Лаборатории

ЛАБОРАТОРНАЯ БАЗА КАФЕДРЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Технологические объекты управления энергетической отрасли характеризуются большими объемами информации, повышенными требованиями к надежности и живучести автоматизированных технологических комплексов, содержат множество взаимосвязанных каналов с существенно различной динамикой. Системы управления такими объектами высокой информационной мощности должны обеспечивать решение комплекса информационных, управляющих, оптимизационных, диагностических и прогностических задач.

Сегодня комплекс учебных лабораторий кафедры АСУ ТП МЭИ укомплектован самыми современными техническими средствами информационного обеспечения процессов управления, программно-техническими комплексами и микропроцессорной техникой, применяемыми и внедряемыми в отечественную энергетику. 

В 1938 году на кафедре теоретических основ теплотехники Московского энергетического института была образована группа по тепловому контролю и автоматике, в которую вошли В. П. Преображенский и С. Г. Герасимов, и с этого времени в МЭИ стали готовить специалистов по теплотехническому контролю и автоматизации технологических процессов на тепловых электростанциях. Потребность в таких специалистах была столь высока, что в тяжелом 1943 военном году было принято решение о создании в составе теплоэнергетического факультета кафедры теплового контроля и автоматики. Основной задачей кафедры  стала подготовка специалистов, способных включиться в работы по развитию и восстановлению тепловой энергетики страны.

Необходимыми условиями для этого основатели кафедры обоснованно считали знание специалистом по автоматизации  не только технических средств измерений и автоматизации, но оборудования и процессов, подлежащих автоматизации. Со дня основания кафедры созданию учебных лабораторий по специальным дисциплинам уделялось первостепенное внимание. До начала 90-х годов прошлого столетия  техническое оснащение учебных лабораторий кафедры практически без отставания следовало за техническим  оснащением отрасли. На смену первым электромеханическим регуляторам ЦКТИ конца 40-х годов прошлого столетия, последовательно пришли электронные регуляторы ВТИ, электронные регуляторы системы ЭАУС и АКЭСР, микропроцессорные регулирующие приборами ПРОТАР, регулирующие микропроцессорные контроллеры Ремиконт. Линейка лабораторных стендов с оборудованием 80-х годов представлена на  рис.1.

Рис.1

В конце 60-х на кафедре создается лаборатория АСУ ТП, основой которой стала  первая отечественная управляющая вычислительная машина М-6000, замененная с появлением   УВМ серии СМ ЭВМ машинами СМ-2, СМ-4, СМ-1600.

Развитие и постоянное обновление   учебных лабораторий обеспечивалось тесным сотрудничеством кафедры с разработчиками технических средств автоматизации для энергетики, приборостроительными заводами и ведущими научными центрами энергетической и приборостроительной отраслей. Существенную помощь кафедре в оснащении учебных лабораторий оказывали Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации (ЦНИИКА), НИИтеплоприбор, Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ), московский завод Тепловой автоматики (МЗТА), московский завод  Манометр.

Современные системы управления объектами тепловых и атомных электростанций строятся с использованием программно-технических комплексов (ПТК). Особенности этих средств – быстрая смена поколений, достаточно высокая стоимость, наличие на рынке широкого спектра систем, как открытых, не привязанных к конкретным объектам управления, так и специализированных, ориентированных на применение в энергетике. Все это привело к стремительному отставанию технического оснащения учебных лабораторий от современного уровня и явилось определяющим фактором для разработки направлений модернизации лабораторной базы кафедры.

В последние годы на электростанциях России проводятся масштабные работы по замене физически и морально изношенных технических средств автоматизации отдельных агрегатов и энергоблоков, сооружаются новые энергоблоки с системами автоматизированного управления на базе современных программно-технических комплексов. Известна проблема кадрового обеспечения этих работ. Специалисты по автоматизации технологических процессов в энергетике требуются в проектных, инжиниринговых, наладочных организациях и на электростанциях.

При выборе ПТК для автоматизации технологических процессов в энергетике предпочтение отдается специализированным системам, учитывающим особенности объектов и алгоритмов управления.

