Общее описание программно-технического комплекса контроля и анализа энергопотребления "ПТК РЕГИОН"
Аннотация
В документе приведены характеристики, основные особенности и преимущества программно-технического комплекса контроля и анализа энергопотребления "ПТК РЕГИОН" (далее ПТК). Информация предназначена в первую очередь для специалистов региональных компаний по реализации газа и нефтепродуктов, тепло и водоснабжения, электроэнергетических предприятий.
Назначение
ПТК предназначен для организации системы сбора, обработки и анализа технологической информации с замерных узлов сетей энергоснабжения крупных потребителей в режиме реального времени и интеграции этой информации с данными смежных автоматизированных систем.
ПТК представляет собой многофункциональную двухуровневую телемеханическую систему. Первый уровень - комплекс контролируемых пунктов, расположенных непосредственно на объектах контроля (замерных узлах), второй - комплекс автоматического сбора данных, база данных технологических параметров, автоматизированные рабочие места персонала предприятия.
Основные компоненты, входящие в состав ПТК:
- Аппаратура MOSCAD транснациональной компании Motorola предназначена для создания систем диспетчерского контроля и управления распределенными объектами - нефте- и газопроводы, системы водоснабжения, ЛЭП, РРЛ, железные и шоссейные дороги, системы мониторинга окружающей среды, охранные системы и т.д.
- Система реального времени "Сириус-SCADA" представляет собой пакет программ, предназначенных для мониторинга и управления технологическими объектами в режиме реального времени;
- Программный комплекс "Пульсар", предназначен для интеграции разнородных данных и программ (расчетных модулей) в целостную распределенную систему обработки информации в масштабах предприятия. ПК "Пульсар" предназначен также для создания автоматизированных систем паспортизации (инвентаризации) и контроля состояния технологического оборудования различных сосредоточенных и распределенных промышленных объектов, интеграции их с автоматизированными системами управления технологическими процессами, различными базами и хранилищами данных, подключения к этим системам описания специализированных расчетных задач.
Преимущества применения ПТК
Внедрение ПТК позволит при минимальных затратах и сохранении существующей инфраструктуры предприятия:
- Повысить оперативность получения данных о параметрах поставки энергоносителей потребителям региона.
- Улучшить контроль дисциплины энергопотребления автоматизацией сбора данных с замерных узлов потребителей.
- Формировать историю изменения параметров потребления по объектам сети энергоснабжения.
- Моделировать различные режимы работы энергосети региона в целях обеспечения надежности поставки энергоносителей и прогноза состояния сети.
- Предоставить данные для решения задачи анализа сезонного, суточного и часового потребления энергоносителя и его прогнозирования с учетом неравномерности;
- Обеспечить информационную поддержку процесса принятия решений по управлению поставками энергоносителей в экстремальных ситуациях и оперативное взаимодействие с предприятиями - регуляторами.
Преимущества, отличающее внедрение ПТК от внедрения аналогичных по функциям систем сбора:
- Решается проблема оперативного сбора и обработки десятков тысяч параметров в режиме реального времени с десятков и сотен территориально удаленных объектов;
- Обеспечивается интеграция разнородных данных, в том числе данных реального времени, ретроспективных и справочных данных из автоматизированных систем, функционирующих на предприятии;
- Сохраняется или, по желанию, модернизируется, принятая у потребителей система коммерческого учета расхода энергоносителей;
- Руководители получают быстрый доступ к интегрированной достоверной информации, необходимой для принятия компетентных решений, по всем аспектам энергопотребления, в том числе в графическом виде.
Функции ПТК
Основные функции "ПТК РЕГИОН" - реализация многопользовательской системы автоматического сбора данных с замерных узлов энергоносителей, интеграция со смежными автоматизированными системами и представление информации в виде удобном для анализа.
