СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АГРЕГАТОМ Российский патент 2003 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к автоматизированному управлению агрегатом, обеспечивающим производственный технологический процесс, например, магистральная перекачка рабочего тела (вода, хим. растворы, нефть, газ и др.). Агрегаты производственных технологических процессов являются основным оборудованием производственных станций, например, тепловых, энергетических, компрессорных, газоперекачивающих и др. В целях конкретизации описания предлагаемого способа рассмотрим его на примере магистральной перекачки газа.

Агрегаты, перекачивающие рабочее тело (магистральный газ), являются основным технологическим оборудованием компрессорных станций, выполняющих функции автоматического управления защиты, регулирования и контроля.

Рост поставляемых объемов газа вызывает необходимость повышения эффективности управления работой как газоперекачивающих компрессорных станций, так и самих агрегатов перекачки газа. Это обеспечивается, в частности, путем замены морально и физически устаревших систем агрегатной автоматики на более надежное оборудование, построенное на базе современных программно-технических средств. Агрегат перекачки газа представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных механических, гидравлических, пневматических, электронных и электрических устройств, подлежащих контролю, управлению и диагностике. В связи с повышенной взрывоопасностью транспортируемого газа, возможной экологической опасностью для окружающей среды, необходимостью устранения утечек газа при возникновении нештатных ситуаций в процессе эксплуатации оборудования важное значение приобретает обеспечение резервирования основных узлов и блоков. Это повышает надежность эксплуатируемого оборудования, устраняет экологическую и пожарную угрозу, предотвращает потери газа. Однако такой технический подход, выраженный в удвоении или в утроении количества резервируемых блоков, существенно удорожает стоимость применяемого оборудования. Поэтому чрезвычайно важным при управлении агрегатом перекачки является обеспечение безотказной работы эксплуатируемого оборудования без значительного увеличения его стоимости при необходимости резервирования особо важных узлов.

Известен способ управления компрессорами газовой системы (см. авт. св. СССР 1783169, МПК F 04 D 27/00, 23.12.1992). Способ заключается в том, что измеряют давление газа в коллекторе всасывания, измеряют температуру и давление газа в коллекторе нагнетания, формируют величину отклонения степени сжатия газа по соотношению, измеряют частоту вращения компрессоров, измеряют сигналы состояния компрессоров, сравнивают величину отклонения степени сжатия газа с минимальным и максимальным значениями степени сжатия газа, сравнивают частоту вращения работающего компрессора с минимальным и максимальным значениями частоты вращения компрессора, сравнивают величину температуры газа в коллекторе нагнетания с максимальным значением температуры, сравнивают величину давления газа в коллекторе всасывания с минимальным значением давления, проверяют выполнение дополнительных условий отключения работающего компрессора, формируют команду управления на включение резервного или отключение работающего компрессора с выдержкой заданных интервалов времени. Указанный способ обеспечивает повышение точности управления компрессорами газовой системы, однако не способствует резервированию особо ответственных блоков.

Известен также способ автоматического регулирования газоперекачивающего агрегата (ГПА), реализованный в "Системе автоматического управления и регулирования объектами с турбокомпрессорными агрегатами (САУ и Р)" (см. "Каталог 2000. Средства и системы автоматизации", СС 321-323, изготовитель-ЗАО "Система ГАЗ"). По этому способу поддерживают технологические параметры, распределяют нагрузки между ГПА, обеспечивают противопомпажное регулирование компрессоров, обеспечивают логическое управление ГПА, регулируют режим работы приводного двигателя ГПА, обеспечивают автоматическую защиту ГПА по технологическим параметрам.

