главная   карта сайта   в избранное   e-mail
   О компании    
   Новости    
   Продукция    
   Прайс-лист    
   Контакты    

  Авторские статьи по приборной продукции, котельному и промышленному оборудованию  
Как выбрать котельную автоматику
Контрольно-измерительные приборы
Контроль пламени
Автоматизация тепловых пунктов
Газорегуляторные пункты и газорегуляторные установки
Горелка газовая
Горелка инфракрасного излучения
Горелка газомазутная
Котел паровой водогрейный
Жаротрубный котел
Теплосчетчик
Рекомендации по подготовке блоков БУС-12, БУС-14, БУС-15 к пуску
Анализ микропроцессорных устройств управления тепловыми установками
Регулирующее устройство
Автоматизация систем теплоснабжения
Промышленные механизмы МЭО для АСУ ТП
Водотрубный котел
Котлоагрегат
Котельная установка
Способ точного измерения параметров аналоговых регулирующих устройств с импульсным выходным сигналом
Технический проект модернизации РП4-УМ2
Технический проект модернизации Р25.1.М2
Пускатели ПБР
Наши патенты
Нормирующий преобразователь НП-П10М (модернизированный)
Формирователь удерживающего тока ФУТ-1М
Схемы приборов
Регулятор модернизированный Р25.1.1 М3, Р25.1.2 М3
Некоторые способы экономии теплоэнергетических ресурсов
Методика настройки порога срабатывания концевых выключателей механизмов МЭО
О взаимозаменяемости различных типов механизмов МЭО
Схема для измерения динамических параметров аналогового регулирующего устройства

















» www.tenco.ru » Авторские статьи по приборной продукции, котельному и промышленному оборудованию

Анализ микропроцессорных устройств управления тепловыми установками

 

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ

Микропроцессорные устройства в последнее время существенно потеснили электромеханические и даже электронные, особенно в западных странах. Специалисты спорят, хорошо это или плохо, но такова всеобщая тенденция. Россия пока находится только в начале этого пути, однако процесс более широкого применения микропроцессорных устройств набирает силу и в нашей стране. Опыт применения микропроцессорных устройств позволил не только оценить их преимущества, но и выявить серьезные недостатки. Микропроцессорные устройства зачастую приносят дополнительные проблемы эксплуатирующему персоналу.

Микропроцессорные устройства являются весьма сложными устройствами со специфическим принципом действия, не имеющим ничего общего с традиционными аппаратными устройствами. Микропроцессорное устройство – это самый настоящий компьютер, содержащий дополнительно набор входных и выходных узлов, согласованных по параметрам с внешними сигналами. Записанная в специальный чип (фактически в постоянное запоминающее устройство – ПЗУ), программа позволяет обрабатывать входные сигналы таким образом, чтобы смоделировать действие того или иного вида устройства. Заменив один такой чип на главной плате на другой, можно получить устройство любого типа. То есть микропроцессорное устройство является всего лишь виртуальным, а не настоящим.

Можно возразить, что многие из имеющихся на рынке устройств на самом деле являются узкоспециализированными, предназначенными для выполнения строго определенного и весьма ограниченного набора функций, присущих только устройствам конкретного вида. Да и называются они как конкретный вид устройств, например «Блок управления котлом ДКВР».

Программирование микропроцессорного устройства сводится в основном к записи в его память требуемых временных интервалов, выбора того или иного типа рабочей характеристики из некоторых возможных. Но и в этом случае ограничения на выполняемые функции накладываются вовсе не микропроцессором, которому совершенно всё равно, какие сигналы обрабатывать, а ПЗУ, в котором записана программа работы этого микропроцессора, и количеством входных и выходных каналов.

Если использовать в устройствах, выполняющих функции, не ПЗУ с программой, записанной производителем, a СППЗУ (стираемое программируемое запоминающее устройство) или ЭСППЗУ (электрически стираемое программируемое запоминающее устройство), и портативный программатор, позволяющий записать в память любой алгоритм действия микропроцессора, то вместо узкоспециализированного устройства получим некое универсальное устройство управления тепловыми установками.

При этом оно практически ничем не будет отличаться от широко применяемых сегодня универсальных микропроцессоров с цифровыми и аналоговыми входами. Каждое такое устройство может иметь десятки модулей для преобразования входных сигналов в двоичный цифровой код, сотни виртуальных таймеров разных видов, компараторов, счетчиков с различной конфигурацией, разных типов триггеров, одновибраторов, огромное количество регистров памяти, используемых для записи промежуточных результатов, мощные выходные модули и т.д.

