Каталогизация схем контуров управления и идентификаторов с помощью таблиц

Компания FrontierElDoradoRefining постоянно обновляет свою инфраструктуру автоматизации для увеличения производительности и выполнения требований по охране окружающей среды. В подобных проектах возникают задачи, при выполнении которых приходится иметь дело с сотнями сигнальных кабелей, программными индикаторами и функциями управления, свойственными современным системам DCS (distributed control system – распределенная система управления). В целях увеличения скорости и точности обработки схем контуров управления системы DCS, фирма Frontier разработала дружественный потребителю интерфейс, основанный на приложении Excel фирмы Microsoft, приложение расчетных таблиц, которое служит инструментом для начального проектирования, документирования и каталогизации устройств системы DCS. Это удачное решение для отслеживания идентификаторов устройств и создания чертежа схемы управления включает в себя электронные таблицы, которые можно применить для оценки и каталогизации идентификаторов устройств, моделирования монтажа элементов оборудования и выполнения чертежей соединительных коробок и модулей ввода/вывода контура управления.

Нефтеперерабатывающий завод ElDorado фирмы Frontier в штате Канзас является самым крупным в штате предприятием этого рода. Он занимает площадь свыше 400 гектаров, а сейчас на этом современном комплексе работает свыше 400 сотрудников фирмы Frontier и свыше 100 других работников.

На НПЗ ElDorado выполняется ряд сложных технологических операций, в том числе дистилляция, сероочистка, каталитический крекинг (FCC), алкилирование, замедленное коксование, каталитический риформинг, изомеризация и извлечение серы. В день производится 60 000 баррелей бензина, 40 000 баррелей горючего иных фракций, 900 тонн нефтяного кокса, а также 175 тонн чистой серы.

Нефтепереработка на предприятии началась в 1917 году. Сегодня производительность НПЗ достигает 110 000 баррелей ежедневно. Подобно другим нефтеперерабатывающим предприятиям, Frontier сталкивается с возрастающей мировой конкуренцией, которая понуждает к постоянному совершенствованию технологии автоматизации процесса. На протяжении многих лет предприятие ElDorado провело много изменений в системе управления, перейдя от пневматической системы управления и одноконтурных панельных приборов к современной системе DCS.

В 2007 году фирма Frontier преобразовала управление модулем переработки нефти, перейдя от системыTDC2000 basic к Honeywell Process Managers (HPMs). На НПЗ были использованы инновационные технологии быстрой переработки, устаревшая система управления была заменена новой, более быстрой системой DCS, с сохранением прежнего операторского интерфейса локальной сети управления (LCN – local control network).

В настоящий момент НПЗ управляется системой DCS с семью сетями LCN из двух отдельных диспетчерских. Архитектура автоматизации всего предприятия включает в себя 147 узлов сети LCN, 35 избыточных HPM и 172 контроллеров TDC2000 basic, все это включено в систему Uniformance PHD (база данных истории событий). В настоящее время НПЗ работает, совмещая выполнение требований по защите окружающей среды и наращивая свою производительность. Honeywell Experion является неотъемлемой частью плана. Несмотря на то что все, о чем будет говориться далее, основано на конкретном опыте модернизации, все эти решения можно применить к любым аналогичным преобразованиям платформы.

Описание ситуации

Для инженеров КИПиА (контрольно—измерительных приборов и автоматики) схемы контуров представляют интерес с точки зрения стратегии автоматизации и подключения кабельных соединений в рамках общей архитектуры системы управления. Эти схемы принципиально значимы для установки оборудования на этапе строительства с нуля и для устранения неполадок и обслуживания после запуска процесса. Схемы контуров могут быть как простыми – схема «один ввод – один вывод», так и сложными, сочетающими соединение нескольких вводов и выводов.

Например, схема контура контроля давления может включать в себя реле давления и проводное соединение между реле и входным модулем. Типичный контур управления включал бы в себя датчик и проводное соединение с входным модулем системы DCS, а также проводное соединение между клапаном и модулем вывода.