Известен также способ автоматического управления ГПА, реализованный в "Системе агрегатной автоматики серии "Квант" (см. Журнал "Промышленные АСУ и контроллеры", 2000, 11, с. 16-21). По этому способу обеспечивают сбор и обработку технологических параметров ГПА, обмен информацией с цеховой системой любого типа, а также с системами пожаротушения, контроля загазованности и других по стандартным интерфейсам, отображения на дисплее значений основных параметров, представления информации о предаварийных и аварийных ситуациях, формирования массивов ретроспективной информации, представления информации о невыполненных предпусковых условий и отклонении при реализации процессов пуска и останова ГПА, проверки готовности агрегата к пуску и его пуск в различных режимах, цифрового регулирования частоты вращения силовой турбины в соответствии с заданием системы управления компрессорным цехом или оператора, нормального, экстренного и аварийного останова агрегата, поддержания ГПА в готовности к пуску, цифрового антипомпажного регулирования и антипомпажной защиты нагнетателя, дистанционного управления отдельными механизмами ГПА, рассчитывают в реальном масштабе времени ряд технологических параметров, проводят функциональную самодиагностику программно-технических средств, проверяют достоверность информационных сигналов, контролируют исполнение управляющих воздействий и целостность цепей управления кранами и механизмами, защищают систему управления от несанкционированного доступа, обеспечивают антивирусный контроль программного обеспечения.

Реализация данного способа помимо автоматического выполнения всех операций на разных режимах работы обеспечивает диагностику исправности блоков и повышает устойчивость работы за счет резервирования только питающего напряжения. При отключении одного из источников питания обеспечивается 100% выполнение всех функций. При отсутствии источника резервного питания и отключении основного за счет встроенного UPS система обеспечивает 100% выполнение всех функций в течение 30 минут. Данный способ использован в качестве прототипа предлагаемого изобретения ввиду того, что является самым близким по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком известного способа является неустойчивая работа оборудования при возникновении неисправности контроллера, т.к. обеспечивается резервирование только питающего напряжения. Однако устойчивая работа связана не только с источниками питания, возникает необходимость защиты других важных блоков, что приводит к полному резервированию каналов управления, а это значительно удорожает стоимость оборудования (до 20%). При возникновении потенциально возможных единичных отказов в процессоре контроллера ПЛК 90-70 в нештатных ситуациях они не блокируются нажатием кнопки оператором "экстренный останов" с включением в работу блока экстренного останова, что может привести к аварии на агрегате. Каждый пропуск аварии на агрегате, вызванный единичным отказом, например, процессора САУ (даже при высоких показателях надежности характеристик электронных модулей) может привести к значительным экономическим потерям, связанным с ремонтом агрегата, помещения компрессорной станции, нарушением плановой поставки газа потребителю, что в денежном выражении может оцениваться в десяти и даже сотни миллионов рублей.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение надежности эксплуатируемого оборудования без значительного увеличения стоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе автоматического управления агрегата на всех режимах работы оборудования путем сбора и алгоритмической обработки технологических параметров, включения/отключения режимов с пульта управления, задействования исполнительных механизмов, отображения на станции оператора технологических параметров и диагностической информации, сигнализации по нештатным ситуациям, автоматической защиты по критическим технологическим параметрам, при возникновении неисправности первого контроллера (автоматического управления и защит) и срабатывания сигнализации формируют команду "Нет автоматического управления" и, не останавливая агрегат, с помощью устройства переключения каналов отключают первый контроллер, а на станции оператора начинают индицировать информацию технологических параметров второго контроллера (аварийных защит), после устранения неисправности вновь включают в работу первый контроллер, информацию с которого начинают индицировать на станции оператора.

Технический результат достигается также тем, что в случае возникновения неисправности второго контроллера аварийных защит во время устранения неисправности первого контроллера, автоматически формируют команду "Отказ САУ (система автоматического управления)" в устройство экстренного останова, после чего обеспечивают экстренный останов агрегата.

Технический результат достигается также тем, что управление режимами работы исполнительными механизмами агрегата с физического пульта дистанционного управления дублируют параллельным подключением от мнемопульта со стации оператора.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено технического решения, совокупность существенных признаков которого совпадает с заявленным изобретением. Таким образом, изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем.

На чертеже показана блок-схема устройства, иллюстрирующая заявляемый способ автоматического управления ГПА.