Государственная инновационная программа позволила оснастить учебные лаборатории кафедры  современными ПТК, перспективными для использования в АСУ тепловых и атомных электростанций. В 2007 г. в лабораториях кафедры установлены четыре комплекса: Квинт СИ («НИИТеплоприбор» – ООО «КВИНТсистема», Россия),  Freelance 800F (ABB, Германия), SPPA Т3000 (Siemens, Германия),  TREI (Россия). Каждый комплекс содержит микропроцессорные контроллеры, набор модулей УСО для ввода-вывода информации,  рабочие станции, сетевое оборудование, базовое и специальное программное обеспечение. Для компоновки комплектов ПТК используются четыре варианта стандартных шкафов со всеми необходимыми элементами (блоки питания, клеммные колодки, средства индикации и др.).

Отечественный ПТК Квинт СИ (системный интегратор) – новая версия известного комплекса Квинт, присутствующего на российском рынке более 12 лет и успешно работающего в составе более чем 100 АСУ ТП различных агрегатов и мощных энергоблоков  электростанций. Комплекс представлен дублированным многоканальным управляющим контроллером Р-380, состоящим из двух базовых контроллеров, включенных по схеме «основной – резервный», полевым малоканальным ремиконтом Р-390 и содержит все типовые модули УСО.

Современный, простой, масштабируемый комплекс Freelance 800F (ABB, Германия) с удобными для изучения специальным программным обеспечением и средствами инжиниринга предназначен для построения АСУ объектами как малой (от 200 сигналов), так и большой информационной мощности. В составе установленного в лаборатории комплекса три комплекта ЭВМ в промышленном исполнении с тремя видеотерминалами, выполняющими функции двух операторских и инженерной станции и стандартная секция пульта управления (рис.2).  Программное обеспечение комплекса включает эмулятор контроллера и  позволяет решать задачи  проектирования, программирования и отладки на любом компьютере с установленной операционной системой Windows XP. Проектирование в среде Control Bilder F осуществляется на языке функциональных блоков  стандарта МЭК 61131-3, широко используемого во всех современных SCADA-программах.

После отладки и исследования программа загружается в контроллер, и проверка проекта производится с использованием  реального контроллера АС 800F, соединенного с установленными на лабораторном стенде полевыми устройствами (датчиками, исполнительными устройствами) и физической моделью объекта управления.

Рис. 2.

ПТК SPPA Т3000 (Siemens) – новое поколение специализированного комплекса, предназначенного для построения интегрированных  АСУ электростанций (аббревиатурой SPPASiemens Power Plant Automation – подчеркивается его отраслевое назначение).

Первая полномасштабная АСУ современного бинарного энергоблока ПГУ-450 с использованием этого комплекса введена в эксплуатацию на ТЭЦ-27 Мосэнерго в 2007 году.

Рис.3.

Лабораторный комплекс содержит шкаф контроллеров Simatic, сервер и 10 рабочих станций.

В ПТК TREI (ОАО «TREI», г. Пенза) с контроллерами TREI 5В-02 (рис.4.) реализованы новые оригинальные принципы построения универсальных модулей ввода-вывода информации на основе мезонинной технологии, обеспечена возможность работы с широким набором HMI/SCADA и CASE продуктов (КРУГ 2000ТМ, Trace Mode®, ISaGRAF®, iFIX®), предназначенных для разработки АСУ ТП широкого назначения.

Поддержка OPC технологии в устройствах TREI 5В позволяет стыковаться с различными базами данных и SCADA-системами. Комплекс TREI используется в специализированной системе контроля и управления водно-химическим режимом на электростанциях.

Рис. 4.

В основе современных ПТК – общие базовые принципы построения и функциональные возможности, и оснащение лабораторий четырьмя системами одинакового назначения может показаться избыточным. Тем не менее,  каждому из представленных в учебных лабораториях  кафедры ПТК присущи особенности в конструкции модулей и блоков,  их монтаже, специальном программном обеспечении, приемах разработки АСУ ТП. Кажущаяся «избыточность» в оснащении учебных лабораторий существенно расширяет круг решаемых задач. В частности, она позволит  отрабатывать задачи интеграции различных программно-технических средств в единую систему (эта задача актуальна для объектов энергетики с поэтапной модернизацией АСУ), обучать студентов приемам сравнительного анализа и осознанного выбора ПТК в соответствии с концепцией построения АСУ,  увеличить число индивидуальных учебных задач.

