В настоящее время в ведущих отраслях перерабатывающей промышленности, в 1ю очередь, в нефтехимии, нефте- и газопереработке, наблюдается тенденция к замещению щитовых приборов контроля и управления системными решениями, позволяющими осуществлять комплексную автоматизацию, в том числе, на уровне крупных установок и цехов.
С этой точки зрения, традиционный функционал как бумажных, так и электронных самописцев, включающий измерение, хранение и индикацию данных по месту, не имеет конкурентных преимуществ перед системами управления, поскольку полностью ими охватывается, в то же время рациональная необходимость совместного использования щитовых приборов и АСУТП в большинстве случаев отсутствует.
Поэтому уже сейчас производителям щитовых приборов необходимо уделить внимание поиску новой ниши для применения их оборудования в индустрии. Одним из примеров такого поиска является концепция «мини-АСУТП», предлагаемая компанией Yokogawa на базе устройств серии SMARTDAC+.
Данная концепция предполагает объединение функционала различных типов устройств, таких как регистраторы данных, ПИД-регуляторы, программируемые логические контроллеры (ПЛК), панели оператора и устройства удаленного ввода/вывода, на базе приборов, имеющих внешний вид типичный для самописцев. Данные устройства могут использоваться как автономные средства управления, так и в составе АСУТП, являясь шлюзом между полевыми приборами и верхним уровнем, что обеспечивает дополнительную надежность за счет резервного архива данных и позволяет осуществлять управление локально в случае системных сбоев. Такой подход позволяет расширить горизонты традиционного применения данного типа устройств и имеет ряд преимуществ, которые будут рассмотрены ниже.
Самописцы Yokogawa
Рис.1 ER - 1й самописец производства Yokogawa
Yokogawa Electric Corporation начала выпуск промышленных бумажных самописцев в 1951 г. С тех пор данный тип приборов претерпел ряд изменений. Одним из ключевых стало введение микропроцессоров в схемотехнику приборов, что позволило производить цифровую обработку данных измерений (в частности, математические вычисления), оснащать приборы многофункциональным ЖК-дисплеем и применять сетевые технологии. В последнее время компания Yokogawa стала отказываться от использования терминов «самописец» и «регистратор» применительно к своей продукции, так как функционал приборов, производимых компанией, значительно шире, чем у традиционных регистраторов.
Например, предыдущее поколение аналогичных устройств, производимых Yokogawa, известно, как DAQSTATION, что в переводе с английского означает «станция сбора данных». Современное поколение аналогичных устройств имеет брендовое имя SMARTDAC+, где «DAC» (Data Acquisition & Control) означает «система сбора данных и управления». Ввиду высокой гибкости, масштабируемости, функциональности, а также благодаря реализованным в 2017 г функциям управления процессами, SMARTDAC+ позиционируются как локальные системы управления, а не как традиционные самописцы.
Основные особенности SMARTDAC+
Рис.2 Устройства серии SMARTDAC+ (слева направо: GP10, GP20, GM, GX20, GX10)
Серия SMARTDAC+ включает 3 типа приборов: GX (щитовое исполнение), GP (портативные приборы) и GM (шкафное исполнение). Головные устройства систем GX и GP оснащены дисплеями с диагональю 5,7 дюйма (модели GX10 и GP10), либо 12,1 дюйма (модели GX20 и GP20). Аппаратное обеспечение системы GM функций индикации не имеет, настройка и мониторинг данных производятся удаленно с использованием стандартного программного обеспечения для ПК. Программное обеспечение серии SMARTDAC+ находится в открытом доступе на сайте y-link.yokogawa.com.
Ключевыми особенностями устройств серии являются удобный, интуитивно понятный интерфейс, гибкая модульная архитектура и расширенная функциональность. Удобный интерфейс обеспечивается сенсорным экраном GX и GP и программным обеспечением для настройки приборов, мониторинга и обработки данных.
В сравнении с устройствами предыдущих поколений, у которых интерфейс оператора был реализован в виде кнопочной панели, сенсорный экран является прорывным усовершенствованием, позволившим упростить и значительно ускорить навигацию по меню прибора и работу с данными (например, целевой поиск). Для GX и GP поддерживается функция пользовательской настройки экрана. Содержимое экрана можно произвольно компоновать, используя как стандартные компоненты (индикаторы, тренды, кнопки, метки и пр.), так и любые растровые изображения. Вкупе с возможностями сенсорного экрана, данная функция позволяет реализовать полноценный человеко-машинный интерфейс с привычным для операторов АСУТП представлением информации и наличием необходимых инструментов для осуществления управления технологическим процессом.
