Программируемый логический контроллер в ИУС гликолевой осушки газа
Обоснование выбора контроллера
Программируемый логический контроллер является важным звеном в автоматизированных системах управления технологическими процессами. ПЛК отвечает практически за всю логику автоматики технологического процесса в режиме реального времени.
Для выбора ПЛК руководствуются в основном следующими критериями:
- быстродействие ПЛК, которое означает минимальное время выполнения цикла, которое напрямую зависит мощности процессорного модуля. Быстродействие ПЛК можно оценить только после написания всех программ обработки данных, алгоритмов управления и обмена информацией с другими устройствами системы;
- наличие встроенных интерфейсов и возможность дополнения интерфейсам с помощью коммуникационных модулей для соединения с другими элементами системы;
- модульность – структура, позволяющая гибко конфигурировать ПЛК под различные задачи, а также наличие горячей замены элементов, что позволяет сократить время простоя и упрощает обслуживание контроллера;
- максимальное количество точек ввода/вывода одного ПЛК для систем различных размеров. Производители указывают максимальное количество обрабатываемых одним контроллером сигналов, с учетом максимального количества подключаемых модулей ввода/вывода;
- доступность и функциональность программного обеспечения для разработки прикладных программ ПЛК;
- программная поддержка протоколов коммуникации с другими ПЛК, интерфейсными приборами и другими уровнями системы автоматизации:
- разнообразие поддерживаемых средой разработки ПЛК языков программирования. Чем больше языков программирования поддерживает ПО, тем удобнее программистам сделать выбор языка, на котором будет написана программа, а также возможность комбинирования нескольких языков в разных подпрограммах. Большинство производителей средств программирования выбирают за основу языки в соответствии с международным стандартом IEC 61131-3:
- ST – текстовый структурированный язык (Structured Text). Он удобен при написании программ, в которых преобладают математические расчеты;
- IL – текстовый, подобный ассемблеру язык (Instruction List), который обладает низкой наглядностью, что не редко приводит к затруднениям при отладке;
- FBD – графический язык функциональных блоков (Function Block Diagram). Язык функциональных блоков удобен и нагляден при написании небольших программ;
- LD –графический язык лестничкой логики, или еще его называют релейно-контактных схем (Ladder Diagram). Обладает самой высокой наглядностью и удобен при написании программ логического управления.
- SFC – высокоуровневый графический язык (Sequential Function Chart) предназначенный для написания сложных программ у которых отдельные части пишутся на языках более низкого уровня.
Три модели контроллеров выбраны для сравнения аппаратных и программных характеристик и дальнейшего выбора. Представленные модели по своим функциональным возможностям и характеристикам удовлетворяют масштабам автоматизации установки гликолевой осушки газа:
- Allen-Bradley ControlLogix 5580 [17].
- Fastwel CPM-723 [18];
- Siemens SIMATIC S7-1200 [19];
ControlLogix 5580 — это современные полноразмерные контроллеры старшей линейки от компании Allen-Bradley с модульной структурой компановки. Контроллеры ControlLogix 5580 обеспечивают повышенную производительность, емкость и безопасность, позволяя удовлетворить растущие год от года требования к программируемым логическим устройствам. Все контроллеры семейства ControlLogix 5580 используют среду проектирования Studio 5000 в качестве стандартной платформы, которая оптимизирует производительность и сокращает время на ввод в эксплуатацию. Эта структура управляет интегрированным движением по EtherNet/ P для высокоскоростных движений и решений безопасности SIL2/PLd и SIL3/PLe. ПЛК ControlLogix 5580 идеально подходят для приложений, требующих высокопроизводительной связи, ввода-вывода и управления движением до 256 осей. На рисунке 3.1 изображен ПЛК Allen-Bradley ControlLogix 5580.
Рисунок 3.1 –Allen-Bradley ControlLogix 5580
Компактный источник питания 1756 для серий B и C и шасси 1756 XT обеспечивают уменьшение ширины на 29% при ограниченном пространстве. Предлагаемые к контроллерам шасси имеют до 17 слотов для модулей расширения. Контроллер способен выполнять до 32 задач, в каждой из которых до 1000 программ.
