CC BY
23
УДК 681.5.08
ПОЛЕВОЙ КОНТРОЛЛЕР ТЕЛЕМЕХАНИКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ
НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО СЕКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Сергей Викторович Алёшин, инженер-конструктор, E-mail: [email protected] ФГУП ЭЗАН http://www.ezan.ac.ru Валерий Николаевич Барков, нач. отд. АСУТП E-mail: [email protected] ООО ««Технократ» http://www.t-krat.ru Леонид Исаакович Бернер, д-р техн. наук, проф., ген. дир. АО «АтлантикТрансгазСистема» http://www.atgs.ru [email protected]
Владимир Григорьевич Горбунов, зам ген. дир., начальник СКБ E-mail: [email protected] ФГУП ЭЗАН http://www.ezan.ac.ru
Алексей Владиславович Рощин, канд. техн. наук, первый зам. ген. дир. по производству
E-mail: [email protected] АО «АтлантикТрансгазСистема» http://www.atgs.ru
В работе представлена актуальность разработки отечественного полевого контроллера телемеханики. Даны основные технические требования, выдвигаемые нефтегазовым сектором промышленной автоматизации. Представлено подробное описание ключевых особенностей разрабатываемого оборудования и его конкурентных преимуществ. Ключевые слова: полевой контроллер, телемеханика, АСУ ТП, импортозамещение.
Проект «Разработка полевого контроллера телемеханики для нефтегазового сектора» выполняется при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Договор 368ГР/37490).
Введение
В настоящее время в Российском сегменте нефтегазового сектора намечена тенденция к импортозамещению систем автоматизации и телеметрии на оборудование отечественной разработки [1 c. 60]. Согласно энергетической стратегии России на период до 2035 [2, с. 17] года активно будет поддерживаться развитие технологий автоматизации и использование современных отечественных информационных систем для обеспечения непрерывного технологического процесса в нефтегазовой сфере.
На текущий момент основную долю рынка в системах автоматизации и телеметрии занимают такие промышленные гиганты как Siemens, Emerson и General Electric. Ассортимент отечествен-
Бернер Л.И.
ных аналогов недостаточно широк для полного охвата всех направлений промышленной автоматизации. Также системы телеметрии накладывают дополнительные специфические требования к оборудованию.
В сложившейся ситуации компании АО «АтлантикТрансГазСистема», ФГУП ЭЗАН и российская инновационная компания ООО «Технократ» при поддержке Фонда содействия инновациям приступили к реализации проекта по разработке нового контроллера телемеха-ники с преимущественным использованием отечественной элементной базы.
Используя многолетний опыт внедрения и эксплуатации оборудования телеметрии и промышленной автоматизации, были выработаны следующие требования к разрабатываемому оборудованию:
- Простой, удобный и недорогой в изготовлении конструктив;
- Пониженное энергопотребление - для возможности использования на удалённых объектах с автономным питанием;
- Надежное электропитание;
- Дублирование линий связи - в целях повышения надёжности при нормальном функционировании и в условиях аварийной ситуации;
-Поддержка технологии горячей замены (hot swap) - возможность технического обслуживания оборудования без вывода его из эксплуатации;
-Адаптация к SCADA «Соната» и программно-аппаратная поддержка протокола BSAP, позволяющая использовать разработанные контроллеры и программное обеспечение для модернизации и расширения функций объектов, ранее укомплектованных оборудованием компании Emerson;
-Преимущественное использование отечественной элементной базы - независимость от иностранных поставщиков, доступность на отечественном рынке.
На первом этапе данной работы было разработано и утверждено техническое задание на разработку модульного контроллера телемеханики с интеллектуальным управлением питанием с возможностью горячей замены модулей, дублированной информационной шиной обмена данными CAN и выбран/согласован, разработанный ранее, простой, удобный и недорогой в изготовлении конструктив. На рисунке 1 представлен опытный образец основного каркаса с платой объединительной.
Функциональные возможности
Полевой контроллер предназначен для применения на объектах нефтегазового сектора в системах телемеханики для решения задач как сбора и первичной обработки данных с удалённых объектов, так и высокопроизводительных вычислительных операций для решения задач определения волны давления и расчёта частотных характеристик аналоговых сигналов. Для этого должен быть разработан набор электронных модулей (управления и ввода/вывода) и обеспечена возможность конфигурирования для различных вариантов комплектации контроллеров в зависимости от возложенных задач, требований по надежности, энергопотреблению и техническому обслуживанию. Разрабатываемый контроллер должен быть адаптирован к SCADA «Соната».
