Создание учебно-исследовательской лаборатории АСУ ТП по подготовке и переподготовке специалистов

Автоматизация и ИТ в энергетике №7/2010

Статья опубликована в журнале Автоматизация и ИТ в энергетике №7/2010

Угреватов В.Ю., к.т.н., инженер АСУ ТП

Потребность современного производства в специалистах, владеющих технологиями автоматизированного проектирования и эксплуатации систем управления с использованием SCADA-систем и программно-технических средств на базе промышленных контроллеров, интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов, постоянно растет. Это обстоятельство вызывает необходимость более глубокой и специализированной подготовки бакалавров и магистров в направлении «Автоматизация и управление» и требует значительных затрат времени и средств с привлечением высококвалифицированного    обслуживающего инженерно-технического и преподавательского персонала.

Управление и сбор данных с помощью SCADA-систем в настоящее время является основным и наиболее перспективным методом автомати­зированного управления сложными динамическими объектами. Для изучения современных SCADA-систем необходимо знание практически всех специальных дисциплин, входящих в курс по подготовке дипломированного специалиста 651900 «Автоматизация и управление». Следовательно, будет верным и обратное  утверждение – использование SCADA-систем в учебном процессе позволит повысить эффективность  изучения специальных   дисциплин. 

Наиболее значимые методические цели, реализация которых оправдывает внедрение SCADA-систем в процесс обучения:

• использование современных компьютерных технологий
• индивидуализация и дифференциация процесса обучения за счет возможности поэтапного продвижения к цели по линиям различной сложности
• осуществление контроля за процессом обучения с оценкой результатов
• осуществление самоконтроля и самообучения
• обеспечение возможности тренажа
• наглядность в демонстрации динамики изучаемых процессов
• усиление мотивации обучения за счет графических и изобразительных средств программы
• широкие возможности проведения тренингов по возникающим ситуациям на стадии проектирования, наладки и эксплуатации систем управления
• формирование у студентов стратегий усвоения учебного материала.

Рисунок 1 – Программно-технический комплекс

Для достижения поставленных задач фирмой «КРУГ» совместно с Пензенским государственным университетом разработан учебный программно-технический комплекс (ПТК) для учебно-исследовательских лабораторий (рисунок 1), включающий в себя:

• два лабораторных технологических стенда («Тепловой объект» и «Гидравлический объект»), имеющие как аналоговые (16), так и дискретные (5) входы и выходы
• контроллерное оборудование (рисунок 2), к которому подключаются технологические стенды
• кафедральную вычислительную сеть
• несколько персональных компьютеров, реализующих функции рабочих станций  с программным обеспечением SCADA КРУГ -2000® и  HMI DataRate™.

Рисунок 2  – Контроллерное оборудование (пример)

Цели создания

Цели создания лаборатории можно разбить на общеобразовательную, практическую и обслуживающую (создающую основу для дальнейшего образования).
Общеобразовательная цель – познакомить учащихся с новыми фундаментальными понятиями, терминами и функциями, составляющими основу новых информационных технологий, познакомить с назначением и возможностями различных устройств, входящих в состав компьютерных систем.
Практическая цель – отработка практических навыков работы с техническим и программным обеспечением, отработка технологических приемов использования компьютерных систем при проектировании и эксплуатации современных автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Обслуживающая цель – заложить основу для совершенствования учебно-методической и дидактической базы при изучении специальных дисциплин.

Архитектура

Архитектура типовой лаборатории представлена на рисунке 3.

Лаборатория построена по иерархическому принципу и представляет собой трёхуровневую структуру, состоящую из двух подсистем – подсистемы «Гидравлический объект» и подсистемы «Тепловой объект» – с единым сервером технологических данных. Обмен данными между подсистемами учебно-исследовательской лаборатории осуществляется по сети Ethernet 10/100.
Нижний уровень подсистемы «Гидравлический объект» представлен технологическим объектом, моделирующим гидравлические, термодинамические и процессы транспорта жидкости.
Нижний уровень подсистемы «Тепловой объект» представлен технологическим объектом, моделирующим теплообменные процессы.

Рисунок 3 – Архитектура учебно-исследовательской лаборатории

Средний уровень представлен промышленным контроллерным оборудованием, монтируемым на отдельную стойку.

• сбор и первичную обработку данных для передачи на верхний уровень
• выдачу управляющих воздействий
• противоаварийную защиту и  блокировку
• автоматическое регулирование ряда контролируемых параметров.