Все функции ПТК связаны с автоматическим сбором, передачей, хранением и представлением оперативной информации о поставках и потреблении энергоносителей:
- Организация автоматического получения информации о поставках энергоносителей с замерных узлов потребителей;
- Оперативное управление процессом сбора данных от потребителей, в том числе изменение приоритета объектов при опросе и выбор состава передаваемых параметров;
- Управление процессом поставки энергоносителей потребителям при наличии на замерном узле регулирующего механизма;
- Сохранение информации о потреблении энергоносителя в базе данных реального времени;
- Интеграция с базами данных, содержащими информацию по потребителям, их технологическому оборудованию и оборудованию сети энергоснабжения;
- Предоставление данных по потреблению энергоносителя в виде графиков, таблиц, диаграмм и технологических схем, обновляемых в режиме реального времени, что позволяет своевременно обнаружить нежелательные тенденции энергопотребления;
- Предоставление данных для анализа и прогнозирования отбора энергоносителя потребителями региона на основе статистической обработки информации, формирования баланса энергопотребления;
- Предоставление данных для формирования аналитических материалов о тенденциях развития и текущем энергопотреблении региона в целом.
Значительное число потребителей в регионе, их территориальная разобщенность, а также перспективы развития региональных систем энергоснабжения предъявляют к системам автоматического сбора данных следующие требования:
- Надежность работы оборудования и программного обеспечения;
- Гибкость технических решений;
- Открытость архитектуры и максимальное использование стандартных решений, обеспечивающие возможность изменения архитектуры построения и свободное развитие системы.
Соответствовать этим требованиям позволяет использование в составе ПТК высоконадежных и проверенных временем технических решений, построенных на основе оборудования фирмы Motorola и системы "Сириус - SCADA", функционирующей под управлением операционной системы QNX - сочетания всегда отличающегося повышенной надежностью и безупречной работой в системах реального времени с большим количеством параметров.
Структура ПТК реализована в виде трех подсистем:
- Подсистема автоматического сбора информации с замерных узлов потребителей;
- Подсистема контроля технологического процесса, сбора и архивирования данных потребления энергоносителя;
- Подсистема анализа данных потребления и интеграции с реляционными базами данных.
Работа системы сбора информации на базе ПТК происходит в следующем режиме. Вычислители расхода осуществляют непрерывный контроль входных электрических сигналов и параметров потока энергоносителя, записывая информацию во внутреннюю базу данных для целей коммерческого учета. Подключенный к вычислителю промышленный контроллер взаимодействует с ним по заданному протоколу обмена и получает заданные параметры. По результатам сравнения новых параметров, старых параметров и допустимого интервала отклонения контроллер принимает решение о передаче нового измерения на верхний уровень.
Схема передачи данных от контроллеров нижнего уровня к контроллерам верхнего уровня может быть реализована в ПТК различными способами. При этом состав аппаратного обеспечения и архитектура построения системы остается прежней, меняются только пути прохождения информационных сигналов. На рисунках показаны два варианта схем связи системы:
Вариант схемы связи через Интернет.
Вариант схемы связи через телефонные модемы.
Вся информация от замерных узлов передается на сервер сбора и хранения технологической информации реального времени, где она обрабатывается и сохраняется в архиве. Изменения также передаются в центральную базу данных, где они обновляют параметры, связанные с текущим состоянием объектов.
Автоматизированные рабочие места персонала компании подключаются к серверу сбора данных и получают текущую информацию от замерных узлов в виде графиков, таблиц, схем и т.д. Системный инженер имеет возможность вносить изменения в программное обеспечение контроллеров, изменять маршруты передачи информации и состав передаваемых параметров.
Аппаратно-программный состав структуры ПТК предусматривает возможность его работы в режиме системы управления (ограничения) расходом энергоносителя при использовании регуляторов расхода.
ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Подсистема автоматического сбора данных в составе ПТК реализует следующие функции:
- Передача данных о расходе, давлении и температуре энергоносителя в информационную сеть потребителя по всем замерным узлам или выборочно;
- Регулирование (отключение) подачи энергоносителя потребителю с диспетчерского пульта;
- Сигнализация о несанкционированном вводе информации, об ошибках вычислителя;
- Маршрутизация сообщений.
Для организации сбора информации по сети передачи данных рекомендуется использовать сотовые модемы стандарта CDMA или GSM. Это позволит уйти от привязки к телефонным линиям заказчика и обеспечит оперативную связь с замерными узлами потребителей. Время получения текущих параметров вместе с часовыми и суточными итогами от одного узла не превышает 2 сек.
Для контроля и управления процессом сбора, передачи и приема данных в ПТК используется оборудование фирмы Motorola, отлично зарекомендовавшее себя в качестве средства сбора технологической информации. Функциональные модули контроллера Motorola имеют наработку на отказ более 300 000 часов, a контроллер в целом не менее 160 000 часов. Особо следует отметить, что широкий диапазон рабочих температур, автономное питание и средства самодиагностики позволяют использовать контроллеры Motorola в различных климатических поясах от юга страны до крайнего севера для построения распределенных систем сбора данных и управления технологическими процессами.