Для изучения комплекса технических средств  автоматизации и программного обеспечения ПТК предназначены учебные лаборатории теплотехнических измерений  и приборов, технических средств автоматизации, микропроцессорных контроллеров, автоматизированных систем управления технологическими процессами  и два класса ПЭВМ.

Все учебные лаборатории и классы ПЭВМ объединены сетью  Ethernet с выделенным сервером. Сетевая структура иллюстрирует принцип распределенного управления и обеспечивает комплексное использование всех ТСА, представленных в лабораториях кафедры  – источников информации (датчики и первичные преобразователи), локальных АСР с реальными исполнительными устройствами, датчиками и физическими моделями объектов управления, ПЭВМ в качестве инженерных и/или операторских станций. На кафедре разработан компактный модуль «физическая модель объекта – полевые устройства», состоящий из нагревателя (остеклованный резистор), стандартных датчиков температуры (термопреобразователи сопротивления), пускового устройства, электрического исполнительного механизма (МЭО), пускового устройства и лабораторного автотрансформатора (рис. 5).

Рис. 5.

Такие модули через УСО подключаются к контроллерам, что позволяет исследовать работу всех элементов реальной автоматической системы регулирования

Основными решаемыми в лабораториях задачами являются:

  • изучение  технических средств контроля и автоматизации, микропроцессорных средств, используемых для построения современных АСУ в теплоэнергетике и теплотехнике, и основ их наладки и обслуживания;
  • освоение современных SCADA/HMI-программ, САПР, технологий программирования и проектирования АСУ объектов энергетики;
  • научные исследования по разработке новых информационных, управляющих, оптимизационных и вспомогательных функций АСУ в теплоэнергетике и теплотехнике, в том числе научная работа по программам магистерской подготовки.

Лабораторный комплекс кафедры АСУ ТП предназначен для проведения:

  • лабораторных практикумов по дисциплинам Системы автоматизации и управления, Технические средства автоматизации, Проектирование автоматизированных систем, Автоматизация технологических процессов и производств;
  • специального курсового и дипломного проектирования;
  • учебных научно-исследовательских работ (УИР и УНИР) студентов специальности (профиля);
  • исследований по образовательным программам магистров и аспирантов

Разрабатывается программа использования лабораторного комплекса кафедры для решения задач обучения и повышения квалификации работников энергетической отрасли.

В Федеральных образовательных стандартах третьего поколения содержится требование готовности выпускника вуза уже по завершении 4-х летней программы бакалавриата  вести расчетно-проектную, проектно-конструкторскую и производственную деятельность. Для профиля подготовки в области автоматизации технологических процессов  основой для этих видов деятельности являются знания свойств объекта управления, технических средств автоматизации и владение программными средствами проектирования – SCADA-программами и/или САПР.

Разработка и отладка проекта АСУ ТП на основе программно-технических средств автоматизации – сложная и трудоемкая задача, требующая значительных затрат времени. Однако бюджет времени на ее решение существенно ограничен рамками учебного плана.

Появление в арсенале учебных лабораторий современных программно-технических комплексов, заменивших технические средства автоматизации 70-80-х годов прошлого столетия,  сопряжено с  необходимостью обновления содержания дисциплин специальности (профиля),  разработкой учебных и методических пособий, задач, которые должны решаться с использованием приобретенного оборудования, методического обеспечения лабораторных практикумов, обеспечивающих достижение требуемых компетенций специалиста по автоматизации.

Важнейшими задачами методических разработок являются:

определение содержания базовых знаний, необходимых для работы с программно-техническими средствами;

 отбор из обширной технической документации тех минимальных сведений, которые позволят осознанно подойти к проектированию заданного узла или подсистемы АСУ.

Подлежащие разработке методические материалы:

  • Краткое описание структур ПТК, основных контроллеров и модулей.
  • Краткое описание фирменного ПО.
  • Методические указания по использованию стандартных языков программирования (Стандарты МЭК 611031-3) и приемам прикладного программирования микропроцессорных контроллеров.
  • Инструкции по выполнению лабораторных работ – проектов простых подсистем – модулей (управление в разомкнутом контуре – пуск-останов, подсистема сигнализации,  локальная АСР).
  • Инструкции по объединению модулей в единый проект.

Конечная цель – в каждой квалификационной работе выпускника должен содержаться раздел, выполненный с использованием современных методов проектирования и программирования распределенных микропроцессорных систем управления.