Рис.3 Примеры пользовательских экранов
Рис.4 Мониторинг данных от термокамер
Функция пользовательской настройки экранов позволяет осуществлять мониторинг данных, получаемых от термокамер с заданной частотой дискретизации. Бесконтактное измерение температуры широко применяется на крупных углехранилищах для предотвращения возгорания, а также на мобильных или вращающихся объектах, таких как барабанные печи.
Гибкая архитектура обеспечивается за счет использования модульной конфигурации и возможности расширения путем использования внешних блоков ввода/вывода GX60. Линейка модулей ввода/вывода SMARTDAC+ достаточно широка и включает в себя универсальные и специализированные модули измерительных входов, модули дискретных входов и выходов, используемых как для реализации стандартных функций (дистанционное управления, сигнализации), так и для управления технологическими процессами, модули ПИД-регулирования и пр. В процессе эксплуатации систем SMARTDAC+ их можно доукомплектовывать новыми модулями ввода/вывода как в дополнение к уже установленным, так и взамен них, что обеспечивает высокую гибкость системы. Использование блоков GX60 совместно с головными устройствами системы позволяет расширить общее количество точек ввода/вывода на систему (максимально до 500 измерительных каналов), а также организовать конфигурацию, распределенную территориально. Расстояние между внешними блоками ввода/вывода может достигать 100 м (от головного устройства до последнего блока - 600 м макс.). В качестве внешних блоков также могут использоваться корзины системы GM без основного модуля GM10. Система может содержать только одно головное устройство и до 6 блоков ввода/вывода. Характеристики измерительных каналов, подключенным к внешним блокам (период опроса, погрешность и пр.) полностью соответствуют каналам головного устройства.
Рис.5 Распределенная конфигурация SMARTDAC+
Системы SMARTDAC+ поддерживают широкий спектр сетевых функций, обеспечивающих удаленную работу, а также обмен данными с внешними устройствами и системами автоматики. В частности, поддерживаются такие протоколы обмена данными как Modbus, Ethernet/IP и OPC-UA, который стал новым отраслевым стандартом и значительно расширил возможности протокола OPC, благодаря чему имеется возможность интеграции с большинством известных в настоящее время систем управления различных производителей. Возможно использование SMARTDAC+ в качестве сетевых шлюзов. В этом случае они осуществляют опрос подчиненных устройств, записывая полученные данные в каналы связи, и передают эти данные (также, как и данные измерений) в системы верхнего уровня.
Рис.6 Сетевые функции SMARTDAC+
Помимо вышеперечисленного поддерживается еще целый ряд функций, таких как математика (косвенные вычисления, коррекции, учет парам и пр.), автоматическая генерация отчетов по заданному шаблону, коррекция калибровки измерительных каналов, автоматические оповещения, авторизация пользователей, ведение журнала операций и многие другие. Но ключевым фактором, позволившим говорить от SMARTDAC+, как о системах управления, стал выход модуля GX90UT и функциональные усовершенствования, реализованные в 2017 г.
Функции управления
Рис.7 Функциональная схема работы модуля ПИД-регулирования в одноконтурном режиме
Системы SMARTDAC+ поддерживают 2 типа управления: регулирование технологических парам и управляющая логика для реализации запуска/останова технологического оборудования по заданному алгоритму, защитных блокировок и пр. Вышедший в 2017 г модуль GX90UT представляет собой двухконтурный ПИД-регулятор, интегрированный в систему SMARTDAC+. Помимо измерительных и управляющих аналоговых входов каждый модуль имеет по 8 дискретных входов и выходов, тем самым дублируя функционал традиционных регуляторов. Измерительные входы имеют универсальный тип, управляющие выходы могут быть представлены как выходами постоянного тока для непрерывного регулирования, так и дискретными выходами с широтно-импульсной модуляцией, которые также используются для реализации алгоритма ПИД с применением, например, твердотельных реле в качестве исполнительных устройств.
Рис.8 Примеры операторского интерфейса функции ПИД-регулирования SMARTDAC+
Модуль может функционировать в режиме управления двумя независимыми контурами (регулирования двух различных парам), а также в каскадном режиме и с переключением переменной процесса (в двух последних случаях может быть задействован только один управляющий выход контура). Максимально одна система SMARTDAC+ может включать в себя 10 модулей ПИД-регулирования или 20 контуров управления.
