Теплоэнергетика, 2021, № 3, стр. 67-74

ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

На рис. 1 приведена укрупненная структура типичной распределенной АСУ ТП ТМО. Условно здесь можно выделить три уровня.

Рис. 1.

Укрупненная структура АСУ ТП ТМО. УСО – устройства связи с объектом; ЗРА – запорно-регулирующая арматура; МСН – механизмы собственных нужд

На верхнем уровне находятся автоматизированные рабочие места оперативного персонала (АРМ) и серверы для сбора и хранения информации, а также сетевое оборудование Ethernet, по которому идет обмен данными между автоматизированными рабочими местами, серверами и контроллерами.

С расположенными на среднем уровне контроллерами, реализующими алгоритмы управления и защит, по полевой шине связаны модули УСО, обеспечивающие прием физических сигналов и передачу команд полевого оборудования.

На нижнем (полевом) уровне расположены датчики (для измерения температуры, давления, расхода и пр.) и исполнительные устройства (запорно-регулирующая арматура и механизмы собственных нужд). Также на рис. 1 представлены основные устройства, обеспечивающие формирование и передачу сигналов: шкафы присоединений и устройства коммутации приводов исполнительных устройств, стенды датчиков и соединительные коробки для их установки и подключения, контрольные кабели.

Кроме физической реализации на рисунке штриховыми линиями выделена логическая часть, показывающая связь между полевым и контроллерным уровнями, которая представляется в виде таблиц подключения сигналов к каналам модулей УСО.

Описание всех компонентов АСУ ТП содержится в проектной документации. Все указанные стадии создания АСУ ТП для эксплуатации, в конечном итоге, сводятся к двум основным: разработка схемной документации, содержащей также таблицы подключения сигналов, и программирование ПТК (мнемосхемы АРМ, программы контроллеров, описание цифрового обмена и пр.). Программирование ПТК в данной статье не рассматривается. Будет представлена схемная документация, на базе которой может быть сформирована основа цифрового двойника.

ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Разработка схемной документации нижнего и среднего уровней АСУ ТП ведется в большинстве проектных организаций практически вручную, хотя и с использованием универсальных текстовых и графических компьютерных редакторов (Word, Еxсel, AutoCAD и др.). Объем документации зачастую составляет тысячи листов, подготовка значительной ее части – рутинная работа по созданию однотипных схем (для типового энергоблока 200 МВт это более 3000 сигналов и более 400 единиц запорно-регулирующей арматуры и механизмов собственных нужд), которая может быть выполнена с помощью САПР.

Отдельно следует отметить, что на рынке программных продуктов САПР представлены средства для автоматизации проектирования АСУ ТП. Например, импортные системы SmartPlant [11] и EPLAN PPE [12] позволяют описывать подсистемы измерения, автоматики и защит, включая принципиальные и монтажные схемы. Они изначально ориентированы на использование проектной базы данных при эксплуатации объекта автоматизации и содержат развитые средства навигации по проектной документации. Однако эти средства рассчитаны, в основном, на работу с каналами измерения и индивидуальное описание каждого канала. Отечественная САПР AutomatiCS [13] имеет развитые средства синтеза монтажных схем, однако требует значительных временных затрат для предварительной настройки среды проектирования из-за использования непривычной для проектировщика терминологии.

Опыт проектных институтов и организаций показывает, что внедрение специализированных САПР поначалу резко тормозит работу подразделений, а процесс перехода от привычного проектирования к полноценной работе в САПР с заданными шаблонами занимает от 6 до 18 мес в зависимости от масштабов проектной группы и проектного института.

Отличительная особенность САПР ТАИ заключается в том, что она создана разработчиками АСУ ТП, имеющими большой опыт не только в проектировании, но и во внедрении программно-технических комплексов АСУ ТП согласно действующей нормативно-технической документации. Следует выделить следующие особенности САПР ТАИ, которые позволяют пользователям быстро осваивать программный продукт, а также сокращают время на проектирование и выпуск документации:

1. Применение общепринятой терминологии: контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА), запорно-регулирующая арматура (ЗРА), механизмы собственных нужд (МСН), термосопротивление (ТС), термопара (ТП), ряды клеммных зажимов, трубные проводки и пр.

2. Наличие базового набора схем трубных проводок, охватывающего 100% объема схем для ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС и др. (схемы подключения датчиков давления, расхода, уровня и пр.).

