранспортных предприятий
Современная система газоснабжения представляет собой сложный многофункциональный комплекс с объектами различного производственно-хозяйственного назначения. В процессе продвижения газа от производства к потребителям участвуют предприятия с различной технологией и разнородными функциями.
Основной производственной единицей в газовой промышленности является газотранспортное предприятие (ГТП), которое включает в себя компрессорные станции, линейную участь, систему газораспределительных станций (ГРС), запорную арматуру и обладает рядом специфических особенностей:
Значительной территориальной распределенностью технологических объектов;
Сложностью производственно-технологического комплекса, широким спектром технологических объектов, различных по составу, типам оборудования, количеству параметров, алгоритмам управления, выполняемым функциям (основное и вспомогательное ТО);
Жесткими условиями эксплуатации оборудования в связи с суровыми природно-климатическими условиями, характеризующимися резко континентальным климатом;
Непрерывным (круглосуточным) режимом работы. 000 «Сургутгазпром» является многофункциональным производственным объединением и включает в себя объекты добычи, транспорта и переработки газа и газового конденсата. В зону эксплуатации 000 «Сургутгазпром» входят магистральные газопроводы: Уренгой-Сургут-Челябинск; СРТООмск; Магистральные конденсатопроводы Уренгой-Сур гут. Предприятие "Сургутгазпром" эксплуатирует систему магистральных трубопроводов общей протяженностью 6106,16 км. Газопровод Уренгой-Челябинск 1 и 2 нитки - 3 368,15 км. Газопровод Нижневартовский ГЗП - Сургутская ГРЭС -151 км. Газопровод СРТО-Омск - 626,8 км. Газопровод подключения Вынгапуровского месторождения - 63,2км. Газопровод внешнего транспорта Комсомольского газового промысла -43,7 км. Конденсатопровод Уренгой-Сургут ] и 2 нитки -J 203,1 км. О П роду кто провод ШФЛУ и стабильного конденсата 115,32 км.
В настоящее время ООО "Сургутгазпром" эксплуатирует: 3 газовых месторождения (Вынгапуровское, Комсомольское, Западно- Таркосалинское); 17 компрессорных станций; газопроводы протяженностью 6 000 км.; конденсатопровод-865 км.; Продуктопровод -115 км.; 38 газораспределительных станций; завод стабилизации . деэтанизированного конденсата и комплекс моторных топлив, выпускающий в год 4100 тыс.т продукции; 2 автогазонаполнительные компрессорные станции.
Основными видами деятельности Предприятия "Сургутгазпром" являются: разработка газовых, газоконденсатних месторождений, строительство скважин, газопроводов и других объектов производственного и социально-бытового назначения; добыча, промысловая подготовка, транспортировка газа и газового конденсата, переработка газа, газового конденсата и нефти; производство дизельного топлива, бензина, керосина, сжиженных, сжатых газов, ШФЛУ, стабильного конденсата, газа стабилизации, кислорода, азота, водорода, технического воздуха, пропана, бутана; охрана окружающей природной среды при осуществление всех видов деятельности; ремонт собственными силами основного и вспомогательного оборудования. Годовой объем добычи газа на собственных месторождениях ООО «Сургутгазпром» составляет более 36 млрд. м. Транспорт газа за год составляет 74 млрд. м.
ООО "Сургутгазпром" занимает одно из ведущих мест в Единой системе газоснабжения России, снабжает газом, сырьем и продукцией переработки углеводородов районы Западной Сибири, юга Тюменской области и Урала.
Основными потребителями газа и углеводородной продукции в Тюменской области являются Сургутская ГРЭС, Тобольский НХК, Тобольская ТЭЦ, Тюменская ТЭЦ, жилищно-коммунальные хозяйства.
Действующая система магистральных газопроводов ООО «Сургутгазпром» построена в 1977 - 80 гг., поэтому к настоящему времени исчерпан значительный амортизационный срок основного оборудования, участвующего в транспортировке газа.
Системы автоматики агрегатного и цехового уровня, в основном, имеют значительный физический износ и морально устарели. Численность автоматизируемых технологических объектов: Компрессорная станция 15 Дожимная компрессорная станция 2 Головная компрессорная станция 1 Компрессорный цех 33 Газовый промысел 3 ЗСК . 1.