Рис.9 Применение SMARTDAC+ для управления процессом в каскадом режиме
Каскадный режим регулятора позволяет осуществлять стабильное управление температурой реактора путем исключения влияния колебаний давления пара. Стандартные экраны SMARTDAC+ позволяют осуществлять одновременный мониторинг внешнего и внутреннего контуров каскада.
Рис.10 Управление нефтеподогревателем
Математические функции SMARTDAC+ позволяют вычислять среднее значение температуры по нескольким точкам измерения и использовать его в качестве внешней переменной процесса для модуля ПИД-регулирования GX90UT.
Рис.11 Управление дозированием химреагентов
На базе SMARTDAC+ возможно организовать следящую систему, позволяющую рассчитывать необходимое количество химического реагента, пропорциональное расходу воды на основном потоке.
При выполнении регулирования система может использовать как собственное задание, хранящееся в памяти модуля, так и внешние уставки (RSP), приходящие либо с измерительных каналов, либо от удаленных устройств по сети, а также осуществлять управление по заданным программным шаблонам. Программное управление широко используется в различных процессах термообработки, когда необходимо производить нагрев, охлаждение и выдержку при определенной температуре в течение заданного времени.
Рис.12 Управление процессами термообработки
Возможно использование SMARTDAC+ со сканерами QR-кодов для управления Batch-процессами. Считывая QR-код сканер генерирует коммуникационную команду, запускающую тот или иной программный шаблон, соответствующей определенной рецептуре термообработки. Одно головное устройство SMARTDAC+ может хранить до 99 таких шаблонов.
Управляющая логика реализуется путем формирования команд с использованием операторов сравнения, функций И/ИЛИ/НЕ, таймеров, счетчиков и пр. Дискретные входы и выходы систем могут свободно использоваться в этих командах, позволяя реализовать на базе систем SMARTDAC+ функционал простейших программируемых логических контроллеров (ПЛК). При этом важной особенностью, отличающей данный класс устройств от ПЛК, является простота инжиниринга, т.к. для задания настроек, включая параметры ПИД-регулирования и управляющей логики, не требуется специальных знаний и навыков программирования. Все настройки выполняются в меню приборов, либо в стандартном ПО и являются интуитивно понятными. Поддерживается функция автонастройки парам ПИД. Системы SMARTDAC+ представляют собой устройства типа «все-в-одном», являясь компактным средством управления, и обеспечивает удобный функционал для отладки контуров регулирования одновременно. Стандартные экраны визуализации обеспечивают весь необходимый набор функций для настройки, мониторинга и отладки, при этом использование пользовательской графики позволяет создать уникальный и высокофункциональный интерфейс, соответствующий конкретным производственным условиям, либо предпочтениям оператора.
Рис.13 Контроль уровня в емкости
SMARTDAC+ могут регулировать уровень жидкости в емкости с использованием защитных блокировок, реализованных на управляющей логике и предназначенных для предотвращения переполнения, а также работы насоса на холостом ходу.
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод о том, что системы сбора данных и управления SMARTDAC+, поддерживая классический функционал регистраторов имеют ряд дополнительных функциональных возможностей, позволяющих использовать их в качестве локальных средств управления или АСУТП малого масштаба.
Поддерживая функции управления, регистрации данных (ведения архива) и мониторинга, SMARTDAC+ могут применяться, как альтернатива комбинации «ПЛК + операторская панель», обеспечивая такие важные преимущества, как компактность, гибкость и простота настройки, не требующей привлечения программистов контроллеров, а доступной для инженеров КИП.
Общая стоимость проекта на базе такой системы, включающая инжиниринг и монтажные работы, будет значительно ниже стоимости аналогичного системного решения. Кроме того, системы SMARTDAC+ могут быть интегрированы в распределенные системы управления в качестве локальных АСУ, осуществляющих управление отдельными процессами и при этом обеспечивающих обмен данными с ядром системы в реальном времени. Дополнительным преимуществом в таких случаях является резервирование информации, поскольку помимо центральной базы данных РСУ, SMARTDAC+ имеют возможность вести собственный архив данных (эта функция является стандартной). Концепция SMARTDAC+ является уникальной и в настоящий момент не имеет аналогов по своей гибкости, масштабируемости, емкости и универсальности.
С более подробным описанием систем управления и сбора данных SMARTDAC+ Вы можете ознакомиться на сайте компании Yokogawa.
Ваши вопросы по оборудованию для локального управления и регистрации данных Вы можете направлять по адресу: [email protected]
Автор: Тямкин Сергей, руководитель группы локальной автоматизации, к.т.н. ООО «Иокогава Электрик СНГ»