3. Единая база данных (БД) проекта, обеспечивающая 100%-ный контроль над версионностью проектных работ. Актуальное отображение всех подключенных к ПТК сигналов, количество резервных каналов по каждому отдельно взятому типу (термопары, термосопротивления, унифицированные аналоговые сигналы, дискретные входы и выходы и пр.) – все это избавляет проектировщика от рутины и помогает службе эксплуатации оперативно находить в проекте свободные клеммы для подключения новых сигналов.

4. Отсутствие необходимости отмечать всю информацию по измеряемому параметру для отображения его в системе. Для формирования перечня сигналов достаточно указать уникальный номер датчика (KKS), а остальные поля можно заполнять по мере поступления данных о выборе производителя оборудования или необходимости формирования сводной спецификации на закупку оборудования.

5. Проверка БД на наличие коллизий [присутствие в БД проекта позиций с одинаковыми KKS-номерами, наличие в наименованиях кириллических или латинских символов (зависит от того, в какой кодировке должен выпускаться проект)].

МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рассматриваемая САПР ТАИ ориентирована на разработку проектов нижнего (полевого) и среднего уровня ПТК АСУ ТП и обеспечивает их бесшовную интеграцию. В процессе проектирования создается и формируется комплексная база данных, описывающая схемную и информационную части проекта, которая может использоваться в качестве цифрового двойника на этапе эксплуатации. Система автоматизированного проектирования тепловой автоматики и измерений имеет интуитивно понятный интерфейс, а также использует стандартный лексикон, общепринятый в среде разработчиков и эксплуатационного персонала АСУ ТП и КИПиА, что обеспечивает простоту навигации по проекту. База данных хранится в универсальном формате MS ACCESS. Графическая информация выводится из САПР в графическом виде в формате *.dwg. Чертежи при проектировании формируются автоматически в графическом редакторе AutoCAD или его более бюджетных аналогах, а на этапе эксплуатации для быстрого просмотра может использоваться бесплатная версия программы nanoCAD.

Пользователь работает в табличном редакторе и для формирования графической части проекта может выводить данные в отдельные самостоятельные документы, что избавляет проектировщиков от рутинной работы по созданию однотипных чертежей вручную и исключает при этом возможные ошибки.

Основой системы автоматизированного проектирования служит база данных проекта, представляющая собой взаимно интегрированные БД, алгоритмическое обеспечение и средства управления проектом, с помощью которых генерируется выходная документация и осуществляется навигация по проекту. На рис. 2 приведены укрупненная структура БД проекта, ее связь с БД САПР и информационные потоки при разработке проекта. Стрелки показывают последовательность использования данных. Линии связи в БД проекта фактически отражают схему данных, из которой видно, что вся информация взаимосвязана и на ее основе могут быть сформированы запросы с различным сочетанием атрибутов. Ввод данных в различные разделы проекта может осуществляться параллельно по мере его разработки. Следует отметить, что практически во всех разделах данные используются совместно. Например, при разработке кабельных связей нужны списки соединяемых устройств, а при формировании таблиц заполнения шкафов присоединений – перечень исполнительных устройств и т.д.

Рис. 2.

Формирование проекта в САПР ТАИ

Для разработки проектной документации характерно многократное использование одной и той же информации в различных формах в разных документах. Например, описание измеряемого параметра при формировании перечня параметров затем присутствует в спецификации на заказываемую аппаратуру, в схемах кабельных и трубных соединений, в таблицах и схемах подключения сигналов к ПТК. Поэтому одним из важнейших факторов, обеспечивающих повышение эффективности процесса проектирования при работе с САПР ТАИ, является однократный ввод информации с возможностью ее последующего использования в различных документах.

ПЕРЕХОД К ЦИФРОВОМУ ДВОЙНИКУ

В результирующей БД проекта легко может быть получена комплексная информация об управлении любым исполнительным устройством, что позволяет быстро решить задачу поиска данных, рассмотренную в начале статьи.

