Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассказывается о разработке и реализации системы управления комплексом оборудования АГНКС на базе отечественного ПЛК FASTWEL I/O. Рассмотрены предпосылки разработки системы, основные критерии выбора оборудования, состав системы и ее архитектура, а также подробно описан процесс функционирования.

Введение

Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, или АГНКС, подразумевает под собой комплекс технологического оборудования, образующего метановую автозаправочную станцию.

Сегодня большинство АГНКС в России построено на базе устаревшего оборудования, произведенного еще в СССР или ГДР. Это связано в том числе с тем, что на рынке нового оборудования до недавнего времени лидирующее положение занимали западные производители и их представители в России. Цены на такие устройства, которые и так были немалыми, после снижения курса рубля стали и вовсе неподъемными для большинства потенциальных покупателей. На фоне этих событий все привлекательнее выглядят предложения от отечественных производителей, выпускающих оборудование на базе собственных разработок.

В конце 2014 г. перед конструкторским отделом одного из ведущих компрессоростроительных предприятий России — ОАО «Пензкомпрессормаш» — была поставлена задача разработки и внедрения в серийное производство модуля компрессорного заправочного (МКЗ) на базе поршневого компрессора собственного производства и сопутствующего оборудования для АГНКС высокой производительности. Основу разработки должны были составить современные материалы и технические средства с максимально возможным использованием продукции отечественных производителей. В соответствии с техническим заданием управлять комплексом технологического оборудования должна новая автоматизированная система (АСУ КЗ) на базе надежного программируемого логического контроллера (ПЛК) отечественного производства.

 

Назначение и функции системы

Ключевые задачи АСУ КЗ — предотвращение работы оборудования в недопустимых режимах и управление технологическим процессом на всех этапах, от получения газа из газотранспортной системы (ГТС) до его подачи к газозаправочным колонкам.

Основным функциональным элементом всего комплекса контролируемого оборудования является МКЗ на базе поршневого компрессора. Поэтому опорным документом, который определяет набор необходимых защит и блокировок, осуществляемых АСУ КЗ, служит ПБ03-582-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации компрессорных установок с поршневыми компрессорами, работающими на взрывоопасных и вредных газах». Следуя данным правилам, необходимо осуществлять контроль и защиту компрессора на всех этапах процесса компримирования (сжатия) газа по следующим параметрам:

  • давление и температура на линии всасывания компрессора;
  • давление и температура на линиях нагнетания и всасывания по ступеням сжатия;
  • давление и температура жидкости в системах охлаждения компрессорной установки;
  • давление и температура масла в системе смазки механизма движения компрессора;
  • проток жидкости на линиях выхода из системы охлаждения компрессорной установки;
  • наличие команды аварийного останова от оператора станции.

Кроме того, из-за особенностей и состава оборудования необходимо контролировать еще целый ряд показателей:

  • концентрацию взрывоопасной смеси в помещении МКЗ;
  • вибрацию основных узлов компрессорной установки;
  • уровень конденсата в системе очистки входящего газа;
  • уровень масла в системе смазки цилиндров и сальников компрессора;
  • давление и температуру газа в подводимой линии и блоке входных кранов (БВК);
  • температуру и давление газа в линии подачи газа к газозаправочным колонкам и в блоке компенсаторов давления (БКД);
  • электрические защиты основного электродвигателя компрессорной установки, электроприводов вспомогательных систем и другого электрооборудования станции;
  • сигналы от комплектных систем управления входящего в состав станции оборудования;
  • сигнал от автоматизированной системы охранно-пожарной сигнализации;
  • внешний сигнал аварии.

Все аварийные параметры разбиты на группы. Активация/деактивация защит по каждой из групп осуществляется в соответствии с основным циклом прикладной программы ПЛК.

В случае если один из контролируемых параметров выходит за допустимые пределы (для аналоговых характеристик) или возникает событие, вызывающее аварийный дискретный сигнал, АСУ КЗ переводит контролируемое оборудование в безопасное состояние. Например, производит останов электродвигателя главной или вспомогательных систем, открытие байпасного клапана, клапана аварийной разгрузки и группы продувочных клапанов. Аварийный останов станции сопровождается звуковой и световой сигнализацией, и оператору выводится информация о первопричине остановки.