Рассмотрим особенности реализации вышеперечисленных требований в разрабатываемом полевом контроллере телемеханики.
Энергопотребление и надежное питание
Для обеспечения пониженного энергопотребления контролера была разработана интеллектуальная схема управления питанием. Информационная магистраль контроллера имеет специализированную линию прерывания, подключённую к каждому модулю ввода/вывода. Процессорный модуль (CPU), с помощью данной линии прерывания управляет режимом работы модулей. Процессорный модуль переводит модули ввода вывода в
Рис. 1. Основной каркас с платой объединительной
режим пониженного энергопотребления (sleep mode). Для обмена информацией CPU выдаёт прерывание на включение модулей (wake up) и осуществляет чтение или запись. Также для повышения надежности электропитания магистраль контроллера и модули имеют две независимые питающие шины, что позволяет при необходимости организовать подключение двух независимых блоков питания. Структурная схема интеллектуальной системы энергопотребления повышенной надежности показана на рисунке 2.
Дублирование линий связи
Современные системы сбора и обработки данных предъявляют дополнительные требования к гарантированной доставке информации на центральный узел при единичном повреждении линии связи [3, с. 46]. Для
обеспечения данного требо-
Барков В.Н.
I
Sleep mode
шина передачи данных —--
Sleep - mode
CPU
Модуль центрального процессора
\
I
1Z.
мси
Модуль ввода / вывода
1
шина питания 1
шина питания 2
î
Sleep mode
мси
Модуль ввода / вывода
£
1
Рис. 2. Структурная схема интеллектуальной системы энергопотребления повышенной надёжности
вания необходимо обеспечить возможность дублирования линий связи. Также системы дублирования передачи данных на всех уровнях значительно повышают надёжность всей системы, что особенно важно в системах автоматизации и телемеханики.
В разрабатываемом полевом контроллере предусмотрено дублирование линий связи с системами верхнего уровня, каждый процессорный модуль будет иметь по два независимых канала RS-485 и Ethernet.
Для повышения надежности исполнения функций контроллера предусмотрена возможность горячего резервирования в составе одного контроллера. С этой целью предусмотрена возможность установки в один каркас двух процессорных модулей и двух комплектов модулей ввода/вывода, каждый комплект обменивается информацией по отдельным высокоскоростным шинам CAN 2.0B [4]. На рисунке 3 показана трёхмерная компоновка проектируемого процессорного модуля.
Горячая замена
Оборудование систем телемеханики предназначено для непрерывной работы на удалённых объектах автоматизации. Одно из обязательных требований для оперативного восстановления выполняемых функций без вывода контроллера из работы - это горячая замена модулей ввода/вывода (hot swap). В модулях ввода/вывода разрабатываемого контроллера предусмотрена специальная схема задержки подачи питания при установке модуля в крейт. Данное решение позволяет менять модули ввода/вывода контроллера без отключения подачи питания и риска повреждения электронных схем. Встроенное программное обеспечение динамически обновляет информацию об установленных модулях и адаптивно корректирует состав контроллера.
Такое программно-аппаратное решение даёт возможность проводить оперативный ремонт контроллера с заменой вышедших из строя модулей без прерывания функционирования системы.
Рис. 3. Трёхмерная компоновка проектируемого процессорного модуля (CPU)
Технологии дублирования питания, линий связи, горячего резервирования значительно увеличивают как расчётные, так и статистические показатели надёжности оборудования. Если в контроллерах без вышеуказанного функционала нормой считаются значения наработки на отказ порядка в пределах 50 000 часов, то для разрабатываемого нами оборудования эти показатели, согласно проведённым расчётам по методике ГОСТ 27.301-95 [5], могут достигать 150 000 часов.
Протокол BSAP
Проприетарный протокол BSAP [6], базирующийся на физическом уровне RS-485 и Ethernet более 10 лет используется в оборудовании телемеханики компании EMERSON (США). В настоящее время в России значительная часть объектов нефтегазового сектора оснащена, как на аппаратном (контроллеры, датчики), так и на программном уровне (АСУ, SCADA) системами телемеханики работающим с использованием протокола BSAP. Адаптация программного обеспечения разрабатываемых контроллеров к обмену информацией по протоколу BSAP позволит модернизировать и расширять Рощин д.в. функции уже существующих систем телемеханики реализованных
на базе программно-технических средств компании Emerson. Это позволит продлить срок службы существующих систем при помощи отечественного оборудования.
