"Торнадо-ТМ" в АСУ ТП электроэнергетики
ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Как известно, значительная часть инфраструктуры энергетического комплекса России нуждается в коренной модернизации в связи с тем, что оборудование физически изношено и морально устарело. Внедрение современных АСУ ТП стало сегодня насущной необходимостью, однако при этом приходится решать ряд не только технических, но и организационных проблем.
Давно сложившаяся организационная структура предприятий энергосети подразумевает разделение подсистем телемеханики, релейной защиты и автоматики (РЗА) и коммерческого учета электроэнергии на практически независимые части с собственным эксплуатирующим и обслуживающим персоналом. Функционирование трех фактически не связанных друг с другом подсистем в рамках одного предприятия приводит к тому, что происходит многократный ввод одной и той же информации, а это уже само по себе противоречит одному из основных принципов создания АСУ ТП - однократному вводу информации с последующим ее многократным использованием. Таким образом, налицо противоречие между структурой современных универсальных АСУ ТП и сложившейся практикой автоматизации предприятий энергосетей. Игнорирование существующей организационной структуры и технологических особенностей различных подсистем при создании АСУ ТП недопустимо, в то же время "консервация" разделения подсистем не учитывает тенденции развития современных АСУ ТП. Одним из путей устранения данного противоречия является пересмотр сложившихся решений (но не тенденций!) в области АСУ ТП и создание комплексов, учитывающих имеющиеся организационные и технологические особенности предприятий энергосетей. Именно такой адаптированной АСУ ТП и является комплекс "Торнадо-ТМ", разработанный в прошлом году новосибирской компанией "Модульные системы "Торнадо"" (МСТ, www.tornado.nsk.ru). Буквы "ТМ" в его названии означают "телемеханика", хотя возможности комплекса значительно шире традиционного понимания этого термина.
Архитектура комплекса "Торнадо - ТМ"
В настоящее время в западных странах формируется новая архитектура АСУ ТП подстанции (рис. 1). В ее основе лежит использование интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ; в зарубежной литературе применяется аббревиатура IED - Intelligent Electronic Device), в качестве которых рассматриваются мониторы выключателей (по функциям аналогичны устройствам ION, ПЦ-6806), микропроцессорные устройства РЗА, регистраторы аварийных ситуаций и др. Все эти ИЭУ должны поддерживать современный цифровой протокол связи и иметь минимум два физических интерфейса. В качестве основного интерфейса для организации сети подстанции рассматривается Ethernet. Переход на сети этого стандарта обусловлен во многом тем, что существующие сегодня сети других типов (ModBus, SpaBus и др.) в силу ограничений по скорости и архитектуре протоколов не могут применятся для реализации функций управления по цифровым каналам. Основным протоколом внутреннего подстанционного обмена данными в сети Ethernet служит IEC-61850, а основным протоколом связи с диспетчерскими центрами - IEC-61870.
Рис. 1. Современная архитектура АСУ ТП подстанции
Важное отличие данной архитектуры от действующих в России автоматизированных систем дистанционного управления (АСДУ) - фактическое отсутствие подсистемы телемеханики, в англоязычной терминологии - устройств удаленных терминалов (RTU, Remote Terminal Unit). Ее функции возложены на концентраторы данных, которые могут быть созданы на основе как промышленных контроллеров, так и промышленных PC-совместимых компьютеров. Эти устройства фактически осуществляют интеграцию на программном уровне всех оперативных и неоперативных данных, их обработку и анализ. Под оперативными данными принято понимать массивы информации, необходимые для выполнения функций диспетчерского управления, вся остальная информация относится к неоперативным данным.
Опыт применения на Западе АСУ ТП подстанций с такой архитектурой показал, что внедрение цифровых интеллектуальных устройств имеет и положительные, и отрицательные стороны. Так, отказ одного устройства приводит к потере сразу целого набора данных: измерений, телесигналов и др. Поэтому одной из важных составляющих АСУ ТП является подсистема мониторинга состояния ИЭУ, которая может быть реализована как в виде отдельного модуля, так и в рамках концентратора данных. Подсистема мониторинга следит за исправностью интеллектуальных электронных устройств, для чего может использоваться избыточность данных, собираемых АСУ ТП, а также выполняться сопоставление измеренных данных с данными динамической модели подстанции.
Таким образом, при данной структуре системы фактически стирается грань между службами связи, телемеханики и РЗА.