По прогнозам, для обеспечения транспорта газа требуемых объемов по уровню 2010г., планами реконструкции предусматривается прирост мощностей: КС-1 - Строительство КЦ-3 с агрегатами ГПУ-16С (6 шт.) - 96 МВт; Реконструкция КЦ-1 на 1997 г.- замена ГТК-Ю-4(8шт.) на ДГ-90(6шт.) -16 МВт; КС-7 - идет реконструкция с 1996 г. - замена ГТК-10-4(8шт.) на ДГ-90(6шт.) -16.МВт; КС-8 - идет реконструкция - заменены "Коберра-182"(5шт.) на ДГ-90(5шт.) -20 МВт; КС-11 - идет реконструкция - заменены "Коберра-182"(5шт.) на ДГ-90(5шт.) -20 МВт.
Технико-эксплуатационные требования, предъявляемые к системам сбора, обработки и управления технологическими процессами в режиме реального времени (SCADA-системам)
Все компоненты системы ИУС ГТП должны отвечать следующим современным требованиям: адекватность информационной модели предприятия; актуальность, полнота и целостность информации; масштабируемость; открытость; надежность защиты и хранения информации; совместимость с эксплуатируемыми системами; соответствие международным и национальным стандартам в области информатизации.
Общесистемные требования к АСУ ТП определяют в соответствии с общими требованиями к корпоративным ИУС, следующее: распределение функций между уровнями управления; обеспечение информационного взаимодействия между уровнями; поддержку заданных интерфейсов и коммуникационных протоколов; использование стандартных интерфейсов и аппаратных модулей ПЛК на базе открытых международных стандартов;
построение распределенных систем ПЛК, подключенных к промышленным сетям открытыми коммуникационными протоколами семейства Fietdbus (Modbus, Profibus и др.);
применение базовых программных средств реального времени (операционных систем (ОС), инструментальных средств по стандартам Международной организации по стандартизации и Международного электротехнического комитета);
использование специализированных пакетов типа SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition), обеспечивающих сбор, обработка, хранение и визуализацию данных в режиме реального времени, для организации рабочих мест эксплуатационного персонала.
Поскольку современная технология создания многоуровневых АСУ ТП предполагает использование на всех уровнях управления промышленных аппаратно-программных средств реального времени (РВ), то выполнение вышеперечисленных общесистемных и технических требований должно осуществляться в первую очередь за счет правильного выбора базовой программно-технической платформы, а именно, SCADA-системы.
SCADA - это специализированное программное обеспечение, предназначенное для организации интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникации с внешним миром в режиме реального времени. Система работает в режиме реального времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания технологических процессов на объектах контроля и управления. Т.е. система успевает произвести обработку собранных данных в соответствии с заданными алгоритмами и отреагировать (выдать предупреждение оператору или управляющее воздействие на нижний уровень).
Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. При таком многообразии естественно возникает вопрос о выборе, который представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальности, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации.
Есть общепринятый набор функций, выполнение которых должна обеспечивать современная SCADA-система:
Сбор, обработка, хранение и передача информации;
Представление текущей информации и истории ведения процесса в виде таблиц, динамических мнемосхем, графиков и диаграмм;
Создание архивов аварий, событий и поведения переменных процесса во времени (тренды), полное или выборочное сохранение параметров процесса через заданные промежутки времени;
Протоколирование процесса, генерация отчетов; Встроенные языки программирования; Поддержка сетей, стандартных протоколов связи, возможность построения иерархических распределенных систем; Резервирование процесса контроля и управления.
SCADA-системы реализуют перечисленные выше функции на высоком техническом уровне, вполне удовлетворяющем пользователей. В связи с этим ниже рассмотрены требования, которым должны удовлетворять SCADA-системы и которым уделяется наибольшее внимание при сравнении этих систем друг с другом: 1. быстродействие; 2. надежность функционирования; 3. открытость системы для ее интеграции с другими системами; 4. комплексный подход к автоматизации; 5. открытость для освоения и адаптации; 6. приемлемая стоимость.
1). Требования надежности и быстродействия реализуются в SCADA-системах в значительной степени средствами операционной системы (ОС).