Современные сигналы ввода/вывода системы DCS могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (on/off). Они отображаются и обрабатываются в системе управления благодаря программной конфигурации. Полевые приборы распределены на всех рабочих модулях процесса, а сигналы от них передаются по проводам к системе DCS. Для увеличения эффективности между стойкой системы DCS и распределительными щитками, размещенными в модулях рабочего процесса, смонтированы многопарные кабели, к которым, в свою очередь, подключены полевые устройства.

В диспетчерской кабель приходит на стойку, где разводится для подключения к модулям ввода/вывода, которые замыкают электрический шлейф, тем самым передавая полевые сигналы к системе DCS. Имена программных идентификаторов присваиваются каналам ввода/вывода в соответствии с подключением к полевым устройствам.

Инженерные проблемы

В прошлом задача разработки схем контуров управления была относительно несложной. Все соединения выполнялись с помощью кабеля, а чертежи соответствовали нормам ISA. Однако с приходом технологии DCS в конце 70-х годов прошлого века перед инженерами, которые занимались системами управления, возникла задача программного конфигурирования миллиардов соединений. Возникли вопросы, как должна выглядеть схема контура управления, как в ней должно быть отражено программное обеспечение и что делать с оборудованием.

Функциональность программного обеспечения трудно представить заранее. Во многих случаях ведомственные стандарты, касающиеся документации и формата, определены недостаточно четко. Ситуация еще больше усложняется, когда в работе участвует несколько различных исполнителей проектных и строительных работ.

В большинстве проектов автоматизации предприятия от исполнителей и поставщиков требуется предоставить схему контура управления как часть их пакетного предложения. Однако схемы контура управления появляются в проекте на поздней стадии и не всегда доступны во время работ, связанных с настройкой. Помимо этого, идентификаторы часто предоставляются на множестве разных схем, из—за чего за ними трудно уследить. Нередко при множестве схем случаются повторы, либо наоборот пропуски идентификаторов устройств.

В проекте системы DCS присутствуют тысячи различных данных, которые нужно отслеживать и координировать. К примеру, номера идентификаторов, номера пар проводов, номера каналов модуля ввода/вывода, номера схем ? все эти данные определенным образом связаны друг с другом. Эти связанные между собой данные можно рассматривать с разных точек зрения (например, номер идентификатора, номер пары проводов либо модуля ввода/вывода) и в таком порядке прослеживается их смысл. Однако все связанные между собой данные выглядят совершенно случайными, когда порядок нарушен. Так множество данных, упорядоченное по номеру идентификатора, выглядит случайным относительно нумерации пар проводов или нумерации модуля ввода/вывода, тогда как сами данные, отсортированные относительно нумерации пар проводов, обессмысливаются относительно нумерации идентификатора или модуля ввода/вывода.

База данных книги Excel позволяет вводить в произвольном порядке большой объем данных, а затем сортировать или фильтровать их логически.

Способ установки

Метод установки полевых устройств в фирме Frontier основывается на принципе „Rule of One” (каждое полевое устройство подключается одной парой кабеля к своему каналу FTA), что дает значительную экономию времени и затрат.

На нефтеперерабатывающем заводе ElDorado управляющие устройства расположены в диспетчерской удаленного управления (RIE – remote instrument enclosure) с 36-парными кабелями, объединенными в жгут, которые протянуты до соединительных щитков рабочего пространства. Каждое окончание жилы 36-парного кабеля вставлено в клеммную колодку. С целью облегчения идентификации окончания маркированы номером пары в кабеле и знаками полярности «+» и «?». Полевые устройства связаны определенными парами кабеля и через распределительный щиток подсоединены к определенному каналу модуля ввода/вывода соответствующего терминала RIE.

Клеммные колодки корпуса RIE фактически представляют собой точку границы ответственности исполнителя или поставщика. Исполнитель подводит кабели к клеммным колодкам и попросту кроссирует их в порядке нумерации пар. Кроссировочное подключение кабельных терминалов в корпусе RIE к каналам FTA может быть выполнено на предприятии изготовителя или на месте.

