Опыт реализации информационно-вычислительных задач в составе АСУ ТП
Крутицкий И. В., Конкина Л. А., инженеры ВТИ - ЗАО “Интеравтоматика”
Внедряемые ЗАО “Интеравтоматика” АСУ ТП структурно включают в себя два уровня: контроллерный и информационно-вычислительный, соединяемые магистральной шиной (или несколькими магистральными шинами) обмена цифровой информацией. Контроллерный уровень реализуется на аппаратуре ТПТС51 и выполняет весь объем функций прямого цифрового управления (защита, блокировка, автоматическое регулирование, логическое управление) и предварительной обработки информации для решения задач верхнего, информационно-вычислительного уровня. Обработка аналоговой информации производится с шагом дискретности от 40 мс. Передача информации на верхний, информационно-вычислительный уровень для архивирования и расчетов осуществляется через динамически зависимую Δ-функцию в виде пары - значение параметра и время фиксации этого значения - с точностью временной метки 10 мс.
Верхний, информационно-вычислительный уровень АСУ ТП реализуется либо на базе системы ОМ650 для энергоблоков и других крупных энергетических объектов, либо на базе системы операторских станций WinOS для отдельных турбин и котлов и блоков малой мощности. Остановимся более подробно на ОМ650.
Информационно-вычислительная система ОМ650 строится как распределенная система. Шина терминалов (типа Ethernet) объединяет три типа цифровых устройств: процессорные устройства (PU), серверные устройства (SU) и операторские терминалы (ОТ). Процессорные устройства соединяют шину терминалов с магистральной шиной АСУ ТП и обеспечивают при этом не только функции шлюзов, но и реализацию краткосрочных архивов, расчетных функций и др. Серверные устройства отвечают за хранение всей архивной информации и перезапись ее в необходимом объеме на магнитно-оптические диски, а также наряду с PU реализуют расчетные задачи. ОМ650 обладает высокоразвитым математическим обеспечением, ориентированным на распределенную структуру с большим объемом обрабатываемой информации и обеспечивающим решение на инженерном уровне не только всего комплекса задач операторского интерфейса, но и архивации, расчетов, связи с другими системами.
С точки зрения объема накапливаемой и перерабатываемой информации, традиционным решением является архивация всего объема аналоговой и дискретной информации, поступающей с контроллерного уровня. Другими словами, архивируются все входные аналоговые параметры АСУ ТП и полученные на их основе расчетные значения; все входные дискретные сигналы (как характеризующие технологический процесс, так и отражающие состояние исполнительных органов); сигналы диагностики состояния периферийных устройств; внутренние сигналы алгоритмов управления и выдаваемые ими на объект команды; сигналы нарушения нормального хода выполнения алгоритмов управления. Автоматически регистрируются и архивируются все действия оперативного персонала: по непосредственному управлению исполнительными органами, по включению или отключению алгоритмов управления или коррекции их работы и др. В состав архивируемых включаются и результаты решения расчетных задач.
Все архивные данные доступны для анализа персоналом. Выводятся они в различных формах: протоколы, динамические кривые, диаграммы рабочих точек и др. При этом формирование состава протокола или группы кривых, а также временной диапазон их представления могут задаваться в интерактивном режиме.
Математическое обеспечение ОМ650 для решения расчетных задач включает в себя набор типовых программных модулей и графического пакета САПР FUP-Editor, их объединяющего. Принцип работы FUP-Editor аналогичен пакету GET, используемому для проектирования задач контроллерного уровня АСУ ТП. Кроме того, имеется возможность подключения прикладных программ, написанных на языках высокого уровня, например, СИ.
Система ОМ650 располагает широкими базовыми возможностями по связи с внешними системами (например, DOS-PC). Обмен данными между ОМ650 и внешней системой осуществляется файлами. Передача данных производится посредством протокола ТСР/IP Формат передаваемых файлов (ASCII) допускает дальнейшую обработку данных разнообразными программными приложениями независимо от используемой технической базы (например, Excel, СУБД). При этом предусмотрено несколько способов экспорта данных: экспорт текущих значений; архивирование и экспорт значений при их изменении; экспорт архивных данных; экспорт протоколов.
Очевидно, что базовая математика АСУ ТП предоставляет широкие возможности в организации выполнения автоматизированных информационно-вычислительных задач.
Автоматизированные информационно-вычислительные задачи являются одной из обязательных функций АСУ ТП и служат для предоставления оперативному и инженерному персоналу ТЭС расчетной оперативной и постоперативной информации о состоянии и условиях эксплуатации оборудования. Целями внедрения на ТЭС автоматизированных расчетных задач является повышение надежности работы оборудования, снижение затрат топлива, улучшение экологических показателей, оптимизация ремонтов и др. К типовым информационно-вычислительным задачам относятся расчет технико-экономических показателей, определение остаточного ресурса элементов оборудования, контроль и анализ пускоостановочных режимов, а также различные диагностические задачи.
При реализации информационно-вычислительных задач особую важность имеет рациональное распределение вычислений между контроллерным и информационно-вычислительным уровнями, а также между АСУ ТП и АСУ верхнего уровня, например АСУ ТЭС. Важно также определить способ функционирования задачи: циклически (on-line), по возникновению события либо по запросу пользователя (off-line).
Вычисления в контроллерах.
Прежде всего, на контроллерном уровне производится предварительная обработка информации, которая включает в себя фильтрацию входной информации, всесторонний (аппаратный и параметрический) контроль ее достоверности, коррекцию показаний датчиков расходов с учетом текущих значений параметров рабочей среды, получение результирующего значения параметра при измерении его несколькими датчиками, замещение недостоверной информации, присвоение с точностью до 10 мс меток времени фиксируемым дискретным событиям. Здесь же производится получение комплексных сигналов, вычисление которых использует значения параметров в текущий момент времени работы контроллера или может быть произведено по простейшим рекурентным соотношениям: разности сигналов (в частности, перепады температур); скорости изменения параметров; энтальпии среды; минимального, максимального или усредненного значения однотипной группы параметров или одного параметра за определенный промежуток времени.
В контроллерах могут быть выполнены и более сложные задачи. Например, в составе АСУ ТП энергоблока № 2 Пермской ГРЭС на контроллерном уровне реализована задача, моделирующая поле температур в роторе турбины. Результаты расчетов (характерные температуры, а также фактические и предельно допустимые перепады температур) передаются на верхний уровень АСУ ТП, где отображаются стандартными средствами ОМ650 в виде динамических кривых. Преимущество реализации задачи на контроллерном уровне заключается в возможности использования получаемой расчетной информации в алгоритмах управления.
Вычисления в программных модулях ОМ650.
С помощью типовых программных модулей ОМ650 можно организовать решение практически любой информационно-вычислительной задачи в режиме on-line с циклом поступления исходной информации от 1 с. Типовые программные модули условно могут быть разделены на три уровня. Элементарные программные модули выполняют простейшие операции - формирование счетчиков времени, вычисление алгебраических и тригонометрических функций и др. Более сложные модули - модули оперативной статистики - осуществляют накопление и статистическую обработку информации в течение заданного интервала времени (минуты, часы, сутки, месяцы и др.). При этом предусматривается полная синхронизация времени при обработке различных параметров на идентичных интервалах. Наконец, программные модули верхнего уровня - прикладные модули, решают стандартные теплотехнические задачи, такие как расчет термодинамических функций воды и водяного пара; расчет остаточного ресурса паропровода; расчет внутреннего относительного КПД цилиндра турбины и др. В качестве стандартных предусмотрены модули расчета времени наработки механизмов, агрегатов и др., числа их пусков и остановов. В каждом из программных модулей, кроме числового результата по специальным алгоритмам, производится формирование его признака достоверности.
Организация вычислений в программных модулях ОМ650 обычно производится следующим образом. Исходная информация, поступающая из контроллеров с циклом от 1 до 30 с, с помощью модулей оперативной статистики усредняется на оперативном интервале, длительность которого составляет от 1 до 15 мин. Результаты усреднения обрабатываются по физическим формулам, которые реализуются с помощью прикладных либо элементарных программных модулей. Результаты вычислений с помощью модулей оперативной статистики интегрируются и усредняются на ретроспективных интервалах, длительность которых составляет от 1 ч до 1 мес.
Главным достоинством применения типовых программных модулей ОМ650 при решении информационно-вычислительных задач является то, что расчетная информация формируется практически в темпе технологического процесса. Немаловажным является и наглядность построения алгоритмов. Поэтому данным способом решаются многие задачи, особенно связанные с диагностикой состояния и режимов работы оборудования.
Вычисления во внешних системах.
Начиная с первых проектов, специалисты ЗАО “Интеравтоматика” работали над концепцией построения интегрированной АСУ ТЭС, для которой “нижним” уровнем является АСУ ТП энергетического оборудования. При такой организации АСУ часть автоматизированных информационно-вычислительных задач должна была быть перенесена на “верхний” уровень. Это задачи, характер расчетов в которых не требует предоставления результатов непосредственно оператору в темпе технологического процесса. К таким задачам относится, например, оценка остаточного ресурса элементов оборудования.
Однако на большинстве электростанций РФ разработка и внедрение АСУ ТЭС в ближайшие годы не планируются. Поэтому на АСУ ТП была возложена нехарактерная задача - обеспечение вычислений в режиме off-line. Подобные вычисления производятся во внешней системе, под которой понимается комплекс прикладных программ, выполненных на языках высокого уровня. Прикладные программы устанавливаются на одном из компонентов ОМ650, например PU, и связываются со стандартным программным обеспечением посредством функций экспорта/импорта данных.
Организация вычислений во внешних системах в режиме off-line производится в следующей последовательности. По запросу пользователя либо событию из архива АСУ ТП “считывается” вся необходимая исходная информация за заданный пользователем либо заранее определенный интервал времени, после чего выполняются все необходимые расчеты. Результаты расчетов представляются в виде текстовых протоколов, которые импортируются в ОМ650.
Для некоторых задач, например, задачи расчета технико-экономических показателей крупных энергоблоков, оказалось целесообразным использовать расчеты во внешней системе и в режиме online с циклом расчета от 5 до 15 мин. При этом на каждом цикле: производится экспорт исходной информации из ОМ650; выполняются расчеты; производится импорт результатов в ОМ650, где они архивируются.
В качестве примеров рассмотрим принципы реализации двух автоматизированных информационно-вычислительных задач “Расчет технико-экономических показателей” и “Контроль и анализ пускоостановочных режимов”.
Организация решения информационно-вычислительных задач в интегрированной АСУ ТЭС:
1, 2, 3 - программный модуль соответственно оперативной статистики, экспорта и импорта текущих данных
1. Расчет технико-экономических показателей.
Главной целью автоматизированной информационно-вычислительной задачи “Расчет технико-экономических показателей” (ТЭП) является получение практически в темпе технологического процесса обобщенных фактических и номинальных (нормативных) технико-экономических показателей работы энергоблока и отдельных элементов оборудования, а также определение влияния на удельный расход топлива отклонений фактических показателей от номинальных. Второй целью является интегрирование и взвешенное усреднение полученных показателей на заданных ретроспективных интервалах.
Задача внедрялась на энергоустановках различной мощности: от 25 МВт (Мутновская ГеоЭС) до 800 МВт (Березовская ГРЭС). При выборе структуры реализации задачи во внимание принимался ряд обстоятельств: объем вычислений; количество устанавливаемой аппаратуры (прежде всего PU); наличие АСУ “верхнего” уровня; требования заказчика. Поэтому применялась различная структура реализации задачи. Однако наш опыт показывает, что оптимальной является структура, показанная на рисунке.
