Промышленный контроллер АРКС400: технические характеристики, преимущества и сценарии внедрения

«Консист Констракшн» — инжиниринговая компания с многолетним опытом в сфере автоматизации технологических процессов, которая специализируется на внедрении и продвижении АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами) для гражданских и промышленных объектов.

Ключевые направления деятельности — комплексное проектирование систем управления; технологический консалтинг; разработка документации для поставки АСУ ТП; сборка шкафов управления на собственном производстве в Санкт-Петербурге; техническая, гарантийная и сервисная поддержка оборудования на протяжении всего жизненного цикла; обучение персонала — как собственных специалистов, так и сотрудников заказчика и конечных пользователей.

Компания обладает уникальным опытом внедрения российских и зарубежных систем АСУ ТП.

В рамках стратегии развития «Консист Констракшн» запустила новое направление — продвижение и внедрение российских промышленных контроллеров АРКС производства компании «НВТ‑Системы». Это решение позволяет предложить заказчикам полностью отечественный продукт для автоматизации, соответствующий самым строгим требованиям промышленной безопасности и надежности.

Промышленный контроллер АРКС400 (рис. 1) представляет собой современное устройство с поддержкой операционных систем Linux и Windows, выполненное на основе безкрейтовой архитектуры: каждый процессорный модуль и модуль ввода/вывода автономен и связан быстродействующим цифровым интерфейсом.

Рис. 1. Промышленные контроллеры АРКС400.P410

Контроллеры имеют все необходимые сертификаты и разрешения:

• включены в реестр российской промышленной продукции Минпромторга в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 719 от 17.07.2015;
• ПО внесено в реестр отечественного ПО Минцифры (запись № 7313);
• сертификат соответствия уровню полноты безопасности SIL3 по МЭК 61508;
• класс помехоустойчивости 3 А.

Контроллер поддерживает работу с несколькими вариантами программного обеспечения:

• фирменное ПО «АРКС» — полнофункциональная система для создания распределенных систем управления (DCS), позволяет подключать до 10 000 сигналов на контроллер при невысокой сложности логики;
• MASTER PLC — популярная российская среда программирования с высокой степенью совместимости со стандартом МЭК 61131–3, один контроллер поддерживает до 1000 сигналов.

Процессорный модуль АРКС400.P410, выпущенный в 2020 году, оснащен двухъядерным процессором Cortex A9 с тактовой частотой 0,8–1 ГГц. Время выполнения цикла основных задач — 100 мс, для задач высокого приоритета — 10 мс. Для реализации критически важных сигналов контроллер АРКС400.P410 имеет 32 встроенных дискретных входа и 32 встроенных дискретных выхода.

Для обработки дискретных и импульсных сигналов в контроллер установлен отдельный процессор STM32F4 с частотой 180 МГц, что позволяет одновременно реализовать 8 каналов частотного ввода, соответствующих требованиям к электронной части системы регулирования паровых турбин.

Характеристики памяти устройства представлены в таблице.

АРКС400.P410 обладает исключительными коммуникационными характеристиками:

• 2 интерфейса Ethernet 100 Мбит/с, встроенные непосредственно в процессор;
• 5 независимых каналов RS-485 с индивидуальной гальванической развязкой и скоростью до 5 Мбит/с;
• консольный порт USB Type C;
• USB OTG на разъеме microUSB.

На испытаниях контроллер без сбоев выдержал подачу помех 4-й степени жесткости с критерием качества функционирования А, хотя по техническим условиям гарантируется только 3-я степень. Это позволяет применять контроллеры в помещениях без информационного заземления (достаточно защитного с сопротивлением 4 Ом) и устанавливать их в общих шкафах с силовым коммутационным оборудованием.

В стандартном исполнении диапазон рабочей температуры составляет +5…+60 °C без принудительной вентиляции. В специальном исполнении с покрытием печатных плат лаком устройство функционирует в пределах –40…+60 °C, что позволяет устанавливать оборудование в неотапливаемых помещениях и непосредственно вблизи технологического оборудования.

Контроллеры АРКС400 поддерживают резервирование всех компонентов:

• процессорных модулей;
• модулей УСО;
• каналов связи.