Перед компанией МСТ, как разработчиком АСУ ТП электрической части энергообъектов, стояла задача создания архитектуры и технических решений, на основе которых можно было бы строить самые современные системы управления западного образца, системы управления, объединяющие новые интеллектуальные электронные устройства и существующие средства измерений, а также традиционные для отечественной энергетической отрасли системы АСДУ. Такой разработкой стал "Торнадо-ТМ". Хотя главное назначение этого комплекса - построение на его основе систем АСДУ, архитектура "Торнадо-ТМ" и заложенные в нем технические решения позволяют рассматривать его как основу организации полномасштабных АСУ ТП. Комплекс имеет переменный состав функциональных блоков, необходимых для получения требуемых конфигураций каналов ввода-вывода и реализации конкретных функций и задач. Структура программно-аппаратных средств "Торнадо-ТМ" показана на рис. 2.
Рис. 2. Структура “Торнадо-ТМ”
Аппаратные средства комплекса созданы на основе собственных разработок компании - контроллеров серий MIC и MIRage. В процессорных модулях контроллеров используются процессоры MPC 860T/66 компании Motorola (www. motorola.com). Максимальный объем оперативной памяти процессорных модулей - 128 Мб, максимальный объем флэш-памяти - 32 Мб.
Контролируемые пункты
На нижнем уровне комплекса "Торнадо-ТМ" находятся контролируемые пункты "Торнадо-КП", предназначенные для сбора и передачи телемеханической информации и управления оконечным оборудованием. Оборудование контролируемого пункта в зависимости от масштаба объекта управления может содержать до нескольких сотен каналов телеизмерений, телесигнализации и телеуправления, при этом вне зависимости от объема поступающей информации должно обеспечиваться гарантированное время обработки сигналов. Некоторые объекты должны оснащаться АСУ ТП, которая интегрирует различные подсистемы. Для удовлетворения этих требований были предложены две архитектуры: централизованно-распределенная и полностью распределенная.
Централизованно-распределенная архитектура строится на основе высокопроизводительной шины СХС. Процессорный модуль, модули-носители с субмодулями обработки информации (АЦП, регистрации телесигнализации, субмодули сети RS-485 и т. д.) устанавливаются в крейт форм-фактора 3U. Использование субмодулей сети RS-485 или универсальных модулей цифрового ввода-вывода PB-TPU позволяет организовать до 22 сетей RS-485. Модули телеуправления серии MIRage подключаются к центральному модулю по сети RS-485. Для расширения числа каналов телесигнализации и телеизмерений могут быть задействованы соответствующие модули ввода-вывода серии MIRage.
Аппаратное обеспечение централизованно-распределенной архитектуры дает возможность регистрировать большое количество параметров в реальном времени, поскольку в этой архитектуре основной магистралью передачи данных является высокоскоростная шина СХС. Кроме того, благодаря использованию быстродействующих модулей АЦП можно создать на базе этой архитектуры регистратор аварийных ситуаций.
Применение централизованно-распределенной архитектуры для аппаратуры контролируемого пункта необходимо в следующих случаях:
- при большом объеме телеизмерений и телесигнализации;
- при реализации функций регистрации аварийных событий;
- при построении полномасштабной АСУ ТП контролируемого объекта.
Основной магистралью передачи данных распределенной архитектуры служит сеть RS-485. Процессорный модуль MIRage обеспечивает создание до трех дублированных или шести недублированных сетей RS-485. Эти сети могут быть использованы как для подключения модулей ввода-вывода серии MIRage, так и для подключения других микропроцессорных устройств. Процессорный модуль и модули ввода-вывода серии MIRage могут устанавливаться и в одном шкафу, и в разных, что обеспечивает возможность построения территориально распределенной системы. Отличительной особенностью распределенной архитектуры является возможность резервирования процессорного модуля.
Обе архитектуры обладают следующими общими возможностями:
- настройка приоритета опроса модулей ввода-вывода для удовлетворения требований по скорости обработки информации;
- реализация механизма Plug and Play на уровне контролируемого пункта, который обеспечивает автоматическое присвоение телемеханических адресов при добавлении модулей ввода-вывода;
- "горячая" замена модулей MIRage;
- дублированные сети RS-485 для подключения модулей MIRage;
- интерфейсы Fast Ethernet и RS-232 на процессорных модулях;
- поддержка веб-интерфейса для диагностики и конфигурирования.
Пример структурной схемы контролируемого пункта показан на рис. 3. В основном блоке комплекса располагаются процессорное устройство (крейт MIC-контроллера с шиной CXC или MIRage-CPU), система электропитания, блоки полевых интерфейсов. Для наращивания количества каналов телемеханики используются дополнительные шкафы блоков телеизмерений (БТИ), телесигнализации (БТС) и телеуправления (БТУ), реализованные на основе модулей распределенного ввода-вывода серии MIRage. Основной шкаф КП соединяется со шкафами БТИ, БТС или БТУ с помощью дублированной сети RS-485, работающей по протоколу ModBus RTU.