Контроллеры MOSCAD-L фирмы Motorola имеют модульную структуру. В каждом имеется модуль центрального процессора - ЦПУ, блок питания, и нескольких модулей ввода/вывода, обеспечивающих получение информации и управление объектом.
В системе телемеханики, построенной на базе MOSCAD-L, возможна полная дистанционная диагностика и изменение параметров настройки всех контроллеров. Это особенно важно при обслуживании объектов, в которых контроллеры могут располагаться друг от друга на десятки и сотни километров. Дисциплина сбора телемеханической информации в системе программируется разработчиком, используя следующие процедуры:
- по циклическому опросу;
- по заранее определенному расписанию;
- по событию;
- по любой комбинации вышеперечисленных методов.
Основной протокол обмена в системе MOSCAD - фирменный протокол MDLC - полностью реализует семиуровневую модель OSI, благодаря чему исключается вероятность потери данных в сети (вероятность ошибки составляет - 10 -12 ). Информация в сети MDLC может передаваться от контроллера к контроллеру, а не только к центру. Передача происходит сразу же, как только возникает необходимость, не дожидаясь запроса, по инициативе самого контроллера. Предоставляется возможность дистанционно запускать, останавливать, отлаживать и изменять пользовательские программы, работающие в каждом контроллере, в то время как другие контролеры по этим же каналам в то же самое время передают телемеханическую информацию, передают команды управления и т.д. Поскольку каждый контроллер представляет собой мощный компьютер плюс полнофункциональный маршрутизатор, то он способен осуществлять прием, передачу, буферизацию и маршрутизацию пакетов информации в сети передачи данных.
Для сопряжения с вычислителями (для газа СПГ-761, EK-88) используются специальные драйверы связи, благодаря которым контроллер MOSCAD L через последовательный порт RS232 может принимать параметры с вычислителей и передавать их на вышестоящий модуль сбора, установленный в региональной компании.
При отсутствии установленных у потребителя вычислителей расхода их функцию может выполнять специально запрограммированный метрологически аттестованный контроллер MOSCAD - L с комплектом датчиков.
Программируемые контроллеры MOSCAD L позволяют построить систему сбора данных обладающую максимальной открытостью и надежностью, настроить их на работу с любым вычислителем расхода. При загрузке соответствующего программного обеспечения контроллер можно использовать в качестве вычислителя расхода. Работу программного обеспечения можно контролировать с удаленного рабочего места, при необходимости внося требуемые изменения.
ПОДСИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, СБОРА И АРХИВИРОВАНИЯ ДАННЫХ
Функции подсистемы:
- Запись на диск данных по тысячам входных параметров с временным интервалом менее секунды;
- Сжатие данных для чтения и записи не менее 20 тысяч событий в секунду;
- Создание резервной копии данных и сохранение ее на другом носителе;
- Установка единого времени в контроллерах;
- Контроль параметров технологического процесса сбора информации с замерных узлов и тревог (отсутствие питающего напряжения, несанкционированный доступ и т.п.);
- Изменение архитектуры системы сбора и ее элементов без остановки технологического процесса;
- Встроенная система защиты для регламентирования действий пользователя или администратора.
Подсистема строится на базе программного обеспечения "Сириус - SCADA" под управлением операционной системы QNX, с использованием MOSCAD Toolbox, аппаратного и программного обеспечения контроллеров верхнего уровня на MCP-T, RTU - MOSCAD, а также драйверов связи с вычислителями расхода коммерческого назначения.
Обслуживание системы осуществляется с рабочего места системного инженера (администратора).
Вся информация с замерных узлов и системы диспетчерского управления попадает на сервер ведения базы данных реального времени "Сириус - SCADA". Сервер сбора данных позволяет единовременно записывать на диск данные по тысячам входных параметров с временным интервалом менее секунды, обеспечивает высокую степень сжатия данных, что позволяет хранить огромные массивы информации на обычных дисках. В среднем скорость записи и чтения данных с диска превышает 20 000 событий в секунду, что не может обеспечить ни одна реляционная СУБД. Администратор архива позволяет создать резервную копию данных и сохранить ее на другом носителе, не прерывая работы сервера. Встроенная система защиты позволяет регламентировать любые действия пользователя или администратора.
ПОДСИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, СБОРА И АРХИВИРОВАНИЯ ДАННЫХ
Функции подсистемы:
- Анализ параметров процесса потребления энергоносителя в режиме реального времени, включая расчет ключевых показателей;
- Дистанционный мониторинг заданной дисциплины энергопотребления;
- Интеграция с реляционными базами данных;
- Анализ и отчеты о режимах потребления и происходящих событиях;
- Контроль параметров и состояния замерных узлов, в том числе изменение уставок и темпа опроса по узлам;
- Прогнозирование потребления по данным истории и происходящих событий.
Функции подсистемы реализуются на рабочем месте диспетчера на базе программного комплекса "Пульсар", который обеспечивает полную интеграцию данных и программ из смежных систем. Взаимодействие с Active Directory, MS SQL Server, Oracle и т.д. позволяет строить на базе ПК "Пульсар" распределенную систему обработки информации в масштабах предприятия.
ПК "Пульсар" реализует также функции прикладных систем, начиная от разработки структуры базы данных, цифровой картографии до формирования аналитической отчетности. Архитектура комплекса позволяет компоновать систему из отдельных функциональных программных модулей в соответствии с требованиями Заказчика.
Пользователи системы общаются с ПТК на верхнем уровне средствами ПК "Пульсар", имеющего дружественный, легко перенастраиваемый интерфейс. Сохранность и достоверность информации на этом уровне обеспечивается при идентификации пользователей и административных настройках стандартными службами безопасности Microsoft.
После соответствующей настройки подсистема предоставляет пользователям информацию о текущих параметрах работы замерных узлов и объемах поставленного потребителям энергоносителя. Состав параметров и характеристики их опроса настраиваются администратором системы.
На основании собранной информации предоставляется возможность формировать графики истории изменения расходов энергоносителя по каждому потребителю (группе потребителей). Кроме того, отображаются измеряемые и вычисленные параметры замерных узлов на схемах, паспортных и отчетных формах, аналитических графиках и таблицах.
Примерный функциональный состав программного обеспечения для автоматизированных рабочих мест ПТК:
Рабочее место пользователя (диспетчера, метролога, руководителя и т.д.)
- Временные графики параметров замерных узлов;
- Изменение состава контролируемых параметров;
- Установка пределов изменений параметров, при превышении которых выдается визуальное предупреждение;
- Изменение цикличности опроса замерных узлов и отдельных параметров;
- Контроль тревог (превышение уставок, несанкционированный доступ, отсутствие питающего напряжения и т.д.)
- Прогнозирование энергопотребления
Рабочее место системного инженера (администратора):
- Установка единого времени во всех контроллерах;
- Определение (изменение) состава задач и функций контроллеров;
- Изменение архитектуры системы сбора и ее элементов;
- Настройка интерфейсов пользователей.
СОСТАВ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ И ВНЕДРЕНИЮ СИСТЕМ НА БАЗЕ ПТК
Рекомендуемый состав работ по созданию и внедрению систем автоматического сбора информации с замерных узлов и анализа энергопотребления на базе "ПТК РЕГИОН":
- Техническое задание на систему;
- Проект на установку системы передачи данных от замерных узлов потребителей (при необходимости);
- Подготовка спецификации, поставка программных и аппаратных средств для диспетчерской ("Сириус-SCADA" + QNX, MOSCAD Toolbox, драйверы связи с вычислителями, MCP-T, RTU MOSCAD);
- Настройка программного обеспечение контроллера верхнего уровня;
- Подготовка спецификации и поставка программных и аппаратных средств для замерного узла (RTU MOSCAD, корпус RTU BOX MOSCAD, блок питания, шкаф навесной для контроллера, GSM (CDMA) - модем);
- Настройка программного обеспечения контроллера нижнего уровня;
- Строительно - монтажные работы (при необходимости);
- Установка и настройка подсистемы передачи данных;
- Настройка программного обеспечения для рабочих мест пользователей (диспетчера, руководители, персонал подразделений);
- Настройка программного обеспечения для рабочего места системного инженера (системного администратора);
- Проведение шеф - монтажных и пусконаладочных работ системы сбора и хранения данных;
- Передача системы в эксплуатацию.
В состав ПТК не входит вычислительная техника и системное программное обеспечение.