Задачи реального времени, как правило, связаны с контролем и управлением реальными технологическими процессами. Эти задачи накладывают такие требования на аппаратное и программное обеспечение, как высокая степень надежности систем, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д. Формулировка данных требований изложена в стандарте POSIX1003.4 рабочего комитета IEEE. Стандарт определяет ОС как систему реального времени, если она обеспечивает требуемый уровень сервиса за гарантированное время.
Основными требованиями к системам реального времени являются следующие: Многозадачность; Хорошо развитый механизм синхронизации процессов и межзадачного обмена.
В настоящий момент существует широкий спектр ОС, обеспечивающих все потребности задач реального времени. Выбор системы диктуется в первую очередь тем обстоятельством, удовлетворяет ли она условиям поставленной задачи.
Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» реального времени. Системой «жесткого» реального времени называют систему, где неспособность обеспечить реакцию в заданное время является отказом и ведет к аварии в технологическом процессе. Количественные характеристики систем «жесткого» РВ весьма условны и субъективны, называют минимальное время реакции порядка 100 мс.
Справедливо считается, что ОС реального времени, такие как QNX, OS-9000, VRTX и др. разработаны специально для применения в промышленных системах «жесткого» реального времени.
Операционная система QNX (разработка фирмы QSSL, Канада) как система реального времени для IBM PC является одной из наиболее широко используемых при построении систем управления и сбора данных, прежде всего за счет того, что она гарантирует время реакции в пределах от нескольких десятков микросекунд до нескольких миллисекунд Кроме того, высокая эффективность ОС в задачах управления и сбора данных в реальном времени обеспечивается такими свойствами, как наличие 32-разрядного ядра, многозадачность, встроенные в ядро системы сетевые возможности, гибкое управление прерываниями и приоритетами. Примерами SCADA-систем, базирующиеся на ОС QNX, являются: семейство RESY фирмы REPAS, RealFlex фирмы BJ Software, «Сириус-QNX» фирмы Реалтайм.
Техническое обеспечение SCADA-системы и особенности выбора аппаратных средств при использовании ОС QNX
Рассмотрим основные критерии, по которым осуществлялся выбор вычислительной техники: 1. Надежность (исполнение аппаратных средств, резервирование, RAID, и др.); 2. Унификация (тип процессора, шина, внешние устройства); 3. Открытость аппаратной платформы (повышение производительности за счет модернизации имеющихся аппаратных средств); 4. Показатель «цена / производительность»; 5. Удобство и безопасность работы.
Кроме того, при выборе аппаратных средств учитывается использование в качестве программной платформы узкоспециализированной ОСРВ «QNX», которая накладывает некоторые ограничения на используемую технику (при эксплуатации новейших технических средств, была выявлена проблема несовместимости имеющихся драйверов для ОС QNX).
Поэтому при выборе аппаратных средств или их модернизации следует обращать внимание на наличие драйверов для операционной системы QNX.
Для осуществления выбора аппаратной платформы использовались аналитические обзоры международных компаний, специализирующихся на исследованиях в области компьютерного рынка, а также принимался во внимание опыт автоматизации лидерных предприятий ОАО «Газпром» и фирм-интеграторов.
В качестве базовой платформы SCADA-системы «Сургут-QNX» были выбраны серверы и рабочие станции фирмы «Dell», как наиболее полно удовлетворяющие вышеперечисленным критериям,
В качестве примера положительных отзывов о ПК фирмы Dell можно привести аналитический обзор IDC (международная фирма, занимающаяся исследованиями и консалтингом в области компьютерных технологий, http.//www.idc.com:8080/Hardware/press/PR/PS/PS07 OOlpr.stm), в соответствии с которым в первом квартале 2000 года компания DELL Computer обогнала лидера рынка Compaq и стала крупнейшим в мире производителем ПК. Смена лидера произошла впервые за последние семь лет.
На американском рынке Dell уже второй год находится на первом месте, все больше отрываясь от конкурентов. Во втором квартале во всем мире было продано 30,1 млн. ПК, что на 14,5% больше аналогичного показателя прошлого года. Эти сведения приведены в очередном отчете IDC.
