Системы 1 автоматизации стендов и реакторных установок Александр

Системы 1 автоматизации стендов и реакторных установок Александр Коровиков Начальник отдела автоматизации систем контроля и управления филиал «Институт Атомной Энергии» РГП НЯЦ РК

2 Что такое система автоматизации? Система автоматизации это автоматизированная информационная система управления, главная задача которой выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятыми критериями управления. Система автоматизации включает в себя технологическое оборудование, средства измерительной техники, средства автоматизации, оперативный персонал (операторы, технологи, диспетчеры), которые взаимодействуя в реальном масштабе времени, управляют технологическим процессом по заданным алгоритмам.

3 Задачи систем автоматизации получение в реальном масштабе времени данных о параметрах экспериментов; выдача сообщений о неисправности узлов и агрегатов или выходе контролируемых параметров за допустимые пределы; обработка и представление на экране монитора измеряемых параметров в различных формах и с возможностью их выбора по желанию оператора; архивирование параметров состояния объектов и системных событий с целью ретроспективного анализа; формирование управляющих воздействий на агрегаты стендовой автоматики и регистрацию их текущего состояния; косвенный расчет технологических параметров совокупности показаний измерительных каналов. по

4 Требования к средствам автоматизации высокая надежность; повышенная пыле и виброзащищенность; обязательная гальваническая развязка каналов ввода вывода для аналоговых и дискретных цепей; достаточная вычислительная мощность аппаратной платформы верхнего уровня (контроллеры и станции оператора); возможность дальнейшего наращивания; соответствие международным стандартам качества; оптимальное соотношение цена/качество.

5 Структура измерительного канала Измерительные каналы – это рассредоточенное средство измерений. Рассматриваются как единые неразрывные структуры получения, обработки и представления информации о значении физической величины на основании входного сигнала модели объекта, несущего измерительную информацию

6 Виды первичных преобразователей Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Виды: 1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и др. датчики). 2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т. п. Для их работы необходим источник энергии. 3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др. ) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины.

7 Типы каналов измерения Каналы аналогового ввода – канал измерения у которого на выходе первичного преобразователя (датчика) сигнал данных, описывается непрерывными функциями времени. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т. п. Каналы дискретного ввода – канал измерения на выходе первичного преобразователя или устройства сигнал принимает дискретное значение, например логический « 0» или « 1» , включено/выключено. Каналы аналогового вывода – канал управления на выходе которого формируется токовый сигнал или аналоговый сигнал пропорциональный значению цифрового кода на входе. Каналы дискретного вывода – канал управления на выходе которого формируется сигнал принимающий дискретное значение, например логический « 0» или « 1» , включено/выключено.

8 Нормирующий преобразователь Нормирующие преобразователи это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы с клеммными соединителями или стандартный DIN рельс. Предназначены для связи сигналов, представленных в аналоговом и цифровом видах. Функции: 1) Нормализация аналогового сигнала, т. е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП; 2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. 3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и АЦП. Нормирующие преобразователи преобразуют измеряемую физическую величину в стандартный электрический сигнал, соответствующий ГОСТ 26. 011 80 и ГОСТ Р 51841 2001. Фактически в промышленной автоматизации используются следующие стандартные диапазоны аналоговых сигналов: 0. . . 10 В, 0. . . ± 10 В, 1. . . 5 В и 4. . . 20 м. А, 0. . . 20 м. А.

9 Аналогово-цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, Analog to digital converter, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой код. Разрешение АЦП— минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах. АЦП могут иметь программно переключаемые диапазоны входных сигналов. Например Двоичный 8 ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0… 255), т. к. 28=256. Диапазон входных значений от 0 до 10 В Разрядность двоичного АЦП 8 бит: 28 = 256 уровней квантования Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10 0)/256 = 0, 039 В = 39 м. В Применение в системах автоматизации: измерение физических величин (температура, ток, напряжение, давление, расход, уровень и т. д. )

10 Цифро-аналоговый преобразователь Цифро аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение). Применение в системах автоматизации: управление нагревателями, двигателями и т. д.

11 Модули дискретного ввода/вывода В системах автоматизации распространены двоичные сигналы ( « 1» или « 0» , включено/выключено), которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, датчиков заполнения емкостей, датчиков сбегания ленты на конвейере, датчиков приближения и т. д. Имеют несколько различных типов входов: вход типа "сухой контакт"; дискретный вход для логических сигналов в форме напряжения; «Сухой контакт» источник информации, не имеющий встроенного источника энергии, например, контакты реле, переключатель, кнопка и т. д. Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств, например клапан, задвижка, двигатель, насос.

12 Программное обеспечение Авторское ПО (Delphi, C++, Pascal и т. д. ); SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования. Иногда SCADA системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA системы называются интегрированными и к ним добавляют термин Soft. Logic.

13 История систем автоматизации 1 Внешний вид магнитографа Н 068 1 – Магнитный дисковый накопитель СМ-1634 Внешний вид ПРОИ СУЗ ИВГ. 1 М Внешний вид табло

14 История систем автоматизации Аппаратура «КАМАК» Устройство регистрации и преобразования информации УИМ-90 Самопишущий потенциометр КСП-4

Недостатки устаревших систем автоматизации 15 отсутствие унификации технических средств; частота опроса каналов менее одного раза в секунду; низкие эргономические показатели; низкий уровень сервиса и тестирования; жесткая конфигурация подсистемы; отсутствуют программные средства анализа и обработки экспериментальной информации; отсутствуют средства визуализации и отображения в удобном и информативном виде; отсутствуют сетевые средства информационного обмена; низкие технические и метрологические характеристики; низкая надежность.