Реализована схема активного горячего резервирования, при которой основной и резервный контроллеры находятся в постоянной параллельной работе, обмениваются данными и синхронизируются. Для различных типов сигналов может применяться частичное, полное или комбинированное резервирование. В наиболее полном варианте система соответствует требованиям стандарта МЭК 61508 (SIL3).

Модули ввода/вывода АРКС400 имеют составную конструкцию, которая обеспечивает исключительное удобство эксплуатации:

• клеммная плата монтируется на DIN-рейку и к ней подключаются все внешние проводники;
• электронный блок вставляется в клеммную плату;
• микросхема памяти на клеммной плате хранит все параметры модуля.

Такая конструкция обеспечивает горячую замену: при замене электронного блока не требуется переключения кабелей, а все настройки автоматически загружаются из памяти клеммной платы.

Модули аналогового ввода/вывода выпускаются в двух модификациях (рис. 2):

AIO.1 — для унифицированных сигналов:

• до 16 каналов ввода (0–20 мА, 4–20 мА, 0–5 мА, 0–10 В);
• до 2 каналов вывода;
• индивидуальная гальваническая развязка (16×1);
• время преобразования всех каналов 20 мс;
• погрешность ввода ±0,1%.

AIO.2 — для термопар и термосопротивлений:

• до 32 каналов ввода (термопары, термосопротивления, милливольтовые сигналы);
• до 2 каналов вывода;
• групповая гальваническая развязка по 2 канала (16×2);
• поддержка всех типов термопар и термосопротивлений по ГОСТ 6651–2009, ГОСТ Р 8.625–2006;
• подключение по 2-, 3- или 4-проводной схеме;
• время преобразования 60–650 мс в зависимости от степени фильтрации помех;
• погрешность ввода ±0,1% для мВ, ТП, R, ТС.

Рис. 2. Модули аналогового ввода/вывода АРКС400.AIO.1.16/2 и АРКС400.AIO.2.32/2

Модули дискретного ввода/вывода выпускаются в двух исполнениях:

• 64 — до 64 каналов;
• 32 — до 32 каналов (рис. 3).

Рис. 3. Модуль дискретного ввода/вывода АРКС400.DIO.64

Уникальная особенность: каналы разбиты на группы по восемь, каждая группа может быть программно настроена на ввод или вывод. Это обеспечивает исключительную гибкость применения.

Процессор модуля (32-разрядное ядро, 72–108 МГц) позволяет измерять количество импульсов с частотой до 100 Гц по каждому каналу и выводить широтно-импульсные сигналы.

Для подключения дискретных сигналов различных уровней напряжения используются клеммные модули.

Рис. 4. Модули клеммные АРКС400.KDO.8R и АРКС400.KDI.8DC24

Клеммные модули — преобразователи дискретных сигналов обеспечивают ряд уникальных преимуществ (рис. 4):

• встроенная поддержка резервирования (два разъема для подключения к паре контроллеров);
• подавление импульсных помех и дребезга контактов;
• защита от перенапряжения;
• индивидуальная гальваническая развязка до 1 500 В между соседними выходами, до 2500 В между входами и выходами;
• светодиодная индикация состояния каждого канала.

Среда разработки

Фирменное программное обеспечение «АРКС», которое развивается с 1991 г., — это полнофункциональная DCS-система, основанная на технологии цифровых двойников. Каждый объект автоматизации представляется в виде цифрового двойника — программной модели, описывающей его состояния, свойства и алгоритмы работы. Это обеспечивает:

• гарантированную детерминированность процесса управления;
• невозможность попадания системы в непредусмотренное состояние;
• простоту полноценной верификации программ;
• единообразие операций контроля и управления объектами всех уровней.

Система использует собственный непроцедурный язык, который объединяет все программные средства в единое пространство понятий и действий. Для сложных алгоритмов поддерживаются языки ST (структурированный текст) и FBD (функциональные блоковые диаграммы).

Для тех, кто предпочитает стандарт МЭК 61131–3, контроллеры АРКС400 полностью поддерживают работу с MASTER PLC от компании IEK DIGITAL. Это решение обеспечивает:

• высокую степень совместимости с МЭК 61131–3;
• поддержку языков ST, FBD, LD, IL, SFC;
• векторную графику с поддержкой SVG;
• веб-интерфейс для визуализации;
• поддержку большинства промышленных протоколов.