Fastwel CPM-723 это программируемый логический контроллер от производителя ООО «ФАСТВЕЛ ГРУПП» с высокой производительностью, возможностью резервирования процессора и интерфейсов.
Рисунок 3.2 – Контроллер Fastwel I/O CPM-723
Целевым предназначением контроллеров Fastwel являются системы сбора данных и управления непрерывными технологическими процессами в отраслях нефтяной и газовой промышленности, а также атомной энергетики.
Модель CPM-723 обладает более высокой производительностью при меньшем потреблении по сравнению с аналогами от других производителей. Для программирования контроллеров от компании Fastwel используется адаптированная среда разработки CODESYS V3 от компании 3S Smart Software Solutions. Для написания программ используются языки программирования стандарта IEC 61131-3: Structured Text, Ladder Diagram, Instruction List, Sequential Function Chart, Functional Block Diagram.
Контроллеры Fastwel достаточно распространены в использовании системными интеграторами при построении автоматизированных систем управления технологическими процессами.
Контроллеры Siemens S7-1200 созданы для решения задач автоматизации с расширенным набором коммуникационных возможностей и резервированием. Высококлассное оборудование Siemens имеет возможности простого и быстрого монтажа, доступного и удобного обслуживания, а также широкий набор средств программирования. ПЛК S7-1200 отлично подходят для систем автоматизации среднего уровня сложности как часть распределенной системы, так и как автономное решение. На рисунке 3.3 изображен контроллер серии S7-1200 от немецкой компании Siemens.
Рисунок 3.3 – Контроллер Siemens серии S7-1200
Серия контроллеров Siemens SIMATIC S7-1200 имеют следующие конструктивные особенности:
- Полное соответствие стандартам и нормам, таким как ISO 9001, UL, CSA, VDE и др.;
- компактный и высококачественный корпус из крепкого пластика;
- съемные соединительные терминальный блоки у каждого модуля ЦП и любых сигнальных модулей ввода/вывода;
- удобный доступ к основным механизмам управления и соединениям элементов.
В базе контроллеры SIMATIC S7-1200 уже имеют встроенный интерфейс PROFINET с поддержкой протоколов обмена данными TCP/IP, а также есть возможность добавления коммуникационных модулей для расширения возможностей с помощью других интерфейсов. Интерфейс PROFINET используется для передачи данных с ЧМИ и другими контроллерами семейства SIMATIC не только серии S7-1200, а также для связи с программаторами.
В таблице 3.1 были собраны основные технические характеристики, необходимые для проведения сравнительного анализа выбранных программируемых логических контроллеров.
Таблица 3.1 – Характеристики рассматриваемых контроллеров для анализа
| Контроллер | Allen-Bradley ControlLogix 5580 1756-L83 | Fastwel CPM-723 | Siemens S7-1200 |
| Память | 10 МБ памяти пользователя 2ГБ SD-карта | 512 МБ флеш памяти 128 КБ энергонезависимой памяти 10 МБ памяти данных | До 2 МБ встроенной и до 24МБ карта памяти, энергонезависимая память 2КБ |
| Встроенные интерфейсы | 1х USB Type B, 1x Ethernet 1 Гбит/сек | 2x Ethernet, сервисный USB-B | Ethernet |
| Поддерживаемые протоколы обмена данными | Modbus RTU, Modbus TCP, DF1 | MODBUS TCP/RTU, FTP, HTTP, DHCP, NTP (клиент и сервер), IEEE 1588v2 | ASCII, Modbus RTU, USS, TCP/IP, ISO на TCP и S7 функции связи (S7 сервер или S7 клиент) |
| Максимальное количество модулей | До 17 модулей 1756 на одном шасси | Н/Д | До 8 сигнальных модулей SM |
| Среда разработки | Studio 5000 | CODESYS V3 | TIA Portal |
| Языки программирования | LD, ST, FBD, SFC | ST, IL, LD, FBD, SFC | LD, FBD |
| Степень защиты | IP20 | IP20 | IP20 |
| Диапазон рабочих температур | 0…60 град. Цельсия | -40…+85 град. Цельсия | 0…60 град. Цельсия |
Из представленных моделей ПЛК выбор сделан в пользу ControlLogiх 5580 1756-L83 для построения ИУС установки гликолевой осушки газа. Контроллер ControlLogiх 5580 1756-L83 от американской компании Allen-Bradley оказался наиболее сбалансированным по аппаратным и программным возможностям и полностью соответствует заданным критериям.