Как уже было указано, защита оборудования, входящего в состав АГНКС, это только часть функционального назначения системы. Вторую часть составляет управление всем комплексом задач станции, результатом которого является заправка автотранспортных средств сжатым природным газом. К таким задачам относятся:

  • управление клапанами БВК;
  • управление клапанами основной газовой и байпасной линии МКЗ;
  • управление клапанами системы продувки (сброса конденсата);
  • управление клапанами блока газораспределительного, осуществляющего подачу газа на БКД и газозаправочные колонки;
  • управление основным электродвигателем;
  • управление электродвигателями вспомогательных систем: масло­насоса, вентиляторов системы охлаждения, вытяжного вентилятора;
  • контроль данных коммерческого учета по полученному из ГТС и отпущенному потребителю газу.

 

Архитектура системы

Архитектура реализованной АСУ комплексом оборудования АГНКС показана на рис. 1.

Архитектура реализованной АСУ комплексом оборудования АГНКС

Рис. 1. Архитектура реализованной АСУ комплексом оборудования АГНКС

Было решено разделить ПЛК и средства человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), т. е. не использовать панельные контроллеры. Это позволило повысить надежность системы управления благодаря отсутствию внешних линий связи между управляющим ПЛК и системой ввода/вывода: связь осуществляется по внутренней шине данных. В качестве основного средства ЧМИ используется сенсорная цветная ЖК-панель оператора. Подключать панель к ПЛК было решено по последовательному цифровому интерфейсу RS-232. Связь с контролируемым оборудованием и исполнительными механизмами, ПЛК и системой ввода/вывода осуществляется посредством устройств связи с объектом (УСО). В роли УСО выступают барьеры искрозащиты, нормирующие преобразователи (для аналоговых входов) и электромагнитные реле (для дискретных выходов).

Для управления мощными потребителями применяется пускорегулирующая аппаратура, представленная в основном электромагнитными контакторами. Ниже по иерархии расположены выделенные системы управления комплектным оборудованием сторонних производителей, связь с которыми обеспечивается посредством дискретных входных (контроль) и выходных (управление) сигналов. На полевой уровень системы помещены первичные преобразователи контролируемых параметров (датчики давления, температуры, вибрации, загазованности и т. д.), а также исполнительные механизмы — основной электродвигатель, насосы, клапаны, комплектное оборудование сторонних производителей. Кроме того, было необходимо реализовать связь с распределенной системой управления (РСУ) объекта по интерфейсу Ethernet с использованием протокола Modbus TCP. Все оборудование системы управления — ПЛК, система ввода/вывода, ЧМИ, УСО, система электропитания цепей управления и силовых цепей исполнительных устройств (в том числе пускорегулирующая аппаратура) и т. д. — должно было располагаться в одном шкафу напольного размещения с максимальными габаритами 2000×800×800 мм (В×Ш×Г).

 

Используемые технические и программные средства

Чтобы реализовать данное техническое решение в рамках ограниченного пространства одного шкафа, требовалось использовать компактный ПЛК, способный работать в достаточно жестких условиях (высокие температуры окружающей среды и уровень электромагнитных помех). Применяемое оборудование должно было обладать хорошим соотношением цена/качество, а ПЛК — быть отечественного производства. С учетом сформулированных критериев была выбрана продукция компании «ФАСТВЕЛ ГРУПП» — линейка FASTWEL I/O для ответственных применений.