Устройство включает контроллер 1 и контроллер 2, связанные через устройство 3 переключения каналов. Оба контроллера состоят из преобразователя входной информации (ПВИ), устройства связи с объектом (УСО) и микропроцессора (МП). Устройство экстренного останова 4 имеет вход, связанный с выходом контроллера 2, и подключено к исполнительным механизмам 9. Пульт 5 дистанционного управления подключен к исполнительным механизмам 9 и входам контроллеров 1 и 2. Станция оператора 6 связана с выходами контроллеров 1 и 2 через ETHERNET. Пульт 7 управления остановом агрегата подключен к входам контроллеров 1 и 2 и предусматривает кнопку управления, подключаемую по независимой физической линии на автономный вход устройства экстренного останова. Станция 8 диагностики связана с входами контроллеров 1 и 2, с выходами датчиков 17-19 и входом станции оператора 6. С входом контроллера 1 связаны датчики 10-13, 14-16, а с входом контроллера 2 связаны датчики 14-16. Контроллер 1 обеспечивает автоматическое управление и защиту агрегата, а контроллер 2 обеспечивает аварийную защиту агрегата.

Способ автоматического управления ГПА осуществляется следующим образом.

Информация с датчиков поступает соответственно на ПВИ контроллера 1 и ПВИ контроллера 2. Датчики 17-19 подключаются на вход станции диагностики.

На ПВИ контроллера 1 подключаются также выход с пульта управления останова 7, пульта дистанционного управления 5 и устройства переключения каналов 3. На ПВИ контроллера 2 подключаются также выход с пульта останова 7 и выход с устройства переключения каналов 3.

После алгоритмической обработки микропроцессором (МП) информации с ПВИ обработанная информация поступает на УСО, а затем соответственно на исполнительные агрегаты 9 и на станцию оператора 6. С контроллера 2 сигналы поступают на устройство экстренного останова 4 и станцию оператора 6.

При штатной работе агрегата сигналы с датчиков 10-19 обрабатываются контроллером 1, станцией диагностики и в зависимости от режима работы, определяемого пультом дистанционного управления 5, исполнительные механизмы 9 выставляются в нужное положение, а агрегат обеспечивает штатный режим технологического процесса, который визуально (в виде видеокадров технологических параметров) выводится на станцию оператора.

В случае штатного нормального или аварийного останова агрегата с пульта останова 7 формируется команда управления, включающая в контроллере 1 соответствующую программу, по которой исполнительные механизмы 9 устанавливаются в нужное положение и совершается штатный нормальный либо аварийный останов агрегата.

При возникновении неисправности контроллера возникает нештатная ситуация во время работы агрегата. Нештатная ситуация - есть отклонения от обычного (нормального) режима работы агрегата, определяемого эксплуатационной документацией (см. "Основные положения по автоматизации, телемеханизации и автоматизированным системам технологическими процессами транспортировки газа" Издательство РАО Газпром, M., 1995 г., с. 11 п.3.6, с.27 последняя строка, с. 29 22-я строка). Неисправность контроллера - это отказ либо в самом контроллере, либо в канале связи контроллера с датчиками, либо в канале связи контроллера с исполнительными механизмами (см. Устройство программного управления TREI-5B-02, Руководство по эксплуатации TREI11.421.457.101-00РЭ, Издательство фирмы TREI GMBH, 1999). Далее с целью упрощения будет использоваться термин - канал контроллера).

Таким образом, при возникновении неисправности первого контроллера (автоматического управления и защит) и срабатывания сигнализации (звучит предупреждающая оператора сигнализация) канал контроллера 1 автоматически отключается от управления исполнительными механизмами 9, оставляя их в положении последнего состояния, отключается от станции оператора 6, а на станцию оператора 6 подключается информация об аварийных технологических параметрах с канала контроллера 2 для информирования оператора о значениях аварийно важных технологических параметров работы агрегата на время локализации неисправности в канале контроллера 1.

После локализации неисправности в канале контроллера 1 последний автоматизировано включается в продолжение работы штатного технологического процесса, а на станции оператора 6 вновь начинает индицироваться информация с канала контроллера 1.