Выбор проектной конфигурации контроллера
От количества сигналов всех типов в системе зависит конечная конфигурация контроллера. Добавление соответствующих модулей ввода/вывода в конфигурацию происходит исходя из подсчитанного количества сигналов, которое указано в таблице КИПиА:
- 37 аналоговых входов;
- 28 дискретных входов;
- 40 дискретных выходов.
Обрабатывать всю логику технологического процесса будет контроллер Allen-Bradley ControlLogix 5580 1756-L83. В выбранном ПЛК отсутствуют встроенные каналы локального ввода/вывода, поэтому понадобится следующее количество сигнальных модулей расширения [20]:
- Для 37 аналоговых входных сигналов понадобится два шестнадцати канальных модуля 1756-IF16 и один шестиканальный модуль 1756-IF6I;
- для 40 дискретных выходных сигналов необходим один модуль 1756-OV32E на 32 канала и один шестнадцати канальный модуль 1756- OV16E;
- для 28 входных дискретных сигналов достаточно два шестнадцати канальных модуля 1756-IB16.
Всего для контроллера ControlLogix 5580 1756-L83 в сумме требуется семь сигнальных модулей расширения, что не превышает семнадцати возможно подключаемых модулей в слоты шасси, как заявлено в характеристиках ПЛК.
На рисунке 3.4 изображены модули аналоговых выходных сигналов 1756-IF16 и 1756-IF6I.
Рисунок 3.4 – Слева модуль 1756-IF16, справа модуль 1756-IF6I
Технические характеристики модулей 1756-IF16 и 1756-IF6I указаны в таблице 3.2.
Таблица 3.2 –Характеристики аналоговых модулей ввода 1756-IF16 и 1756-IF6I
| Модуль | 1756-IF6I | 1756-IF16 |
| Количество каналов | 6 отдельно изолированных | 16 группами по 8 |
| Тип модуля | Входных аналоговых сигналов | Входных аналоговых сигналов |
| Тип сигнала | 4-20/0-20 мА 0…5/0…10/1…5/+-10 В | 4-20/0-20 мА 0…5/0…10/1…5/+-10 В |
| Потребляемая мощность из шины | 3.7 Вт | 2.33 Вт |
| Разрядность АЦП | 16 бит | 16 бит |
| Наличие индикации | Светодиод на каждый канал | Светодиод на каждый канал |
| Температура эксплуатации | 0…60 С | 0…60 С |
Модули 1756-IF16 и 1756-IF6I имеют поддержку необходимого унифицированного типа входного сигнала 4-20 мА.
Модули выходных дискретных сигналов 1756-OV32E, которые задействованы для выдачи 28 дискретных выходных сигналов изображены на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Модуль 1756-OV32E
Данные о технических характеристиках модуля 1756-OV32E находятся в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Характеристики модуля 1756-OV32E
| Характеристика | Значение |
| Количество каналов | 32 в изолированных группах по 16 |
| Тип сигнала | 12/24В пост. тока |
| Задержка становления -в единицу -в ноль | от 75 до 300 мксот 230 мкс до 1 мс |
| Потребление из шины | 2.04 Вт |
| Наличие индикации | Светодиод на каждый выходной канал |
| Температура эксплуатации | 0…60 С |
За подключение 40 дискретных входных сигналов отвечают три модуля 1756-IB16. На рисунке 3.6 изображен модуль 1756-IB16
Рисунок 3.6 – Модуль 1756-IB16
Для контроллеров Allen-Bradley ControlLogix 5580 есть четыре вида блоков питания, отличающихся по типу и номиналу входного напряжения:
- входное напряжение переменного тока от 85 до 265 В;
- входное напряжение постоянного тока от 18 до 32 В;
- входное напряжение постоянного тока от 30 до 60 В;
- входное напряжение постоянного тока от 90 до 143 В.