Из этого набора виртуальных элементов с помощью компьютерной программы, работающей под Windows, рисуют на экране (почти как в известных графических программах) сложнейшие системы автоматики, которые затем загружают в контроллер. Включив опцию «симуляция», можно увидеть на экране компьютера, как будет работать вся эта система автоматики в режиме реального времени или в специально смоделированных аварийных режимах.

Совершенно очевидно, что внутренняя архитектура и принципы работы микропроцессорных устройств имеют очень мало общего с устройствами, определенными как электрические аппараты. Поэтому внутреннее устройство и принцип действия микропроцессорных устройств, в том числе и устройство управления тепловой установкой, должны рассматриваться и изучаться не только специалистами по промышленной автоматике, а и специалистами в области компьютерной техники.

Однако, поскольку такие виртуальные микропроцессорные устройства широко применяются в качестве управляющих устройств, целесообразно рассмотреть некоторые важные аспекты, связанные с применением конкретных управляющих устройств. Сначала рассмотрим те преимущества микропроцессорных устройств, которые отмечаются в рекламных проспектах производителей.

Преимущества микропроцессорных устройств.

Позволяют записывать и потом воспроизводить для анализа аварийной ситуации режимы, непосредственно предшествовавшие аварии и в течение аварии. А разве раньше такой возможности у эксплуатационников не было? Разве не существует огромное количество всевозможных регистраторов аварийных режимов и регистраторов срабатываний защиты? ABB, Areva, Siemens, Ametek, NextPhase, Dewetron – далеко не полный перечень ведущих мировых производителей таких регистраторов и анализаторов аварийных режимов.

Позволяют с помощью подключенного компьютера изменять уставки срабатывания и переходить с одной характеристики на другую чисто программными средствами. Это действительно удобнее, чем настраивать устройство с помощью перемычек, потенциометров, но сколько раз в течение нескольких лет приходится в реальных условиях изменять режимы настройки? Два-три, не больше.

Позволяют передавать всю информацию о состоянии устройств и тепловой установки на удаленные диспетчерские пункты через специальные каналы связи. А разве до микропроцессорных устройств не применялись дистанционные многоканальные системы передачи данных, осуществляющие передачу информации о срабатывании каждого электромеханического реле на главный диспетчерский пульт?

Позволяют менять конфигурацию устройств: включать или отключать отдельные функции (то есть, как бы подключать или отключать отдельные узлы) чисто программными средствами, с помощью подключенного внешнего компьютера. Это действительно намного удобнее, чем устанавливать дополнительные узлы и переделывать монтаж в панелях аппаратных устройств. Но опять возникает тот же самый вопрос: как часто приходится прибегать к таким операциям? Один или два раза за весь срок службы этих устройств.

Одно небольшое по размерам микропроцессорное устройство может заменить целую группу обычных электрических аппаратов. Особенно это относится к сложным устройствам управления и защиты, типа дистанционных. Благодаря этому можно сэкономить дорогостоящие площади, занимаемые шкафами, щитами с аппаратурой. Действительно, сложные микропроцессорные устройства занимают площади для монтажа в 5–10 раз меньшие, чем аналогичный по функциональным возможностям комплект обычных устройств. Но вот каверзный вопрос: какую часть площади всей котельной удастся сэкономить при переходе от обычных аппаратных средств к микропроцессорным? Одну стотысячную или одну миллионную?

Позволяют реализовать значительно более высокую чувствительность к аварийным режимам, чем аппаратные устройства. Но вопрос в том, всегда ли нужна такая чувствительность и точность в устройствах управления теплоэнергетическими объектами? Во многих случаях бывает избыточной чувствительность даже обычных электромеханических или электронных устройства и их приходится искусственно загрублять.

Кажется неоспоримым тот факт, что микропроцессорное устройство, не содержащее большого количества аппаратных элементов, намного надежнее в работе, чем сложное устройство со множеством взаимодействующих элементов. Но это только на первый взгляд. При более тщательном рассмотрении оказывается, что всё не так просто.