Перевод работы системы автоматического управления с канала контроллера 1 на канал контроллера 2 оператор может произвести вручную посредством управления с устройства 3. После получения предупреждающей сигнализации оператор оценивает важность отказавшего технологического параметра в канале контроллера 1 и при необходимости вручную посредством устройства переключения канала 3 переключает информацию с канала контроллера 1 на канал контроллера 2, переключение информации происходит аналогично автоматическому переходу в части отключения исполнительных механизмов и вывода информации на станцию оператора 6.

После локализации отказа в канале контроллера 1 перевод с канала контроллера 1 на канал контроллера 2 осуществляется оператором также вручную посредством устройства переключения 3.

Если в процессе локализации неисправности в канале контроллера 1 какой-либо аварийно важный технологический параметр достигнет предельного значения по "уставке", либо возникнет неисправность в канале контроллера 2 начинает звучать аварийная сигнализация и в устройство экстренного останова 4 формируется команда "Отказ САУ (система автоматического управления)" в устройство экстренного останова 4, которое по программе выставляет исполнительные механизмы 9 в нужное положение, тем самым осуществляя экстренный останов агрегата.

На пульте останова агрегата предусматривается также кнопка "экстренного останова", посредством которой оператор может по собственному решению произвести экстренный останов агрегата.

Предлагаемый способ предусматривает возможность управления режимами работы и исполнительными механизмами не только с физического устройства дистанционного управления, размещаемого в машинном зале в стойке управления вблизи от агрегата, но также с мнемопульта на станции оператора в зале оператора.

В качестве примеров конкретного выполнения можно сообщить следующее.

Контроллеры управления и защиты 1 и 2, включая ПВИ, МП, УСО, построены на микропроцессорных программно-технических средствах (см.[1] "многофункциональные распределенные системы TREI -700". Серия TREI-700. Устройство программного управления TREI-5B-02).

Устройство 3 переключения каналов может быть реализовано на переключателе Q25LW и светодиодах типа Q25LF фирмы "Klockner Moeller".

Устройство 4 экстренного останова может быть реализовано на релейной логике с использованием реле типа REL-MR-248c фирмы PHOENIX CONTACT, светодиодных линейках KB фирмы "Kingbright" и переключателе Q25LW фирмы "Klockner Moeller".

Пульт 5 дистанционного управления может быть реализовано на логических элементах 564 серии отечественного производства переключателях типа Q25LT, Q25LW и светосигнализаторах фирмы "Klockner Moeller". светодиодных линейках и светодиодах фирмы "Kingbright".

Операторская станция 6 должна реализоваться на базе персонального компьютера.

Процессор Pentium 3 не менее 733 МГц, ОЗУ-128 Мб, жесткий диск 10.2 Гб (7200 об/мин), флоппи-диск-3.5 (1,44 Мб), видеоконтроллер 16 Мб, контроллер Ethernet (SMC 9432), монитор не менее 19 SVGA, стандартная клавиатура, два последовательных порта и один параллельный, мышь, CD-ROM, звуковая карта, звуковые колонки, предустановлен DOS 6.22 и Windows-NT 4.0 (русифицированный), Servis Pack 5.

Пульт 7 отключения может реализоваться на переключателях Q25LW и светосигнализаторах типа Q25LF фирмы "Klockner Moeller", а также реле типа REL-VR-248C фирмы "Phoenix Contact".

Станция диагностики 8 может быть реализована на основе аппаратуры СВИД, изготовляемой по Техническим условиям ТУ 4277-003-04799750-97.

Исполнительные механизмы 9 являются технологическим оборудованием, входят в комплектацию агрегата и имеют входы, подключаемые к контроллеру 1 и устройствам 4,5, обеспечивающим следующие характеристики управляющих сигналов:
- =220 В; не более 0,5 А; импульс 15 с
- =220 В; не более 0,5 А
- =24 В; не более 2 А
- =220 В; 50 Гц; не более 2 А
В качестве датчиков 10-19 могут использоваться например, термопреобразователи ТСМ, датчики виброскорости ИКЛЖ 402.248.004, датчики тока статора Е-854, датчики избыточного давления ТЖИУ, 406-1 Ех-23-3-3-2-2-2-1, датчики разности давления типа САПФИР, датчики виброперемещения ИКЛЖ 248.003-01, датчики осевого сдвига ИКЛЖ 402.218.003, датчики типа сухой контакт, датчики реле, датчики частоты вращения.