Использование электронной таблицы

Для сокращения времени и усилий, необходимых для работы управляющей системы, фирма Frontier разработала приложение электронных таблиц, основанное на программе Excel, которое служит инструментом для начального этапа проектирования, документирования и индексирования информации, касающейся систем DCS. Это инновационное использование электронных таблиц позволяет легко вводить данные, а затем их сортировать или фильтровать для предоставления инженеру КИПиА наиболее полезные для дальнейшей работы материалы. Каждая электронная таблица имеет определенное предназначение и спроектирована таким образом, чтобы ее использование было максимально простым. Некоторые таблицы предназначены для моделирования монтажа элементов системы ввода/вывода DCS и после ее установки позволяют присвоить устройствам идентификаторы. Другие таблицы индексируют информацию об устройствах, относящихся к контуру управления, но находящуюся в других документах.

Электронная таблица в значительной мере использует определенные диапазоны и результаты поиска для наполнения графических шаблонов и оценки данных. Предоставляются шаблоны полевых коммутационных коробок, модулей ввода/вывода, коробок TIMUX (мультиплексора) и схем контура управления. Эти схемы оказывают очень ценную помощь в инженерных, конструкторских работах, а также при наладке и техническом обслуживании.

Функция автоматической фильтрации в программе Excel полезна для просмотра выборки данных, а на каждой электронной таблице представлена нумерация строк, позволяющая увидеть, сколько строк выбрано при фильтрации. В таблицу вводятся идентификаторы по признакам для проверки на наличие повторов, а также присутствует функция поиска для того, чтобы убедиться, что запись зарегистрирована в P&ID электронной таблице. Поиск также используется для перекрестных ссылок на теги других рабочих листов.

Использование рабочей книги электронных таблиц

В приложении Excel уникальная в своем роде структура электронных таблиц разработана таким образом, чтобы инженеры КИПиА могли быстро и наиболее точно выполнить схемы коммутационных щитков для приборов и устройств ввода/вывода. Это приложение включает в себя базу данных устройств, в которой данные вводятся в соответствии с логикой и используются самыми различными способами для настройки стратегии автоматизации предприятия.

Три электронные таблицы связывают индексацию идентификаторов устройств со схемами. Схемная информация трубопроводов, приборов и диаграмм P&ID (piping and instrumentation diagrams), а также чертежей, вводится соответственно в электронные таблицы P&ID и в таблицы чертежей. Идентификаторы чертежей электропроводки и детальных чертежей вносятся в таблицу ссылок. Такой подход обеспечивает эффективную работу ссылок от идентификаторов устройств к схемам (рис. 1).

Схемы P&ID являются основой для определения требований, касающихся оборудования и системы управления. Таблица P&ID дает достаточную информацию для определения количества и спецификации системы DCS,а также большей части инфраструктуры удаленных кабельных соединений. После определения требований относительно системы ввода/вывода (то есть количества, разновидностей и точек ввода/вывода) инженер может разрабатывать структуру системы. Три электронные таблицы создают упорядоченный перечень всех пар электрических проводов, находящихся в жгуте, каналов ввода/вывода и каналов мультиплексора TI. Любая пара электрических проводов, находящаяся в жгуте кабеля, представлена в электронной таблице Instrument JunctionBox (IJB – коробка подключения устройств). В электронной таблице IOP представлены все каналы модуля ввода/вывода, тогда как в таблице MUX представлены все каналы мультиплексора TI.

После определения структуры системы управления инженер выполняет задачу присвоения идентификаторов парам проводов в жгуте, каналам модуля ввода/вывода и каналам мультиплексора TI. Описываемое приложение книги электронных таблиц имеет встроенную функцию перекрестной проверки для выявления повторов идентификации и уточнения названий идентификаторов с целью представления их в главной электронной таблице P&ID (рис. 2).