Чаще всего используют блоки питания с входным напряжением переменного тока или постоянного тока с диапазоном от 18 до 32 В. Для разрабатываемой системы достаточно блока питания младшей модели 1756-PA50 или 1756-PB50 с входным напряжением переменного тока и постоянного тока соответственно, каждый из них рассчитан на потребление 70 Вт нагрузкой.
Разработка программного обеспечения контроллера
Алгоритмы управления
В приложении Г приведены блок-схемы алгоритмов для разработки программного обеспечения контроллера.
На рисунке Г.1 приведена блок-схема алгоритма подпрограммы обработки технологических параметров абсорбера А-1. Алгоритм предусматривает последовательную проверку показаний датчиков уровня метанольной воды и ДЭГа с последующими сравнениями с соответствующими уставками. В случае отклонения значений уровней от уставок производится переход на подпрограммы регулирования
Затем по алгоритму предусмотрено считывание значений давления и перепада давления. После этого осуществляется считывание показания сигнализатора давления. Если сигнализатор сработал, то выставляется бит аварии превышения давления а абсорбере.
На рисунке Г.2 приведена блок-схема алгоритма подпрограммы обработки технологических параметров Сепаратора С-1. Алгоритм предусматривает последовательную проверку показаний датчиков уровня и давления с последующими сравнениями с соответствующими уставками. В случае отклонения значений уровня или давления от уставок производится переход на подпрограммы регулирования этих параметров.
Затем по алгоритму предусмотрено считывание значений давления и перепада давления. После этого осуществляется считывание показания сигнализатора давления. Если сигнализатор сработал, то выставляется бит аварии превышения давления а абсорбере. Затем осуществляется считывание показания сигнализатора уровня. Если сигнализатор сработал, то выставляется бит аварии превышения уровня а абсорбере.
Программная реализация алгоритмов
Для программирования контроллеров компании Allen-Bradley используется программный пакет Studio 5000 [21], который включается средство конфигурации и программирования контроллеров Logix Designer. Studio 5000 Logix Designer это обновленный продукт пришедший на замену RSLogix 5000. На рисунке 3.7 представлен логотип Studio 5000 Logix Designer.
Рисунок 3.7 – Логотип Studio 5000 Logix Designer при запуске
При написании прикладных программ ПЛК ControlLogix 5580 применяются четыре языка программирования стандарта IEC 61131-3:
- Ladder Diagram;
- Function Block Diagram;
- Sequential Function Chart;
- Structured Text.
Среда разработки Studio 5000 сочетает функции разработки и дизайнера в едином пакете. Studio 5000 это единый пакет разработки и конфигурирования с интуитивным интерфейсом который:
- сокращает время разработки конечного проекта благодаря совместной разработке — написание кода одновременно несколькими программистами и последующее сравнение, а также слияние кода;
- прост в настройке — графические мастера автоматически создают теги благодаря встроенным функциям и библиотекам;
- сокращает программирование — функциональность сигналов тревоги на основе тегов Logix позволяет пользователям добавлять сигналы тревоги непосредственно к любому тегу или структуре простым щелчком кнопки мыши без дополнительного программирования;
- включает улучшенную поддержку кинематики — расширенная библиотека инструкций по безопасности для сетевых инструкций по безопасности и движению;
- является единой средой проектирования — единое программное обеспечение для всех дисциплин — безопасность, движение, приводы, процесс и дискретность;
- поддерживает совместную разработку — упрощенное современное программирование с несколькими редакторами и модульными функциями программирования для повышения производительности;
- поддерживает работоспособность — просмотр системы и легкий поиск того, что нужно, с помощью представлений Logical Organizer и Controller Organizer;
- сокращает время выхода на рынок — создание кода одновременно с другими пользователями, а затем возможно сравнение и объединение изменений;
- помогает защитить код — контролируйте дизайн и исполнение содержимого Logix с помощью возможностей защиты на основе лицензий, чтобы гарантировать, что только авторизованные пользователи могут просматривать, изменять или выполнять;
- является единой средой проектирования — единое программное обеспечение для всех дисциплин — безопасность, движение, приводы, процесс и дискретность.