По законченной БД проекта генерируются чертежи рабочей документации. В САПР ТАИ включены специальные средства для хранения чертежей в принятой у заказчика системе документооборота. При этом сохраняется связь документов с объектами проекта, что позволяет оперативно находить нужные чертежи. Возможность вывода информации из САПР ТАИ может облегчить труд даже на заводе – изготовителе шкафов, при монтаже и наладке АСУ ТП непосредственно на объекте. Вывод информации из САПР ускоряет сборку шкафов управления на заводе-изготовителе, позволяя выводить на печать специализированных принтеров нумерацию клемм, реле, маркировку кембриков и пр., а также сокращает время на печать бирок для маркировки кабельной продукции и кембриков для маркировки жил проводов.

Создание цифрового двойника в настоящее время – это в большей мере описание (оцифровка) действующего производства. Цифровой двойник не формируется при разработке нового объекта, а является результатом труда узкоспециализированной организации, часто даже не имеющей опыта в проектировании и весьма далекой от разработки документации по внедрению ПТК АСУ ТП. При использовании САПР ТАИ цифровой двойник – это следствие деятельности проектной организации по подготовке рабочей документации. Получившаяся в итоге модель нижнего и среднего уровней на 100% соответствует конечным решениям в проекте, реализованном на объекте. Также следует отметить, что возможна и другая постановка задачи – создание цифрового двойника по существующей реализации ПТК АСУ ТП (авторам неоднократно приходят подобные запросы). С этой задачей САПР ТАИ справляется как нельзя лучше. Формирование БД по существующему проекту хоть и отличается от создания нового и имеет свои нюансы, но, тем не менее, также позволяет достичь фактически 100%-ного результата по цифровизации производственного процесса.

В настоящее время САПР ТАИ активно применяется для проектирования различных объектов с реализацией как нижнего, так и среднего и верхнего уровней ПТК АСУ ТП. На текущий момент в среде разработки реализовано более ста объектов тепловой энергетики. Из них можно выделить следующие:

реконструкция энергоблоков ст. № 3–7 ТЭЦ-25 Мосэнерго с внедрением ПТК Siemens SPPA-T3000; те же самые энергоблоки через несколько лет переведены на ПТК ТЕКОН также с применением САПР ТАИ (рабочая документация выпускалась полностью в САПР ТАИ);

внедрение ПТК АСУ ТП на энергоблоке ст. № 2 Ириклинской ГРЭС (турбина К-300-23.5 и дубль-блок);

реконструкция Владивостокской ТЭЦ-2 с переводом котлоагрегатов ст. № 1–10 (БКЗ-210-13.8) на сжигание природного газа;

реконструкция турбоагрегата ст. № 8 (Т-100-13) Курганской ТЭЦ-1 с внедрением ПТК АСУ ТП (1400 сигналов).

Современные компьютеры покоряют все новые уровни, решая вычислительные задачи любой сложности и помогая людям автоматизировать практически все аспекты своей деятельности. При этом автоматизированные системы хотя и хорошо регламентированы для ТЭС и ТЭЦ и имеют уникальную методическую базу, но пока все же не позволяют даже современным компьютерам (и программным комплексам) автоматически создавать проекты ПТК АСУ ТП по управлению турбо- и котлоагрегатами. До сих пор не обойтись без использования интеллектуального труда высококлассных специалистов в области как разработки оборудования для полевого уровня, так и программирования. Для повышения производительности труда инженерным кадрам, как показывает опыт, требуются качественные средства автоматизации, позволяющие освободить персонал от рутинных операций и сделать упор на концептуальные аспекты по созданию систем управления.

ВЫВОДЫ

1. Разработка проектов с применением САПР ТАИ позволяет избавиться от длительного монотонного труда, повысить качество составляемой документации, сократить время, затрачиваемое на создание проектов (по сравнению с обычными методами работы), на 40%, а серийных объектов – на 80%.

2. Формируемая при проектировании в САПР ТАИ база данных проекта является основой для использования в качестве цифрового двойника АСУ ТП тепломеханического оборудования ТЭС.

3. Передача базы данных в цех тепловой автоматики и измерений и службы эксплуатации в качестве цифрового двойника и использование ее совместно с программной оболочкой САПР ТАИ позволяют существенно упростить поиск необходимой информации и обеспечивают актуализацию системы при расширении, модернизации или реконструкции АСУ ТП во время эксплуатации.

4. Работа с единой базой данных дает возможность поддерживать актуальность цифрового двойника на всех этапах жизненного цикла по созданию и эксплуатации программно-технического комплекса АСУ ТП.