По данным аналитической фирмы Gartner, доля мирового рынка ПК DELL достигла 12,8% и впервые превзошла соответствующий показатель Compaq, у которой 12,1% мирового рынка ПК. Став крупнейшим производителем ПК, DELL также восстановила репутацию самого быстрорастущего производителя. Объемы поставок ее десктопов, ноутбуков и серверов на платформе Intel во всем мире выросли на 34,3%, а в США - на 30,7. Почти все прочие производители сократили объем производства ( http://zdnet.ru/news.asp?ID=2437 ).
Квартальный опрос, проведенный Technology Business Research среди 535 ІТ-менеджеров с апреля по июль, показал, что Dell пользуется наибольшей симпатией покупателей на рынках настольных ПК, ноутбуков и Intel-серверов.
В категории настольных ПК Dell набрала 86,96 очков из 100, Compaq -83,02, HP - 81,41, IBM - 80,55. В категории ноутбуков ее балл составил 83,33. Далее следуют IBM - 80,14, Compaq - 78,86, Toshiba - 77,48. По серверам Dell ведет с 86,83 баллами, за ней следуют HP - 81,67 и IBM - 81,08 (http://www.cnews.ru/news/comp/2001/08/13/2001081344020.shtml).
В качестве серверов БД РВ предлагается к использованию модель PowerEdge 1300, в котором используются новейшие технологии при минимальной цене. PowerEdge 1300 поддерживает до двух процессоров Intel Pentium II, работающих с тактовой частотой 350, 400 или 450 МГц, на системной шине 100 МГц или Pentium III с частотой 450 ил 500 МГц Контроллер Ultra-2 LVD SCSI (скорость передачи данных 80 Мбайт/с). Доступ внутрь корпуса без помощи инструментов упрощает управление и техническое обслуживание.
Средства удаленного администрирования Dell Remote Assistant Card (DRAC II) позволяют без специального ПО производить конфигурацию, установку ПО на удаленном узле.
В качестве АРМов в SCADA-системе «Сургут QNX» предлагается к использованию рабочая станция Dell OptiPlex. Эффективный по стоимости комплект из процессора Pentium II и микропроцессорного набора 440ВХ сбалансирован по цене и производительности, обладает гибкостью и включает в себя: 1. графический видеоконтроллер 2D/3D AGP начального уровня; 2. встроенный звуковой адаптер; 3. встроенные стандартные компоненты, гарантирующие стабильную работу системы, и расширенные сетевые средства управления сетью.
Все вышеописанные серверные платформы и рабочие станции «Dell» удовлетворяют требованиям ОСОДУ к техническому обеспечению. Архитектура всех серверов «Dell» позволяет существенно повысить производительность и увеличить функциональность системы в дальнейшей эксплуатации.
Реализация функций оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) и моделирования технологических процессов транспорта газа
Центральный диспетчерский пункт предприятия является верхним уровнем оперативно-диспетчерского управления ГТП.
Основными функциями, выполняемыми SCADA-системой уровня ЦДП являются; контроль состояния технологического оборудования КЦ и КС, линейной части, ГРС в реальном времени: баланс газа по предприятию; оптимизация и контроль режима газопровода; подготовка данных для взаимодействия с ЦПДУ, смежными предприятиями и с ДП КС, выполнение этого взаимодействия; оперативное оповещение ЦПДУ ОАО "Газпром" информацией об авариях, несчастных случаях, нештатных ситуациях на предприятии; управление объектами линейной .части магистральных газопроводов МГ через систему линейной телемеханики (ЛТМ); дистанционное управление оборудованием; контроль и локализация аварийных и нештатных ситуаций; контроль за качеством газа.
Пользователями системы на данном уровне управления является персонал центральной диспетчерской службы, главный диспетчер и руководство предприятия. На данном уровне на основе планов, подписанных договоров, технико-экономического анализа производственных показателей и с учетом директивных заданий, поступающих из ЦПДУ ОАО «Газпром», рассчитываются и передаются в каждое производственное подразделение текущие плановые задачи по объемам товарной продукции, осуществляется оперативный контроль за их выполнением, а в случае возникновения отклонений принимаются оперативные решения и вырабатываются команды по нормализации технологического режима работы предприятия.
Структурная схема ЦДП ГТП, изображенная на рис. 3.1, разработана в соответствии с концепцией построения отраслевой интегрированной информационно-управляющей системы (ОИИУС) и отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения России (ОАО «Газпром»).