16 Системы с одним контроллером

17 Пространственно-распределенные комплексы

18 ИИС реакторной установки ИВГ. 1 М Реактор ИВГ. 1 М Пультовая реактора ИВГ. 1 М

19 ИИС реакторной установки ИВГ. 1 М Технические характеристики ИИС ИВГ. 1 М: 1) сбор и регистрацию измерительной информации с периодом опроса каналов 0, 1; 1; 10 с; 2) вывод дискретных сигналов (на аппаратуру СКГО и САУ); 3) автономную регистрацию текущих значений измеряемых параметров по всем аналоговым и дискретным каналам с периодом регистрации на контроллерах 0, 1; 1; 60 с. Общее время регистрации не менее 10 ч; 4) дублирование каналов опроса и регистрации системы КИПи. А; 5) два сервера регистрации данных; 6) рассогласование во временных отсчетах между двумя серверами регистрации не более 100 мс; 7) функциональную независимость всех АРМ операторов и местных пультов друг от друга; 8) время готовности ИИС при включении не более 30 мин; 9) вывод информации на экран коллективного пользования; 10) печать отчётов; 11) архивирование измерительной информации.

20 ИИС реакторной установки ИВГ. 1 М Шкаф с контроллером системы САУ Сервер ИИС ИВГ. 1 М Рабочее место оператора САУ Экран коллективного пользования

21 ИИС реакторной установки ИВГ. 1 М Существующая СПИ САУ ИВГ. 1 М Существующая СПИ КИПи. А ИВГ. 1 М Существующая СПИ СУЗ ИВГ. 1 М Модернизированная САУ ИИС Модернизированная КИПи. А ИИС Модернизированная СУЗ ИИС

22 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ 1. Система управления технологическими процессами: - система управления процессом прогрева вакуумной камеры; - система охлаждения; - система вакуумирования; 2. Система цифрового управления источниками питания; 3. Информационно-измерительная система; 4. Система управления плазмой; 5. Система синхронизации.

23 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Структурная схема САЭ КТМ

24 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Структурная схема системы управления технологическими процессами

25 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Помещение пультовой токамака КТМ 1) Пульт оператора технолога; 2) Пульт ведущего физика; 3) Пульт общего управления; 4) Панель коллективного пользования. Стойки управления СУТП

26 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Структура программного обеспечения СУТП

27 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Экран системы управления процессом прогрева вакуумной камеры Экран системы охлаждения

28 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Структура СЦУ источником питания TF

29 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ План размещения шкафов СЦУ

30 Система автоматизации экспериментов токамака КТМ Стойки управления СЦУ Шкаф СЦУ ИП TF

31 Информационно-управляющая система стенда Eagle Стенд Eagle Структурная схема ИУС стенда Eagle

32 Информационно-управляющая система стенда Eagle Пультовая стенда Контроллер САУ Контроллер КИПи. А

33 Информационно-управляющая система стенда Eagle Ёмкость буферная Ёмкость расширите льная Ёмкость транспортная Экранная форма «Технологические системы» Экранная форма «Химанализ»

34 Информационно-управляющая система стенда «Ангара» Стенд «Ангара» Структурная схема ИУС стенда «Ангара»

35 Информационно-управляющая система стенда «Ангара» Пультовая стенда Ангара Экранная форма оператора стенда Оборудование ИУС (контроллер и нормирующие преобразователи)

36 ИУС имитационного стенда 1 – коллектор системы охлаждения; 2 – форвакуумный насос SH 100; 3 – турбомолекулярный насос TMU 262; 4 – камера откачки электронной пушки; 5 – электронная пушка; 6 – большая электромагнитная катушка; 7 – камера ППР; 8 – блоки питания электронной пушки; 9 – малая электромагнитная катушка; 10 – камера взаимодействия; 11 – масс спектрометр; 12 – камера загрузки образцов; 13 – блок питания катушки магнитного поля; 14 – регулятор температуры; 15 – сублимационный насос; 16 – турбомолекулярный насос TMU 521. Общий вид плазменно пучковой установки имитационного стенда

37 ИУС имитационного стенда Структура ИУС имитационного стенда

38 ИУС имитационного стенда Экранная форма оператора стенда

39 ИИС стенда ВЧГ-135 Стенд ВЧГ 135 Структурная схема ИИС ВЧГ 135

40 ИИС стенда ВЧГ-135 Стойка с основными узлами ИИС Экранная форма оператора стенда

41 ИУС установки «Корина» Внешний вид установки Схема установки

42 ИУС установки «Корина» Структурная схема ИУС стенда «Корина»

43 ИУС установки «Корина» Экран оператора стенда «Корина»

44 ИУС установки с прямоточным хлоратором Схема демонстрационной установки по переработке отработавшего бериллия

45 ИУС установки с прямоточным хлоратором Структурная схема ИУС

46 ИУС установки с прямоточным хлоратором Экран оператора установки

47 Заключение Представленные в статье решения являются одними из многочисленных возможных вариантов комплексов для автоматизации экспериментальных исследований. Однако разработанные комплексы являются примерами конкретных практических реализаций систем контроля и управления, которые могут стать прообразами систем для аналогичного оборудования и процессов. Опытно-промышленная эксплуатация созданных комплексов и систем подтверждает, что аппаратная и программная части внедренных комплексов обеспечивают требуемые показатели надежности и «качества» измерений и управления. Разработанные комплексы легко наращиваются и модернизируются. Компьютерная программа делает то, что вы прика зали ей сделать, а не то, что вы хотели, чтобы она сде лала!!! Третий закон Грира