В соответствии с разработанной архитектурой было подобрано необходимое оборудование:

  • ПЛК узла сети Ethernet CPM713-01 — 1 шт.;
  • четырехканальные модули аналогового ввода сигналов постоянного тока 4–20 мА AIM723-02 — 10 шт.;
  • 8-канальные модули дискретного ввода 24 В DIM717-01 — 9 шт.;
  • 8-канальные модули дискретного вывода 24 В/0,5A DIM719-01 — 5 шт.;
  • интерфейсный модуль сопряжения FBUS–RS-232C для связи с ЧМИ NIM742-01 — 1 шт.;
  • системные модули:
    • модуль подключения источника питания 24 В/6,3 А OM75201 — 2 шт.;
    • модуль ввода питания +5 В/2 A
      внутренней шины FBUS OM75401 — 1 шт.;
    • заглушка шины FBUS, оконечный модуль OM75001 — 1 шт.

Собранный модуль ПЛК и система ввода/вывода показаны на рис. 2.

Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Рис. 2. Собранный модуль ПЛК и система ввода/вывода в ходе монтажа шкафа

Если с подбором ПЛК отечественного производства проблем не возникло, то поиск достойного решения для реализации ЧМИ российского производства ни к чему не привел. В итоге выбор был сделан в пользу сенсорной цветной ЖК-панели оператора MT6100i компании Weintek с диагональю 10″, резистивным сенсорным экраном и поддержкой аппаратных средств расширения через такие интерфейсы, как универсальный и последовательный USB, а также SD.

Одним из преимуществ этого оборудования является то, что программное обеспечение (ПО) разработки для ПЛК и ЧМИ бесплатное. Для программирования контроллера FASTWEL CPM713 использовалась среда CoDeSys 2.3.9.46, позволяющая реализовать сложные алгоритмы управления контроллером. Прикладная программа ПЛК была полностью написана на языке ST с применением модульного подхода, т. е. большинство задач было вынесено в отдельные функции. Программа включает главный модуль и более 40 функций различной сложности. В общей сложности код программы составляет около 1500 строк. Загрузка прикладной программы в контроллер осуществляется по Ethernet из среды программирования CoDeSys. А для программирования панели MT6100i использовалось ПО EasyBuilder8000 V4.65.18.

 

 Блок-схема алгоритма работы АСУ комплексом оборудования АГНКС

Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы АСУ комплексом оборудования АГНКС

Процесс функционирования системы

Блок-схема процесса функционирования системы представлена на рис. 3.

В начале каждого цикла программы происходит обработка данных с датчиков — приведение данных от аналоговых датчиков 4–20 мА (датчики давления, температуры через нормирующие преобразователи, концентрации взрыво­опасной смеси, расхода газа по входу и т. д.) к диапазону шкалы. Затем обрабатываются нажатия кнопок управления и команды оператора, поступившие с сенсорной панели. Впоследствии все эти данные используются в программе.

Система может работать в одном из двух режимов.

  1. В ручном режиме оператор берет на себя полное управление системой. Это требуется для проверки узлов и оборудования. К примеру, можно отдельно запустить маслонасос, вентилятор вентиляции, насосы и вентиляторы системы охлаждения, обогреватели помещения компрессорной, проверить клапаны и т. д. Аварийные защиты в этом режиме отключены.
  2. Автоматический режим — основной режим работы. Система функционирует в соответствии с основным циклом программы ПЛК, при этом производится контроль и анализ показаний с дискретных и аналоговых датчиков станции, на основании которых система управляет исполнительными механизмами. Аварийные защиты в этом режиме активны.

Сведения от датчиков станции можно посмотреть в любой момент в каком угодно режиме работы. В соответствии с правилами разграничения доступа панель оператора дает возможность перейти в ручной режим только мастеру системы (полный уровень доступа), в то время как другим группам пользователей — оператору (основной уровень доступа, позволяющий выполнять все необходимые действия) и администратору (уровень доступа инженера) — эта опция будет недоступна.

Автоматический режим разбивается на шаги, и переход с одного из них на последующий возможен лишь при выполнении определенных условий. Например, переход на шаг 1 может произойти только при нажатии кнопки «Пуск программы», при этом активизируются проверка на аварии и пусковые ограничения первой группы. Пусковые ограничения не позволяют продвинуться на следующий шаг до тех пор, пока давление газа на входе в станцию не достигнет рабочего значения, показатели давления в маслосистеме и в системе охлаждения не придут в рабочее состояние и т. д. В то же время, если переход на следующий шаг сильно затянулся (к примеру, давление в маслосистеме долго не может выйти на заданный уровень), контроллер выдаст соответствующую ошибку и остановит процесс запуска.