Рис. 3. Пример структурной схемы “Торнадо-КП”
Центральная приемопередающая станция
Хотя контролируемые пункты способны функционировать автономно, при создании полномасштабной современной АСУ ТП они должны быть связаны с ПО верхнего уровня. Кроме того, в комплексной АСУ ТП может применяться несколько контролируемых пунктов - например, по одному пункту на каждый блок подстанции. Роль промежуточного звена между контролируемыми пунктами и ПО верхнего уровня в архитектуре компании МСТ выполняет центральная приемопередающая станция (ЦППС).
Наличие ЦППС подразумевает использование централизованно-распределенной архитектуры контролируемых пунктов. В этом случае применяются универсальные субмодули цифрового ввода-вывода PB-TPU. Максимальный объем резервированной ЦППС - 96 направлений. Для резервирования служат два комплекта оборудования на 96 каналов каждый, а также модуль коммутации. Отображение информации о положении коммутационных аппаратов обеспечивают контроллеры диспетчерского щита MIRage-FOK, подключаемые к ЦППС по сети RS-485.
ПО верхнего уровня
Верхний уровень комплекса "Торнадо-ТМ" включает в себя два независимых программных компонента - "Торнадо-ОИК" и "Торнадо-ИНТЕГРА". В роли ядра системы выступает еще одна разработка компании - сервер приложений реального времени, способный поддерживать базу данных реального времени объемом в несколько десятков тысяч переменных.
"Торнадо-ОИК" представляет собой оперативно-информационный комплекс, созданный на основе современных веб-технологий. Он обладает всей необходимой функциональностью для реализации задач автоматического диспетчерского управления, среди которых:
- визуализация текущей схемы подстанции (положение коммутационных аппаратов, отображение текущих значений контролируемых параметров);
- выдача команд телеуправления;
- регистрация событий (переключение коммутационных аппаратов, превышение предупредительных или аварийных пределов значений контролируемых параметров, контроль связи с контролируемыми пунктами);
- ведение журнала событий;
- разграничение прав пользователей системы.
"Торнадо-ИНТЕГРА" (программный комплекс, нацеленный на интеграцию данных, конфигурирование и управление интеллектуальными микропроцессорными устройствами. К его основным функциям относятся:
- формирование библиотеки технических объектов предприятия;
- формирование иерархической структуры предприятия;
- визуализация текущего состояния объектов;
- ведение журналов изменения состояния объектов;
- конфигурирование и работа с цифровыми интеллектуальными устройствами (РЗА, РАС, счетчики электроэнергии и т. д.);
- работа с осциллограммами;
- отслеживание информации по текущему обслуживанию оборудования;
- контроль ресурса оборудования (количество срабатываний выключателей и реле и т. п.);
- привязка файлов с документацией и другой информацией к техническим объектам предприятия.
Программные компоненты этого комплекса могут устанавливаться как на диспетчерских пунктах, так и на переносных автоматизированных рабочих местах (АРМ) оперативно-выездных бригад.
Применение "Торнадо-ТМ" при создании АСУ ТП
Как было сказано выше, одной из целей создания комплекса "Торнадо-ТМ" являлась возможность поэтапного перехода к современной АСУ ТП без кардинальной ломки устоявшейся организационно-технической структуры предприятий. Пример АСУ ТП, архитектурно близкой западным стандартам (рис. 1), но допускающей максимально широкое использование и поэтапную модернизацию существующего оборудования, приведен на рис. 4. Наряду с ИЭУ, внедренными на тех объектах, где какая-либо автоматизация ранее отсутствовала или где уже проведена полная модернизация, применяются старые датчики и исполнительные механизмы, через цифровые преобразователи подключаемые к контролируемому пункту "Торнадо-КП", который выполняет первичный сбор и обработку данных. По дублированной сети Ethernet происходит обмен информацией между ИЭУ, контролируемыми пунктами и концентратором данных, причем с точки зрения концентратора контролируемый пункт эквивалентен ИЭУ. По мере возможности и необходимости старое оборудование заменяется на современные ИЭУ, при этом не возникает нужды во внесении существенных изменений в другие компоненты АСУ ТП.
Рис. 4. Пример архитектуры АСУ ТП подстанции на базе “Торнадо-ТМ”
На сегодняшний день комплексы "Торнадо-ТМ" уже применяются на Бурейской ГРЭС, в Новосибирскэнерго и на ряде других предприятий энергетического комплекса.