Предварительно обработанная в контроллерах исходная информации поступает в ОМ650, где в типовых программных модулях производится ее усреднение на интервале, длительность которого составляет от 5 до 15 мин. Каждые 5-15 мин текущие средние значения автоматически экспортируются во внешнюю систему, где в прикладной программе расчета оперативных ТЭП производится основной расчет на оперативном интервале. Результаты основного расчета каждые 5-15 мин автоматически импортируются в ОМ650, где производится их запись в архив, а также выборочное отображение на видеограммах. Все результаты основного расчета на оперативном интервале могут быть представлены в виде текстовых протоколов, а также динамических кривых.
Записанные в архив результаты расчетов на оперативном интервале по запросу пользователя экспортируются во внешнюю систему. Во внешней прикладной программе интегрирования данных на ретроспективных интервалах производятся расчеты выходных технико-экономических показателей за заданный пользователем интервал (сутки, месяц и др.). Результаты расчетов на ретроспективных интервалах предоставляются пользователю в виде протоколов, которые могут быть импортированы в ОМ650.
Контроль и анализ пускоостановочных режимов.
Качество пуска либо останова основного теплоэнергетического оборудования определяется, главным образом, количеством и качеством нарушений критериев надежности. Целью задачи является улучшение оперативного контроля и постоперативного анализа качества пускоостановочных режимов. Это осуществляется:
организацией предупредительной технологической сигнализации о нарушениях критериев надежности оборудования;
автоматическим построением прогнозных графиков-заданий изменения основных параметров;
статистической обработкой информации на интервалах пуска либо останова.
Критериями надежности могут быть как прямые измерения, так и вычисленные параметры - максимальные (минимальные) значения из группы однотипных параметров, перепады температур и скорости изменения температуры. Организация технологической сигнализации о нарушениях критериев надежности имеет ряд особенностей: уставка сигнализации может быть переменной, т.е. ее значение изменяется в зависимости от условий работы оборудования; кроме того, сигнализация практически всегда имеет условия ввода и вывода. Очевидно, что вычисление критериев надежности (если это не прямые измерения) и формирование сигнализации должно производиться на контроллерном уровне. Результаты расчетов (вычисленные критерии надежности, факты срабатывания сигнализации) передаются в ОМ650, где отображаются на видеограммах оперативного управления, архивируются, входят в различные протоколы, а также используются при дальнейших расчетах.
Графики-задания изменения основных параметров энергоблока при пуске разрабатываются на основании типовых графиков-заданий с учетом особенностей оборудования либо на основании специальных расчетов и входят в комплект типовой пусковой документации. В состав графиков- заданий могут входить зависимости от времени следующих параметров: расхода топлива; температуры острого пара; температуры вторично перегретого пара; давления свежего пара; скорости вращения ротора турбины; активной мощности генератора. Вид перечисленных зависимостей определяется типом пуска: из холодного, из неостывшего либо из горячего состояний. В качестве объективного фактора, определяющего тип пуска, в зависимости от применяемой технологии выбирается предпусковая температура металла верха ЦВД либо ЦСД турбины.
Под автоматическим построением прогнозных графиков-заданий понимается построение на экране операторского терминала оптимального (в зависимости от выбранной предпусковой температуры) закона изменения каждого из параметров и вывод на ту же зависимость фактических значений параметров. При значительном отклонении фактического значения параметра от графика-задания предусматривается предупредительная сигнализация. Расчетные алгоритмы организуются с помощью программных модулей ОМ650. Результаты представляются посредством динамических кривых и диаграмм рабочих точек.
Целью статистической обработки информации на интервалах пуска или останова является получение итоговой постоперативной информации о нарушениях критериев надежности. При статистической обработке вычисляются максимальные и минимальные значения критериев надежности, длительности и количества их отклонений от предельно допустимых значений и др. Статистическая обработка информации производится во внешней системе по запросу пользователя. Результаты предоставляются в виде текстовых протоколов, которые импортируются в ОМ650.
Задача внедрена на энергоблоках мощностью 800 МВт Березовской и Пермской ГРЭС.