Конечно, алгоритм, представленный на рис. 3, сильно упрощен: в нем не раскрыты преобразования и фильтрации данных с датчиков, обработки кнопок, дребезга контактов, случайных нажатий, пусковых и аварийных проверок, действий при аварии, действий на шагах и многое другое — все это слишком объемная тема. Блок-схема иллюстрирует лишь общий подход.

Стартовый экран системы представлен на рис. 4.

Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Рис. 4. Стартовый экран системы

На рис. 5 показан основной экран системы — «Экран управления» — во время реальной работы станции.

Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Рис. 5. Основной экран на панели MT6100i

На рис. 6 представлен экран «Сервис». Этот раздел меню позволяет проводить сервисные манипуляции, такие как управление системой обогрева, вентиляции, продувки азотом, тестирование ламп и сигнализации, учет моточасов, а также просматривать журналы и изменять дополнительные параметры системы (таймеры и константы).

Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Рис. 6. Экран «Сервис»

На рис. 7 показан экран «Продувка азотом». Алгоритм применяется для продувки трубопроводов и межступенчатой аппаратуры инертным газом (азотом), что необходимо после длительного простоя или ремонта оборудования.

Автоматизированная система управления комплексом оборудования АГНКС

Рис. 7. Экран «Продувка азотом»

Следует отметить, что применяемая связка ПЛК и панели оператора позволяет реализовать сложные и громоздкие алгоритмы. При этом система функционирует быстро и стабильно. Разработка прикладного ПО ПЛК и панели оператора — процесс понятный и простой, платформа хорошо документирована и не требует длительного обучения, хоть и не лишена своих нюансов. В основном они связаны с типами данных и обменом информацией с периферийными устройствами. Доработка программы для ПЛК и панели оператора проводилась под оборудование заказчика на объекте в малые сроки, успешно соблюсти которые удалось как раз благодаря понятным и простым в освоении средствам разработки.

 

Заключение

Проект АГНКС на базе отечественного оборудования, отвечающего современным требованиям по техническим параметрам (прежде всего производительности компрессорной установки, показанной на рис. 8), надежности и уровню автоматизации, является на данный момент уникальным для России. Реализованных в «железе» и внедренных на реальных объектах аналогов сейчас не существует, а имеющиеся представляют собой, по сути, импортное оборудование или результат отверточной сборки на его базе. Оборудование же советского производства, выпущенное в 1970–80-х гг. и до сих пор эксплуатирующееся на ряде объектов, на данный момент безнадежно устарело. Особенно это касается систем управления, сравнивать которые с рассматриваемой АСУ КЗ просто не имеет смысла.

Компрессорная станция, входящая в состав АГНКС

Рис. 8. Компрессорная станция, входящая в состав АГНКС

Благодаря использованию современных средств ЧМИ, прежде всего сенсорной ЖК-панели оператора с достаточной диагональю, система управления имеет интуитивно понятный интерфейс пользователя, позволяющий легко освоить и затем осуществлять процесс управления всем комплексом сложного технологического оборудования, входящего в состав АГНКС. Эксплуатирующий персонал отмечает удобство реализованного интерфейса, высокую доступность основной информации о ходе технологического процесса, а также простоту определения причин возникновения нештатных ситуаций. В ходе заводских испытаний, пусконаладочных работ и эксплуатации (два года на момент написания статьи) не было зафиксировано отказов системы управления или сбоев в работе, приведших к необходимости остановки технологического процесса. Решение показало себя как надежное, пригодное для использования в системах управления сложным технологическим оборудованием для ответственных применений. В связи с этим предполагается внедрение рассматриваемой системы в серийное производство в составе комплекса технологического оборудования АГНКС.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *