Возможность
применения SCADA-систем для создания
систем управления газоизмерительными станциями
В.А. Антонов,
ст. преп. каф. АИПУ, programtec@mail.ru,
МИЭМ, г. Москва
В статье
кратко описана иерархия отраслевой системы оперативного диспетчерского
управления единой системы газоснабжения России. Рассмотрено принципиальное
устройство газоизмерительных станций. Перечислены особенности SCADA-систем. Приведен
обзор основных SCADA-систем, существующие на рынке, а также их недостатки, и
сделан вывод о нецелесообразности применения для газоизмерительных станций.
The hierarchy of sectoral system of
operation supervisory control of Integrated Gas Transmission System of Russia
is described in the article. Principle organization of the gas measuring
station is examined. The main features of a SCADA-system are enumerated.
Besides, principal SCADAs on the market and their drawbacks are described.
Finally there is a conclusion concerning the inexpediency of SCADA application
to the gas measuring stations.
Основными
направлениями деятельности крупных компаний, занимающихся эксплуатацией
природных энергетических ресурсов, являются: геологоразведка, добыча,
транспортировка, хранение, переработка и реализация углеводородов,
а также производство и сбыт электрической и тепловой энергии.
ОАО
«Газпром» владеет крупнейшей в мире газотранспортной системой, способной
бесперебойно транспортировать газ на дальние расстояния потребителям
Российской Федерации и за рубеж.
Добываемый
в России природный газ поступает в магистральные газопроводы, объединенные
в Единую систему газоснабжения (ЕСГ) России.
ЕСГ
России является крупнейшей в мире газотранспортной системой, являющийся
уникальным технологическим комплексом, обеспечивающий непрерывный цикл поставки
газа от скважины до конечного потребителя.
В состав
ЕСГ входят 155 тыс. км магистральных газопроводов (МГ)
и отводов, 268 компрессорных станций, 6 комплексов
по переработке газа и газового конденсата, 24 объекта подземного
хранения газа.
Самые
заметные сооружения ЕСГ – МГ, в их состав входят следующие основные объекты[11,12]:
По
заказу ОАО «ГАЗПРОМ» была разработана и развернута отраслевая система
оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения
России (ЕСГ)[1], предназначена для централизованного управления единым
технологическим комплексом добычи, транспорта, хранения и переработки газа [2],
иерархическая схема ОСОДУ ЕСГ представлена на рисунке 1.
рис. 1 Иерархическая схема ОСОДУ ЕСГ
Составной
частью ОСОДУ является отраслевая система учета расхода газа (ОСУРГ),
предназначенная для сбора, обработки и анализа данных по учету газа.
В
числе основных источников информации для ОСУРГ находятся газоизмерительные
станции (ГИС), каждая из которых оснащается автоматизированными измерителями
расхода газа, автоматизированными устройствами определения компонентного
состава газа, автоматическими приборами определения влажности газа и т.п., а
так же системой управления ГИС.
Система
управления ГИС должна обеспечивать: оперативность, точность, достоверность
результатов измерения расхода газа, необходимых для коммерческого учета газа,
помимо этого: надежность, непрерывность и безопасность функционирования
оборудования и систем ГИС [3,4].
ГИС
располагаются на МГ. ГИС МГ – совокупность технологического оборудования,
комплексов измерительных средств и систем коммерческого учета объемного расхода
газа, приведенного к стандартным условиям, поставляемого крупным потребителям
или районам.
Основной
критерий оптимального размещения ГИС в газотранспортных системах –
достоверность и воспроизводимость расходоизмерительных процессов и обеспечение
высокой степени точности измерения объемного расхода и коммерческого учета газа
при его добыче, транспортировке, хранении, переработке и распределении
потребителям [5].
На
рисунке 2 представлена принципиальная схема обобщенной газоизмерительной
станции [6], где:
1.
пылеуловители,
сепараторы, фильтры для удаления конденсата (жидкости)
2.
входная
коллекторная трубопроводная система
3.
входные
краны, задвижки
4.
патрубки
с вентилями для продувки входных измерительных трубопроводов
5.
входной
участок стабилизации газового потока измерительных трубопроводов
6.
стандартные
диафрагмы, турбинные расходомеры или ротационные счетчики газа
7.
выходной
участок стабилизации газового потока измерительных трубопроводов
8.
патрубки
с вентилями для продувки выходных измерительных трубопроводов
9.
выходные
краны, задвижки
10. входная коллекторная трубопроводная
система
11. пробоотборное устройство для
подключения соответствующих средств измерений газа
12. средства местного контроля
13. средства дистанционной передачи
измерений
14. средства контроля и регистрации
непрерывных измерений
15. вычислительная техника
рис. 2 Принципиальная схема ГИС
В
ходе работ по созданию системы управления исследованию подвергались
исключительно пограничные ГИС ЕСГ России, которые предназначены для учета
объемного расхода газа, поставляемого за пределы Российской Федерации,
расположенные непосредственно на границе РФ и сопредельных государств [7].
Целью
исследования было – изучение возможности модернизации существовавшей системы
управления ГИС и системы передачи информации от ГИС для ОСУРГ.
Автоматизированная
система управления технологическим процессом (АСУТП) предназначена для
выработки и реализации управляющих воздействий на технологическое оборудование
и реализованного на нем производства, это – человеко-машинная система управления, обеспечивающая
автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации
управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием [13].
Таким образом, система управления ГИС
является АСУ ТП.
В
качестве возможного решения для создания системы управления ГИС рассмотрена
возможность использования SCADA-систем.
SCADA
(аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское
управление и сбор данных) — программный пакет для сбора, обработки,
отображения, архивирования информации об объекте управления (ОУ) и возможного
управления ОУ с возможностью работы в реальном времени [8]. SCADA-системы широко используются для
построения различных систем АСУТП в различных областях и являются
универсальными средствами.
Многие
SCADA-системы
работают в реальном времени. Требование обработки информации в реальном времени
обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий
(сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же
время понятие реального времени отличается для различных SCADA-систем.
SCADA-системы
обладают характерными особенностями [9]:
·
автоматизированная разработка рабочих мест операторов, дающая
возможность создания программного обеспечения
системы автоматизации без
использования стандартных
языков программирования высокого
или низкого уровня;
·
средства
сбора информации от устройств нижнего уровня автоматизации – удаленными терминалами (Remote Terminal Unit,
RTU);
·
средства управления и
регистрации сигналов об
аварийных ситуациях; средства
архивирования и хранения измерительной информации
с возможностью ее
последующей обработки;
·
средства обработки
первичной измерительной информации;
·
средства визуализации
текущей исторической информации
в виде таблиц, графиков,
гистограмм, мнемосхем,
анимационных изображений;
·
печать
отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени;
·
ввод
и передача команд и сообщений оператора в Программируемый Логический Контроллер
(ПЛК) и другие устройства системы.
На
первый взгляд SCADA-системы полностью подходят для
разработки системы управления ГИС.
рис. 4 Топологическая схема организации системы
управления ГИС и системы управления группой
ГИС рис. 3 Топологическая схема организации АСУТП с использованием SCADA-систем
На основе
итогов исследования и результатов эксплуатации пограничных ГИС, а также
пожеланий работающего на них персонала была составлена топологическая схема
организации систем управления ГИС и группой ГИС, представленная на рисунке 4.
На
рисунке 3 представлена топологическая схема организации АСУТП с использованием SCADA-систем. Сравнительный анализ схемы
организации АСУТП с использованием SCADA-систем и составленной схемы систем
управления ГИС и группой ГИС подтверждает первоначальный вывод о применимости SCADA-систем для разработки последней.
Отличие
топологической схемы организации системы управления ГИС и системы управления
группой ГИС от топологической схемы
организации АСУТП SCADA-систем
заключается в том, что:
·
общая
интерфейсная шина не используется;
·
для
каждого устройства проложена отдельная линия связи;
·
протоколы,
использующиеся для обмена данными с устройствами – разные для каждого типа
устройств.
Проведенный
анализ существующих SCADA-систем
позволил выявить список наиболее подходящих для ГИС, и изучить возможности этих
систем, что позволило значительно сократить первоначальный список до пяти
систем, представленных в таблице 1.
Таблица 1
|
SCADA-система |
Фирма–разработчик |
Страна |
|
In Touch |
Wonderware |
США |
|
GENESIS |
Iconics |
США |
|
Simplicity |
GE Fanuc Automation |
США |
|
Trace Mode |
AdAstra Co. |
Россия, г. Москва |
|
MasterSCADA |
ЗАО «ИнСАТ» |
Россия, г.Москва |
У
всех указанных систем выявлены недостатки с точки зрения их использования на
ГИС:
1.
Невозможность
записи данных от устройств ГИС в БД SCADA-системы с меткой времени, полученной
устройством, а не с меткой времени получения данных SCADA-системой;
2.
Отсутствие
разработанных программ-драйверов для сопряжения с устройствами ГИС;
3.
Отсутствие
подсистемы автоматического управления;
4.
Необходимость
глубокого знания работы с конкретной SCADA-системой и опыт создания проектов в
ней;
5.
Высокая
стоимость: среды разработки, поддерживающих сервисов, дополнительных элементов,
серверов БД;
6.
Необходимость
покупки лицензии на каждую инсталляцию на новый компьютер;
7.
Сложности
с поддержкой.