Верхний уровень лаборатории включает автоматизированные рабочие места (АРМ) студентов и преподавателя, программное обеспечение которых построено на основе SCADA/HMI.

АРМ преподавателя, выполненное в виде сервера технологических данных, предназначено для следующих функций:

• непосредственный обмен данными со средним (контроллерным) уровнем
• накопление, обработку и анализ информации о ходе технологического процесса
• формирование отчетной документации
• программирование и конфигурирование контроллерного оборудования
• настройку контуров регулирования, изменение режимов работы регуляторов («автоматический» – регулирование по ПИД-закону; «ручной дистанционный» – управление исполнительным механизмом вручную)
• протоколирование всех действий студентов
• и другие.

АРМы студентов, являющиеся клиентами сервера технологических данных, обеспечивают:

• обмен данными с сервером технологических данных (АРМ преподавателя)
• обработку и анализ информации о ходе технологического процесса
• просмотр отчетной документации
• программирование и конфигурирование контроллерного оборудования
• настройку контуров регулирования, изменение режимов работы регуляторов («автоматический» – регулирование по ПИД-закону. «ручной дистанционный» – управление исполнительным механизмом вручную)
• и другие.

На всех АРМ имеется возможность внесения изменений в предлагаемый человеко-машинный интерфейс (рисунок 4) или разработки нового.

Рисунок 4 – Интерфейс пользователя стенда «Гидравлический объект»

Кроме того, на АРМ преподавателя при необходимости может быть установлено дополнительное программное обеспечение Web-контроль, обеспечивающее удаленный доступ к человеко-машинному интерфейсу системы по сети Internet/Intranet.
Для этих целей на удаленном компьютере, подключенном к сети Internet/Intranet, достаточно иметь любой Web-браузер (например, Internet Explorer). Подключение к Web-серверу защищается паролем.

Выводы

Одним из важных достоинств представляемого лабораторного комплекса является тот факт, что комплекс может быть легко расширен и дополнен новым контроллерным оборудованием и программным обеспечением практически любых фирм-производителей, а также другими стендами, моделирующими физические объекты.
Следует отметить, что программное обеспечение SCADA КРУГ-2000® и HMI DataRate™, применяемое на верхнем уровне,  совместимо с новейшим программным и техническим обеспечением и имеет возможность дальнейшего наращивания представленной архитектуры аудиовизуальными и телекоммуникационными средствами.

По желанию Заказчика возможно изготовление и установка учебного оборудования. В комплект поставки входит необходимый методический материал.

Технические и функциональные характеристики

ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА

Программное обеспечение

SCADA КРУГ-2000^® – программное обеспечение автоматизированных рабочих мест  подсистемы «Гидравлический объект».
Характеристики АРМ:

• Количество мнемосхем ограничено ресурсами GDI операционной системы
• Гарантированное время обновления экрана – 1 сек
• Протоколирование всех событий, происходящих в системе, с архивированием на жёсткий диск
• Ведение трендов с дискретностью записи от 1 сек до 1 суток
• Время хранения архивных данных (трендов и событий) ограничено объемом жесткого диска серверной станции
• Просмотр состояния схем регулирования
• Выполнение различных прикладных задач
• и другие.

HMI DataRate™ – программное обеспечение автоматизированных рабочих мест    подсистемы «Тепловой объект» и преподавателя – имеет следующие характеристики:

• Клиент-серверная архитектура с возможностью подключения к серверу DataRate до 100 клиентов
• Обмен данными с любыми устройствами связи с объектом, для которых существует OPC DA/HDA-сервер
• Обмен данными с реляционными базами данных и офисными приложениями (MS Excel)
• Управление с помощью Web-интерфейса
• Количество графических динамических элементов в графическом проекте – до 50000
• Ведение трендов с минимальным периодом заполнения, не превышающим 0,5 сек
• Период времени обновления информации в окне – не более 250 мсек
• Количество скриптов – до 5000
• и другие.

Web-контроль обеспечивает подключение удаленных клиентов с помощью сети Internet/Intranet с функциями управления. Для работы клиентов необходим лишь доступ к сети Internet/Intranet и Web-браузер. Подключение удаленных клиентов к Web-серверу защищается паролем.