Верхний уровень АСУ ТП
Рабочее место установки гликолевой осушки газа
Диспетчерский пульт, находящийся в операторной установки регенерации УКПГ, оборудован рабочей станцией Dell Precision T5810 (таблица 3.4) с принтером для распечатки отчетных документов.
Таблица 3.4 – Характеристики рабочей станции оператора
| Показатель | Значение |
| Производитель | Dell |
| Модель | Precision T5810 |
| Цвет | Чёрный |
| Тип компьютера | Рабочая станция |
| Процессоров установлено | 1 |
| Тип процессора | Intel Xeon E5 |
Продолжение таблицы 3.8
| Показатель | Значение |
| Индекс процессора | 1620v3 |
| Частота процессора (МГц) | 3500МГц |
| Установлено модулей памяти | 4 |
| Тип памяти | DIMM DDR4 |
| Спецификация памяти | REG |
| Объём одного модуля памяти (ГБ) | 4ГБ |
| Установлено памяти всего (ГБ) | 16ГБ |
| Установлено дисков | 2 |
| Объём диска | 500GB + 256GB |
| Сеть | Fast Ethernet/Gigabit Ethernet |
| Форм-фактор компьютера | Miditower |
| Мощность БП (Вт) | 425Вт |
| Установленная ОС | Windows XP+Windows 7 Professional 64 + Windows 10 Pro 64 |
| Портов USB2.0 Type A | 6 |
| Портов USB3.0 Type A | 4 |
| Портов COM | 1 |
| Портов RJ45 | 1 |
На диспетчерском пункте необходимо присутствие оператора для непрерывного наблюдения за технологическим процессом и вмешательства в случае аварийных ситуаций.
Выбор инструментария для разработки интерфейса оператора
При разработке современных АСУ ТП большое внимание уделяется выбору SCADA — программы. Дело в том, что во многом от характеристик этой программы будет зависеть оперативность, адекватность и точность решений, которые принимает оператор. Они имеют прямое значение на ход технологического процесса, а как следствие на безопасность производства и качество выпускаемой продукции.
Современный рынок программных средств предлагает широкий выбор программных пакетов для разработки интерфейса оператора. Выбор конкретного программного средства следует выполнять по совокупности характеристик [22-23].
Для разработки операторского интерфейса данной системы автоматизации использован пакет RSView32 принадлежащий фирме Rockwell Software (США), являющейся подразделением компании Rockwell Automation, лидера в производстве систем промышленной автоматики и электроники.
Данный пакет соответствует всем требованиям для разработки интерфейса [24]:
- возможность создавать экранные дисплеи в любом графическом разрешении, независимо от того в каком разрешении они будут представлены на реальном объекте;
- способность вставлять в проект объекты в графических форматах DXF, BMP и WMF, кроме того, активно используется механизм OLE для работы со связанными объектами;
- тревоги для цифровых и аналоговых тэгов, которые можно поделить на восемь градаций по уровням и восемь категорий опасности;
- развитый и гибкий механизм обработки трендов;
- возможность разделения баз данных.
Оператор видит отображение технологического процесса при помощи мнемосхем, показываемых на экране. Данный пакет предоставляет собой программный пакет операторского интерфейса для представления оператору данных о состоянии технологического процесса в виде мнемосхем, численных значений, временных графиков, аварийных сигнализаций и т.п.
Количественная и качественная информация о процессе и состоянии оборудования отображается на мнемосхемах в виде численных значений параметров, изменения цвета при изменении состояния, текстовых сообщений.
При запуске проекта отображается экран на вход в проект. При нажатии кнопки «вход» запрашивается имя пользователя и пароль, определяющие уровень доступа.
