Объединение различных технологий с помощью оборудования National Instruments для создания современных АСУТП на примере экспериментального стенда «смешивающего подогревателя питательной воды (СППВ)»

Объединение различных технологий с помощью оборудования National Instruments для создания современных АСУТП на примере экспериментального стенда «смешивающего подогревателя питательной воды (СППВ)»

Отрасли, категории, применение: Промышленная автоматизация/САУ

Краткое описание:

Разработка новой АСУ с использованием современных цифровых технологий, которая бы позволила автоматически поддерживать требуемые режимы работы стендовой установки, иметь повышенную помехозащищенность, архивировать результаты измерений с высокой скоростью и иметь удобный интерфейс оператора.

Организация

ЗАО ИНПК «РЭТ», г. Москва

Описание решения

Постановка задачи

В ОАО «ВТИ» в рамках НИОКР по обоснованию проекта энергоблока с реакторной установкой «БРЕСТ-ОД-300» на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем проводятся исследования процесса теплообмена на модели смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления (СППВ). Подогрев питательной воды необходим для предотвращения затвердевания свинца в межтрубном пространстве парогенератора перспективного реактора для АЭС с РУ БРЕСТ-ОД-300. Существующая стендовая установка предназначена для изучения работы СППВ и разработки математической модели процесса теплообмена при конденсации пара на струях воды при высоком давлении.

Целью данной работы являлась разработка новой АСУ с использованием современных цифровых технологий, которая бы позволила автоматически поддерживать требуемые режимы работы стендовой установки, иметь повышенную помехозащищенность, архивировать результаты измерений с высокой скоростью и иметь удобный интерфейс оператора.

Выбор оборудования

Основными критериями при выборе датчиков и органов управления стенда (нижний уровень АСУ) были параметры измеряемой среды. Например, пар на входе в стенд имеет параметры P=25МПа, t=525°С. А поскольку необходимо было измерять еще и уровень внутри модели СППВ (P=15МПа, t=350°С) при переменных параметрах паровой фазы над поверхностью, выбор производителей датчиков значительно уменьшился. В результате были выбраны датчики швейцарской фирмы Endress+Hauser.

Критерием выбора способа передачи измеряемых величин от датчиков (от нижнего к среднему уровню АСУ) стала плохая помеховая обстановка в месте размещения стенда СППВ. Было решено по возможности отказаться от аналоговых датчиков и применить датчики с цифровой шиной Profibus PA. В качестве регулирующих органов были выбраны клапаны чешской фирмы LDM с электроприводами AUMA, управляемыми по шине Profibus DP.

Обычно в качестве контроллеров среднего уровня АСУ применяются ПЛК. Они собирают данные с нижнего уровня (датчиков) и передают их в системы верхнего уровня (SCADA, АРМ оператора, OPC серверы). В данной работе предпринята попытка объединения среднего и верхнего уровня АСУ в одном устройстве, реализующем и обмен с устройствами на полевой шине, и интерфейс оператора.

Для реализации данной концепции как нельзя лучше подходят технологии National Instruments [1]. В качестве базовой системы была выбрана платформа PXI с LabView Real-Time. Для связи с полевой шиной модуль NI PXI-PROFIBUS Interface от Comsoft. Поскольку данный модуль имеет интерфейс Profibus DP, а выбранные датчики Profibus PA, был применен конвертер полевой шины от Siemens. Для архивирования измеренных значений в реальном времени был применен отдельный сервер с ОС Linux и базой данных MySQL.

Кроме того, заказчиком была поставлена задача измерения распределения температуры внутри модели СППВ с периодом 200 мс. Внутри модели уже были установлены 70 термопар типа ХК (тип L по ГОСТ Р50431-92) и заменить их было невозможно. Для измерения сигналов с термопар была выбрана платформа NI CompactRIO с шасси EtherCAT NI-9144 и модулями NI-9214 C-серии. Это позволило средствами встроенного в шасси ПЛИС осуществить пересчет показаний термопар типа ХК в температуру “на лету” и обеспечило высокую скорость передачи данных средствами EtherCAT. Кроме того, размещение шасси в непосредственной близости от объекта измерения существенно увеличило помехозащищенность измерения температуры.

Еще одна особенность устройств с полевой шиной Profibus – возможность удаленной диагностики и настройки. Для этого был применен коммуникационный шлюз E+H Fieldgate FXA720 (Profibus DP/V1 Master Class II). Программное обеспечение, поставляемое производителем Profibus устройств, может быть установлено на АРМ оператора или любой другой ПК в сети Ethernet. У пользователя появляется возможность удаленной “на лету” настройки и диагностики любого устройства на полевой шине. При этом циклический обмен данными между датчиками и базовым контроллером PXI не прерывается и работа всей АСУ в целом не нарушается. Структурная схема АСУ приведена на рис.

Используемое программное обеспечение

  • NI LabView, LabView Real-Time - основная система программирования для PXIe-8135;
  • NI LabView FPGA, Xilinx 13.4 Compilation Tool – для программирования ПЛИС шасси CompactRIO EtherCAT NI-9144
  • Comsoft Configurator II – для программирования модуля PXI DF PROFI2
  • Endress+Hauser FieldCare, Auma FDT-DTM – для удаленной настройки и диагностики устройств на шине Profibus через коммуникационный шлюз FXA720.
  • Mozilla Firefox с NI LabView 2012 Netscape plugin – в качестве “тонкого клиента” на АРМ оператора и дополнительных терминалах.

Описание структуры программного обеспечения

Поскольку была выбрана стратегия объединения среднего и верхнего уровня АСУ ТП в одном устройстве на основе контроллера NI PXI с Real-Time ОС, то программное обеспечение логически разделено на две подсистемы – сервисы (средний уровень) и модули интерфейса оператора (верхний уровень).