Рисунок 5 – Стенд «Гидравлический объект»

УЧЕБНЫЙ Стенд «Гидравлический объект»

Учебный стенд «Гидравлический объект» (рисунок 5) предназначен для моделирования гидравлических и термодинамических технологических процессов и может быть использован для построения учебных систем управления такими процессами.

Использование данного стенда в учебном процессе позволит подготовить высококвалифицированных специалистов для работы в нефтеперерабатывающей и химической  промышленности, энергетике, водоподготовке, а также специалистов для разработки и эксплуатации систем жизнеобеспечения зданий и сооружений, систем пожаротушения и других систем промышленной автоматизации.

Состав

Стенд (рисунок 6) состоит из:

• четырех емкостей: двух резервуарных (№3,4), выполненных как сообщающиеся сосуды, и двух контрольных емкостей (№1,2)
• полупогружного насоса с частотным приводом, установленного на емкости №4 и перекачивающего жидкость из резервуарных емкостей в контрольные
• устройство контроля минимального уровня в резервуарных емкостях для обеспечения защиты насоса от работы «всухую»
• датчика избыточного давления на выкиде насоса
• трех устройств контроля расхода жидкости с разными методами измерения (ультразвуковой, электромагнитный и переменного перепада давления)
• двух устройств контроля перелива жидкости из емкостей №1,2 (реле протока)
• нагревательного элемента (тэн), установленного в емкости №1
• двух датчиков температуры жидкости в контрольных емкостях №1,2
• двух устройств измерения уровня жидкости гидростатическим методом (датчик  избыточного давления) в контрольных емкостях №1,2
• трех регулирующих клапанов с электроприводами для управления скоростью слива жидкости из контрольных емкостей №1,2 в резервуарную емкость №4, а также из емкости №1 в емкость №2
• двух вентилей с ручным приводом.

 

Рисунок 6 - Схема стенда «Гидравлический объект»

Основные возможности

Стенд «Гидравлический объект» позволяет:

• осуществлять местный и дистанционный контроль и измерение основных технологических параметров:
  • температуры в емкостях №1,2
  • уровня жидкости в емкостях №1,2 гидростатическим методом (датчик избыточного давления), а в емкостях №3,4 – с помощью дискретного емкостного датчика (защита насоса от работы «всухую»)
  • расхода жидкости тремя методами: ультразвуковым, электромагнитным и измерения переменного перепада давления на сужающем устройстве
  • давления на выкиде насоса
  • протока жидкости через переливные трубы из емкостей №1,2 (реле протока)
• осуществлять местное и дистанционное управление исполнительными механизмами:
  • полупогружным насосом с частотным приводом с помощью унифицированного аналогового сигнала тока или напряжения
  • тремя регулирующими клапанами с помощью унифицированного аналогового сигнала тока или напряжения
  • нагревательным элементом (тэном) с помощью дискретных сигналов (включить/отключить)
• строить контуры регулирования технологических параметров различной сложности, в том числе реализовывать каскадное регулирование.

УЧЕБНЫЙ Стенд «Тепловой объект»

Рисунок 7 – Стенд «Тепловой объект»

Учебный стенд «Тепловой объект» (рисунок 7) предназначен для моделирования теплообменных процессов, а также для построения систем управления такими процессами.

 

Использование данного стенда в учебном процессе позволит подготовить высококвалифицированных специалистов для работы в химической промышленности, энергетике, металлургии, а также специалистов для разработки и эксплуатации систем жизнеобеспечения зданий и сооружений, систем пожаротушения и других систем промышленной автоматизации.

Рисунок 8 – схема «Теплового объекта»

Состав

Стенд (рисунок 8) состоит из:

• термоизолированного корпуса цилиндрической формы
• нагревательного элемента (инфракрасная лампа накаливания) с тиристорным регулятором
• вентилятора с тиристорным регулятором
• четырехпозиционной заслонки с ручным приводом
• двух датчиков температуры, расположенных до и после заслонки.

 Основные возможности

Стенд «Тепловой объект» позволяет осуществлять:

• дистанционное измерение температуры до и после заслонки
• дистанционное управление исполнительными механизмами:
  • нагревательным элементом (накалом инфракрасной лампы) с помощью унифицированного аналогового сигнала тока, подаваемого на тиристорный регулятор
  • скоростью вращения вентилятора с помощью унифицированного аналогового сигнала тока, подаваемого на тиристорный регулятор
• строить контуры регулирования технологических параметров различной сложности, в том числе реализовывать каскадное регулирование.