Перечень экранов разработанного интерфейса оператора:
- общий экран (рисунок 3.8),
- экран абсорбера (рисунок 3.9),
- экран сепаратора (рисунок 3.10),
- тренд реального времени (рисунок 3.11).
Рисунок 3.8 – Общий экран
Рисунок 3.9 – Экран абсорбера
Рисунок 3.10 – Экран сепаратора
Рисунок 3.11 – Экран тренда реального времени
Выбор протокола обмена информацией
В промышленных условиях протокол передачи данных должен обеспечивать следующие функции
-объединение систем управления предприятием;
-конфигурирование, сбор данных и управление в единой сети;
-обеспечение соединений между процессорами ControlLogix 5580 1756-L83 и MMI.
Процессор ControlLogix 5580 1756-L83 поддерживает передачу данных по протоколу Ethernet.
Ethernet TCP/IP – это стандарт передачи данных для высокоскоростного обмена информацией между компьютерами и связанными устройствами. Имея широкую полосу пропускания (от 10 Мб/с до 100 Мб/с). Сеть Ethernet обеспечивает системам в масштабах предприятия доступ к данным производственного уровня. При помощи сети Ethernet можно обеспечить связи между весьма разнообразным оборудованием, удаленных на расстоянии до 250м
EtherNet/IP использует:
-стандарт IEEE 802.3 для физического носителя и уровня данных;
-блок протоколов стандарта Ethernet TCP/IP (протокол контроля передачи / протокол Internet), — промышленный стандарт Ethernet;
-информационно-управляющий протокол (CIP) — протокол, который обеспечивает обмен сообщениями ввода/вывода в реальном времени и прямой обмен информационными сообщениями [25].
Как видно из приведенных характеристик, EtherNet/IP обеспечивает большую скорость передачи данных при больших расстояниях между точками сети, что позволяет проектировать более гибкие ЛВС.
Схема внешних электрических соединений
Для подключения датчиков и исполнительных механизмов к контроллеру используется кабель МКЭШ. Характеристика кабеля приведена в таблице 3.5.
Таблица 3.5 – Характеристика кабеля МКЭШ
| Число жил | 2, 3, 5, 7, 10, 14 |
| Номинальное переменное напряжение частотой до 400 Гц | до 500 В |
| Номинальное постоянное напряжение | до 750 В |
| Температура окружающей среды при эксплуатации | от -50°С до +70°С |
| Минимальная температура прокладки без предварительного подогрева | -15°С |
| Минимальный радиус изгиба при монтаже | 5 диаметров кабеля |
| Срок службы | 15 лет |
Для подключения ПЛК к АРМ оператора по протоколу EtherNet/IP применяется экранированная витая пара Hyperline SSTP4-C7, характеристика кабеля приведена в таблице 3.6.
Таблица 3.6 – Характеристика кабеля Hyperline SSTP4-C7
| Максимальное сопротивление проводника при температуре 20°С | 145 Ом/км |
| Дисбаланс сопротивления | 2% максимум |
| Сопротивление на частоте 1-600 МГц | 100±15 Ом |
| Диэлектрическая прочность | 700 В/1мин |
| Сопротивление изоляции при температуре 20°С | 5 ГОм⋅км минимум |
| Максимальное отклонение задержки распространения на частоте 1-600 МГц | 30 нс/100м |
Датчики, преобразователи уровня, давления и температуры подключаются к аналоговому входу контроллера через блоки питания и искрозащиты БПДМ-Ex-ВИП. Унифицированный аналоговый сигнал 4-20 mA с первичных преобразователей через БПДМ-Ex-ВИП поступает на вход аналогового входного модуля. С дискретных выходов контроллера сигнал приходит на блок управления ЭРА-10 электропривода регулирующей арматуры (клапана) РэмТЭК. Текущее положение рабочего органа клапана преобразуется в унифицированный выходной сигнал 4-20 мА, являющийся сигналом обратной связи. Крайние положения рабочего органа контролируются концевыми микропереключателями, подключенных к дискретному входному модулю 1756-IB16.
Схема электрических соединений составлена для объекта регулирования и представлена в приложении Д.