Подсистема сервисов запускается при старте контроллера и выполняет функции обмена с датчиками, исполнительными механизмами, расчета параметров, регулирования и обмена с сервером базы данных. Функционально она делится не следующие модули:

  • Сервис обмена с устройствами на шине Profibus - 26 датчиков, 4 привода;
  • Сервис обмена с шасси CompactRIO на шине EtherCAT – 70 термопар типа ХК;
  • Сервис расчета параметров – вычисление текущих параметров среды (вода, пар);
  • Сервис расчета расходов – вычисление текущего массового расхода среды;
  • Сервис автоматического регулирования – 7 ПИД-регуляторов;
  • Сервис обмена с базой данных – циклическая запись (чтение) на сервер с СУБД MySQL;
  • Сервис обмена с ИБП – циклическое чтение состояния и параметров с APC Smart UPS;
  • Сервис диагностики – аккумулирование диагностической информации.

Подсистема интерфейса оператора использует технологию NI Remote Panel. Она представляет собой набор виртуальных инструментов и набор HTML файлов на диске PXI контроллера. Когда оператор открывает HTML файл виртуального инструмента, NI Remote Panel Server запускает его и выводит в браузер пользователя. Реализованы следующие модули интерфейса:

  • Главный модуль управления – мнемосхема стенда, показания датчиков и т.д.;
  • Модуль распределения температуры – показания термопар в виде 2D распределения;
  • 6 модулей графиков – изменение параметров стенда в зависимости от времени;
  • Модуль СУБД – управление базой данных MySQL;
  • Модуль диагностики – выдача диагностической информации оператору.

Такая структура подсистемы интерфейса оператора позволяет использовать в качестве АРМ оператора любое устройство с браузером Internet Explorer или Mozilla Firefox и соответствующим плагином от National Instruments. Например, в данной работе использован обычный ПК в качестве основного АРМ оператора и два терминала Intel NUC с двумя 40” ЖК ТВ. Следует отметить, что модули интерфейса имеют возможность повторного запуска (reentrant). Это позволяет нескольким операторам одновременно управлять одним и тем же модулем.

Связь между подсистемами сервисов и интерфейса осуществляется посредством механизма Shared Variables. Подсистема сервисов работает независимо от того, подключен в данный момент оператор или нет.

Отдельные решенные задачи

Для расчета расходов через сужающие устройства разработаны расчетные модули LabView:

  • Расчет параметров воды и пара согласно формулам IF97 «Международной ассоциации свойств воды и пара (IAPWS)» 10 параметров [2];
  • Расчет расхода через различные сужающие устройства согласно ГОСТ 8.586-2005 [3].

С помощью стандартных функций ПИД-регуляторов LabView реализовано регулирование расходов среды на 4 трубопроводах с возможностью авто-настройки. Дополнительно реализовано регулирование еще 3 параметров стенда при помощи каскадирования ПИД-регуляторов.

Для архивирования измеренных величин применен отдельный сервер с ОС Linux Ubuntu Server 12.04 и СУБД MySQL Server 5.5. Распространенная сегодня СУБД MySQL от Oracle имеет открытый протокол, легко реализуемый при помощи стандартных функций LabView для работы с TCP, в том числе в системах с Real-Time ОС. Запись в базу данных осуществляется циклично, с настраиваемым периодом. Кроме измеренных значений, сохраняются также расчетные, метки абсолютного времени с точностью до 1 мс и признаки достоверности каждого записываемого значения. Достигнутый период записи 50 мс. Количество записываемых параметров 119 величин типа Double (4 байта). Также был реализован режим “Воспроизведение”. В этом режиме измеренные величины с датчиков “подменяются” величинами, прочитанными из базы данных с цикличностью, определяемой метками времени.

Дополнительно было разработано программное обеспечение для экспорта измеренных значений из базы данных MySQL в Microsoft Excel, а также создания резервных копий (дампов) MySQL сервера. Экспорт данных в Excel используется разработчиками стенда СППВ для дальнейшего анализа и построения его математической модели.

Для структурирования интерфейса оператора средствами языка HTML был написан веб-узел АСУ и размещен в папке веб-сервера PXI контроллера. Код для вызова виртуальных инструментов через NI Remote Panel был интегрирован в страницы этого веб-узла. Реализована удобная навигация при помощи выпадающего меню на JavaScript.

Достигнутые результаты

Гибкость технологий National Instruments позволила объединить промышленные средства измерения (датчики с шиной Profibus) с технологиями, обычно применяемыми в ИТ-индустрии, такими как веб-интерфейс, ОС Linux и СУБД MySQL. Показана возможность реализации функций среднего и верхнего уровня иерархии АСУ ТП в одном устройстве под управлением NI LabView Real-Time.

Использование платформы CompactRIO позволило проводить высокоскоростные (70 каналов за 14 мс) измерения температуры непосредственно у объекта, что существенно снизило влияние помех. Такие скорости не востребованы в стандартных АСУ, но необходимы в экспериментальных стендах.

Список литературы

1. http://www.ni.com – оборудование, форум, база знаний, community, developer zone.
2. http://www.iapws.org/ - “Международная ассоциация свойств воды и пара”, формулы IF-97.
3. ГОСТ 8.586–2005 – Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств, части 1-5.
 

 

 

Решения опубликованы на основании докладов из сборников трудов ежегодной конференции "Инженерные , научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments" с 2011 по 2014 гг.



 

© 2017 National Instruments Russia. All rights reserved.
Яндекс.Метрика