Вышеописанный функционал разрабатываемого контроллера реализуется с преимущественным использованием отечественных программных и аппаратных компонентов. В частности, управляющие устройства модулей ввода/вывода будут реализованы на микроконтроллерах производства завода АО «ПКК Миландр» (г. Зеленоград), микропроцессоры для управляющих процессорных модулей будут применены либо отечественного производства, либо стран юго-восточной Азии.
Заключение
Авторы считают, что в данной работе основными являются следующие положения и результаты:
Разрабатываемый контроллер является проектно-компонуемым устройством с широкими возможностями создания систем телемеханики различной степени сложности и требуемой надежности.
Пониженное энергопотребление позволит использовать данный контроллер на удалённых объектах с ограниченным энергоснабжением.
Адаптация к протоколу BSAP позволит импортозаместить оборудование необходимое для реконструкции и расширения существующих систем телемеханики реализованных на программно-технических средствах компании Emerson.
Партнёрство компаний АО «АтлантикТрансГазСистема» (имеющего значительную компетенцию в создании и поддержки систем автоматизации и телеметрии в нефтегазовом секторе), ООО «Технократ» (имеющего опыт и технический задел в разработке современных программно-технических средств автоматизации) и ФГУП ЭЗАН (промышленное предприятие по производству высокотехнологичного оборудования) позволит создавать, изготавливать и поддерживать требуемые для нефтегазового сектора России современные системы телемеханики на базе отечественных программно-технических средств.
Литература
1. Годовой отчет ПАО «Газпром» за 2016 год.
2. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года (основные положения).
3. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей. Министерство связи Российской Федерации.
4. CAN Specification 2.0, 1991.
5. ГОСТ 27.301-95 «Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения».
6. BSAP Communications Application Programmer's Reference. 2013.
Field telemechanics controller based on national made hardware components for application on the objects of oil and gas industry
Aleshin Sergey, Harware engineer, EZAN
Barkov Valeriy, Head of process controls ystems Deaprtment, Technokrat Berner Leonid, Dr. Sci., Prof., General director, ATGS Gorbunov Vladimir, Design engineer, EZAN Roshchin Alexey, first deputy director general, ATGS
The work presents the development actuality of the domestic field controller for telemechanics applications. The main technical requirements putted forward by the oil and gas industrial automation branch are given. A detailed description of the key features of the equipment and its competitive advantages are presented.
Keywords: Field controller, telemechanics, industrial-control system, localization.
УДК 004.056.53, 338.1
ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ЦИФРОВОЙ ЭКОНОМИКЕ
Анатолий Степанович Минзов, д-р тех. наук, проф. каф. информационной и экономической безопасности E-mail: [email protected], Александр Юрьевич Невский, канд. техн. наук, зав. каф. информационной и экономической безопасности E-mail: [email protected] Олег Юрьевич Баронов, канд.техн. наук, проф. каф. информационной и экономической безопасности E-mail: [email protected], НИУ «МЭИ» http://mpei.ru
В статье рассматриваются особенности создания систем информационной безопасности в цифровой экономике для киберфизических систем. На основе анализа стандартов NIST исследуются различные условия применения примитивов киберфизических систем их свойства и возможные угрозы. Анализируется содержание программы «информационная безопасность» в цифровой экономике.
Ключевые слова: цифровая экономика, информационная безопасность, киберфи-зические системы, интернет вещей.
Введение
В соответствие с Указом Президента Российской Федерации [1] в Правительстве была разработана Программа "Цифровая экономика Российской Федерации" [2], направленная на создание условий для развития общества знаний в РФ, повышение благосостояния и качества жизни граждан нашей страны путем повышения доступности и качества товаров и услуг, произведенных в цифровой экономике с использованием современных цифровых технологий, повышения степени информированности и цифровой грамотности населения, улучшения доступности и качества государственных услуг для граждан, а также безопасности как внутри страны, так и за ее пределами. Сегодня практически ни у кого не вызывает сомнение тезис о том, что цифровая экономика современного государства должна строится на платформах с высокоразвитой инфраструктурой информационных