Таким образом, как видно из вышеописанного, именно совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает достижение упомянутого технического результата, выраженного в повышении надежности эксплуатируемого оборудования без значительного увеличения стоимости. При этом последствием автоматизированного перехода с отказавшего канала контроллера управления и защит на второй контроллер, обеспечивающим информацию оператору по аварийно опасным параметрам на время локализации неисправности и возможности автоматического подключения устройства экстренного останова без вмешательства оператора, является увеличение стоимости оборудования всего на 5-6%. В то время, как резервирование каналов управления, выполняемое с той же целью, например, в "Системе автоматического управления газоперекачивающими агрегатами МСКУ 4510" (См. "Каталог 2000. Средства и системы автоматизации") удорожает стоимость оборудования не менее чем на 20%. Кроме того, изобретение значительно снижает вероятность проявления потенциально аварийных случаев, связанных с повышенной взрывоопасностью транспортируемого газа, возможной экологической опасностью для окружающей среды, необходимостью устранения утечек газа при возникновении нештатных ситуаций в процессе эксплуатации оборудования. Предлагаемое в заявляемом изобретении обеспечение резервирования основных узлов и блоков повышает безотказность работы эксплуатируемого оборудования, устраняет экологическую и пожарную угрозу, предотвращает потери газа.

Изобретение относится к автоматизированному управлению агрегатом, обеспечивающим производственный технологический процесс, например, магистральная перекачка рабочего тела (вода, хим. растворы, нефть, газ и др.) Агрегаты производственных технологических процессов являются основным оборудованием производственных станций, например, тепловых, энергетических, компрессорных, газоперекачивающих и др. Изобретение заключается в том, что в известном способе управления агрегатом на всех режимах работы оборудования при возникновении неисправности первого контроллера (автоматического управления и защит) и срабатывании сигнализации формируют команду "Нет автоматического управления" и, не останавливая агрегат, отключают канал первого контроллера, а на станции оператора начинают индицировать информацию от канала второго контроллера (аварийных защит), после локализации нештатной ситуации включают в работу восстановленный канал первого контроллера, информацию с которого вновь начинают индицировать на станции оператора. Изобретение позволяет обеспечить технический результат, выраженный в повышении надежности эксплуатируемого оборудования без значительного увеличения его стоимости. Кроме того, снижается вероятность проявления потенциально опасных случаев, связанных с экологической и пожарной безопасностью и утечкой газа. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического управления агрегатом на всех режимах работы оборудования путем сбора и алгоритмической обработки технологических параметров, включения/отключения режимов с пульта управления, задействования исполнительных механизмов, отображения на станции оператора технологических параметров и диагностической информации, сигнализации по нештатным ситуациям, автоматической защиты по критическим технологическим параметрам, отличающийся тем, что при возникновении неисправности первого контроллера (автоматического управления и защит) и срабатывания сигнализации формируют команду "Нет автоматического управления" и, не останавливая агрегат, с помощью устройства переключения каналов отключают первый контроллер, а на станции оператора начинают индицировать информацию о технологических параметрах от второго контроллера (аварийных защит), после устранения неисправности вновь включают в работу первый контроллер, информацию с которого начинают индицировать на станции оператора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае возникновения неисправности второго контроллера (аварийных защит), во время устранения неисправности первого контроллера, автоматически формируют команду "Отказ САУ (система автоматического управления)" в устройство экстренного останова, после чего обеспечивают экстренный останов агрегата. 3. Способ по одному из п.1 или 2, отличающийся тем, что управление режимами работы, исполнительными механизмами агрегата с физического пульта дистанционного управления дублируют параллельным подключением от мнемопульта со станции оператора.