Проведенные
аналитические исследования позволили сделать вывод о нецелесообразности использования
существующих SCADA-систем
для создания систем управления газоизмерительными станциями.
Существенными
недостатками, которые позволили сделать такой вывод, были признаны первые три:
1.
Невозможность
записи данных от устройств ГИС в БД SCADA-системы с меткой времени, полученной
устройством, а не с меткой времени получения данных SCADA-системой;
2.
Отсутствие
разработанных программ-драйверов для сопряжения с устройствами ГИС;
3.
Отсутствие
подсистемы автоматического управления.
Т.к. для коммерческого учета газа метка
времени от устройства (например, от вычислителя расхода газа) является
критичной, разработка программ-драйверов для работы с устройствами ГИС и
разработка подсистемы автоматического управления ГИС должны быть проведены в
любом случае с помощью каких-либо других средств разработки. Создание
специализированного программного обеспечения для системы управления ГИС,
которое обладало бы всеми свойствами SCADA-систем, имело подсистему
автоматического управления ГИС и набор программ-драйверов для устройств ГИС по
затратам незначительно отличается от разработки отдельного модуля подсистемы
автоматического управления ГИС и программ-драйверов для какой-либо,
существующей SCADA-системы.
Таким
образом, SCADA-системы
можно использовать для разработки систем диспетчерского управления и контроля
объектов ОСОДУ. При наличии возможности создания подсистемы автоматического
управления для SCADA-систем
их можно применять для ГИС МГ. Разработка программ-драйверов устройств и
подсистемы автоматического управления будет вестись с использованием других
средств разработки и языков программирования, которые не входят в пакет
поставки основных SCADA-систем.
Должна быть решена задача записи в базу данных с меткой времени от устройства,
а не от SCADA-системы.
Следует учитывать, что затраты на преодоление перечисленных проблем SCADA-систем сопоставимы с затратами на
создание системы управления с помощью других средств разработки, т.е.
нецелесообразно использовать для создания систем управления ГИС МГ и группы ГИС
какую-либо существующую на рынке стандартную SCADA-систему. Исключение может быть
сделано только с целью унификации с системами управления, установленными на
других объектах, облегчения эксплуатации, стандартизации, сокращения
номенклатур поддерживаемых в рамках ОСОДУ систем и простоты обучения персонала.
Литература
1. Лаврухин В.К. Программа поэтапного
развертывания работ по созданию Отраслевой системы оперативно-диспетчерского
управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения России. / Материалы НТС ОАО
«Газпром» Состояние и основные этапы создания единой отраслевой
автоматизированной системы учета расхода газа ООО «Газпром». – М.: ООО «ИРЦ
Газпром», 2000.
2. Панкратов В. С., Вербило А. С.
Автоматизированные системы диспетчерского управления ГТС. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001.
3. Подмарков В. Ю., Миронов Н. К.,
Гончаров В. В., Сужов И. Е. Автоматизация диспетчерского управления на уровне
ЦПДУ «Газпром». – М.: ОАО «Газпром», 2000.
4. Хомяков А.С. Некоторые аспекты
энергосбережения в Российской Федерации при учете расхода и количества
природного газа методом переменного перепада давления/ Материалы НТС ОАО
«Газпром» Состояние и основные этапы создания единой отраслевой
автоматизированной системы учета расхода газа ООО «Газпром».- М.: ООО «ИРЦ Газпром»,
2000.
5. Александрова И.С. Основные требования
к комплексу автоматизации ГИС / Материалы НТС ОАО «Газпром» Состояние и
основные этапы создания единой отраслевой автоматизированной системы учета
расхода газа ООО «Газпром». – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2000.
6. Редактор Р.И.Вяхирев Российская
газовая энциклопедия. – М.: «Большая Российская Энциклопедия», 2004.
7. Аграновский Е.А., Лактионов А.Г.,
Захаров Н.А., Меньшиков В.В. Газоизмерительная станция “Смоленская”,
Промышленные контроллеры АСУ, №8, 2002.
8.
Системы
диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-системы), «Мир компьютерной
автоматизации» №3, 1999.
9.
Деменков
Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. Информационные
технологии. №11. 2002.
10. Давидюк Ю. «SCADA-системы на верхнем уровне АСУТП». Intelligent Enterprise №13 (30), 2001.
11. Правила технической эксплуатации
Магистральных Газопроводов ВРД 39-1.10-006-2000, М. 2000.
12. Правила технической эксплуатации
Магистральных Газопроводов. – М.: «НЕДРА» 1982.
13. В.А. Втюрин, «Автоматизированные
системы управления технологическими процессами, основы АСУТП», Учебное пособие
для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и
производств» (по отраслям), Санкт-Петербургская государственная лесотехническая
академия имени С. М. Кирова, Санкт-Петербург 2006.