Данная схема (рис.3.1.) реализуется в виде оперативно-диспетчерской ЛВС, включающей в себя: 1 сервер с базой данных реального времени (А7) и 1 сервер «горячего» резерва базы данных А10; АРМы визуализации и управления процессом в количестве 3-х шт.( А13, А17, А20); 2 АРМа системного инженера (А6, А9) к АРМ А6 подключен принтер; АРМ эколога (А18); Учебно-тренировочный АРМ (А21); Файл-сервер (А12) с CDWriter; Сервер печати (А15) с подключенным принтером; Сервер реляционной базы данных (А16); АРМ главного диспетчера с принтером (А11); FTP сервер (А19); Шлюз связи QNX и Windows NT (А8); Сетевое оборудование (HUB А1 - А5); Средства связи (маршрутизатор со встроенными модемами А14).
Сервер базы данных реального времени А7 осуществляет хранение, обновление данных и их обработку. Сервер «горячего» резерва А10 обеспечивает работу системы при отказе основного сервера А7.
АРМы диспетчера А17 и операторов А13, А20 предназначены для обеспечения диспетчеров информацией о процессе и выдачи команд управления. Все АРМы ориентированы на круглосуточный режим работы с непосредственным контактом с человеком. АРМы системных инженеров А6 и А9 предназначены для: Слежения за исправностью оборудования АСУ ТП, линий связи и т.п.; Администрирования системы, включая базы данных и архивы; Защиты от несанкционированного доступа к системе; Переконфигурирования системы, разработки или коррекции видеограмм, изменения информационных потоков и т.п. АРМ эколога А18 используется для представления информации от подсистемы экологического мониторинга.
Учебно-тренировочный АРМ работает как информационная система, запрещающая выдачу команд. Симулятор процесса проверяет реакцию обучаемых и дает оценку их действий. Он предназначен для обучения диспетчеров и операторов;.
Файл-сервер А12 предназначен для хранения архивов ЦДП и файлов, необходимых всем или нескольким узлам сети. Такими файлами могут служить, например, видеограммы.
Сервер печати А15 предназначен для управления высокопроизводительным сетевым принтером, необходимым для вывода отчетов и других печатных материалов.
Наличие сервера реляционной базы данных А16 и, соответственно, самой реляционной базы данных обусловлено необходимостью хранения значительного объема данных, предназначенных для использования в АСУ П (SAP R/3) и системе моделирования газопровода.
АРМ главного диспетчера А11 включен в сегмент сети, работающий под ОС Windows NT, оснащен лазерным принтером для создания твердых копий технологической, графической информации, а так же отчетов и др. документов. АРМ главного диспетчера не имеет функции управления и предназначен только для наблюдения за технологическим процессом.
Шлюз связи А8 соединяет различные сегменты ЛВС ГТП. FTP сервер А19 предназначен для файлового обмена с внешними системами (ЦПДУ ОАО «Газпром» и ЦДП смежных предприятий). ЛВС ЦДП включает 3 различных сегмента:
1. Резервированный сегмент (HUB A3, А4), предназначенный для организации внутренних связей между серверами и АРМ ПТС ЦДП в среде ОС QNX. Этот сегмент максимально изолирован от корпоративной ЛВС ГТП для обеспечения «живучести» и защиты от несанкционированного доступа.
2. Резервированный сегмент (HUB А1, А2) используется для организации связи с КС через маршрутизатор доступа к РСПД, а также для организации резервных каналов через маршрутизатор со встроенными модемами по выделенным телефонным линиям. Данный сегмент должен быть подключен к корпоративной ЛВС ГТП через коммутатор.
3. Нерезервированный сегмент (HUB А5) использует ОС Windows NT. Этот сегмент связан с сегментом 1 через шлюз (А8), включает в себя узлы с реляционной базой данных, АРМ главного диспетчера и FTP сервером и предназначен для организации связи с внешними системами (ПТК «Симоне», АСУ П, ЦПДУ и т.п.). АРМ главного диспетчера вынесен в данный сегмент сети для обеспечения возможности легкого доступа главного диспетчера, как к информации реального времени, так и к информации, циркулирующей в корпоративной ЛВС ГТП.
Похожие диссертации на Разработка и внедрение интегрированной автоматизированной системы управления технологическими процессами газотранспортного предприятия