Единая среда разработки MASTER PLC позволяет программировать контроллеры, разрабатывать экраны визуализации и имеет встроенный эмулятор для отладки.

АРКС400 — это на 100% российская разработка:

• доля импортных комплектующих не более 13%;
• производство на собственной линии в Москве;
• срок производства при отсутствии на складе — до 4 месяцев.

Примеры внедрения

Рассмотрим примеры внедрения, приведенные в [1].

Энергетика: Красноярская ГРЭС-2

Модернизация энергоблока № 8 мощностью 160 МВт служит примером эффективного использования возможностей распределенных систем. Первоначально бюджет предусматривал только замену приборов на щите управления, однако за счет применения АРКС400 была выполнена полная модернизация (рис. 5):

• АСУ ТП обрабатывает более 54 000 тегов,
• внедрение всех современных информационных функций,
• реконструкция щита управления,
• реализация технологических защит на микропроцессорной технике.

Рис. 5. Структурная схема АСУ ТП энергоблока № 8

Ключевое решение: установка интеллектуальных соединительных коробок с модулями ввода/вывода на расстоянии 1 м от турбины, непосредственно на обратной стороне стендов датчиков. Это позволило:

• сохранить существующие датчики температуры и кабельные связи;
• минимизировать строительно-монтажные работы;
• реализовать технологические защиты на распределенной структуре;
• выполнить проект в рамках первоначального бюджета.

Нефтехимия: азотная станция

Проект азотной станции нефтехимического завода демонстрирует возможности импортозамещения. Первоначально проект был выполнен на оборудовании зарубежного производителя, но после его ухода с российского рынка система была оперативно переведена на АРКС400 (рис. 6).

Параметры системы:

• система охватывает более 20 технологических установок и обрабатывает 129 000 тегов;
• наличие быстрых контуров противопомпажной защиты и регулирования (ППЗиР) компрессоров;
• объект разделен на группы (ВРУ, компрессоры, системы хранения), каждая управляется резервированной парой контроллеров АРКС400. Все компоненты объединены дублированной сетью Ethernet;
• интеграция с системами других производителей (Simatic S7–1500 по Modbus TCP);
• передача данных в заводскую АСУ ТП на базе SUPCON.

Рис. 6. Структурная схема АСУ ТП азотной станции нефтехимического завода

Проект подтверждает не только возможность замещения зарубежного оборудования, но и способность АРКС400 работать в составе гетерогенных систем.

АСУ ТП химводоочистки: ТЭЦ-21 Мосэнерго

На крупнейшей ТЭЦ России мощностью 1500 МВт внедрена система управления водоподготовкой полного цикла. Характеристики объекта:

• 62 аппарата различного назначения;
• химически опасное производство (кислоты и щелочи);
• расстояния между объектами до нескольких сотен метров.

Особенности реализации:

• распределенная структура с выносом модулей УСО к технологическому оборудованию;
• интеллектуальные соединительные коробки непосредственно на стендах датчиков;
• экономия кабеля более чем в 3 раза;
• реализация противоаварийных защит на распределенной системе;
• модернизация без остановки производства.

Система успешно эксплуатируется уже много лет, обеспечивая бесперебойное водоснабжение энергоблоков и теплоснабжение районов с населением более двух миллионов человек.

***

Контроллеры АРКС400 представляют собой зрелое отечественное решение, способное эффективно заменить импортные системы управления на объектах любого уровня сложности. Распределенная архитектура позволяет сократить длину кабельных трасс в 3–5 раз и существенно снижает объем монтажных работ. Это решение обеспечивает заметную экономическую эффективность уже на этапе строительства. Мощные процессорные ядра и оптимизированные протоколы обмена с временем опроса менее 5 мс позволяют реализовывать критически важные алгоритмы ПАЗ уровня безопасности SIL3. Гибкость платформы проявляется в поддержке как собственного ПО DCS, так и стандартной среды MASTER PLC, а также в способности интегрироваться в гетерогенные системы совместно с оборудованием других производителей. Полный цикл производства в России, минимальная доля импортных комплектующих и успешный опыт замещения ведущих мировых брендов подтверждают готовность АРКС400 решать стратегически важные задачи в условиях импортных ограничений.