Количество элементов, из которых построено микропроцессорное устройство, в сотни-тысячи раз больше, чем количество элементов, из которых состоит электроаппаратное устройство. А из теории надежности известна обратно пропорциональная зависимость между количеством элементов и надежностью сложных систем. Что касается надежности самих элементов, то и тут не всё так просто. В электроаппаратном устройстве под воздействием внешних факторов, способных вызвать повреждение, находятся лишь всевозможные электрические проводники и изоляция внутренних монтажных проводов. Сами по себе это очень надежные и устойчивые элементы, но если бы возникла необходимость в дальнейшем повышении надежности, то электромонтаж можно было бы пропитать эпоксидным компаундом под вакуумом и использовать монтажные проводники во фторопластовой изоляции.

В микропроцессорных устройствах практически все электронные элементы находятся под воздействием приложенного напряжения питания, часть из них – и под воздействием входного тока или напряжения, а часть элементов постоянно находится в режиме генерации и обработки сигналов. Некоторые компоненты усиленно стареют в таком режиме и являются причиной большинства отказов устройств. Не удивительно, что надежность микропроцессорных устройств ниже, чем полупроводниковых статических устройств. Компоненты микропроцессорных устройств выходят из строя чаще, чем элементы устройств других видов. При этом отмечается, что имеющийся в сложных микропроцессорных устройствах внутренний мониторинг исправности недостаточен. Во-первых, это мониторинг только основных режимов крупных функциональных блоков, а не исправности элементов, во-вторых, информация о выходе из строя какого-то блока поступает к персоналу уже после того, как состоялся отказ устройства. То есть наличие такой внутренней самодиагностики не увеличивает надежность.

Недостатки микропроцессорных устройств.

Внезапная потеря оперативного питания во время работы устройств, вызванная перегрузкой или коротким замыканием в сети, срабатыванием автоматических выключателей в цепи оперативного питания, попаданиями молнии в линии электропередачи, обрывами проводов и др. Такие повреждения могут привести к прерыванию текущей работы оперативной памяти, зависанию микропроцессора, а иногда и к полной потере данных в том случае, если не приняты специальные меры по организации бесперебойного питания устройств.

Электромагнитные шумы или помехи в цепях питания и во входных цепях устройств. Такие помехи могут быть вызваны различными факторами и явлениями, например, коммутационными или атмосферными перенапряжениями, излучениями передатчиков или мощного промышленного оборудования, несинусоидальностью напряжения. Из практики эксплуатации микропроцессорных устройств известны случаи, когда источником такого излучения, нарушившего нормальную работу, был обычный телефон сотовой связи.

Несимметричные режимы в сети и режимы, связанные с провалами напряжения и с длительным (в течение нескольких секунд и более) понижением уровня напряжения. Такие режимы возникают при включении мощной однофазной нагрузки, при пусках мощных электродвигателей исполнительных устройств, сварочных аппаратов и др., а также при дефиците мощности в энергосистеме в часы пик. Сложные микропроцессорные устройства обычно снабжаются сложными и дорогими источниками питания, способными обеспечить необходимый уровень напряжения на элементах схемы даже при глубоких провалах напряжения питания. Однако в более простых устройствах такие режимы приводят к нарушению их правильной работы. Причем такие нарушения иногда приводят к очень тяжелым авариям тепловых установок, так как работа микропроцессора при пониженном уровне напряжения питания становится совершенно непредсказуемой.

Перенапряжения в сетях, вызванные сбросом нагрузки, или импульсные коммутационные перенапряжения, которые могут проникнуть устройства через питающую сеть и привести к повреждениям внутренних элементов и полному отказу устройств. Конечно, существуют международные стандарты, в которых изложены требования по защите устройств от всех этих воздействий, и разработчики устройств принимают специальные меры. Однако практика показывает, что далеко не всегда это спасает от повреждений даже устройств ведущих фирм мира.

В литературе описано много случаев сбоев и даже повреждения микропроцессоров от перенапряжений. Известны, например, случаи масcовых отказов микропроцессорных устройств времени, установленных на атомных электростанциях США. Микропроцессорные устройства, особенно сложные, например такие, как дистанционные, не всегда адекватно ведут себя при сложных авариях. Довольно часто наблюдаются случаи сбоев и неправильной работы сложных микропроцессорных устройств в реальных условиях эксплуатации. Причем, если проверять такое устройство на обычном лабораторном стенде при стандартных сигналах на его входах, то оно будет работать четко и надежно. Проблема заключается в том, что на таком стенде невозможно заранее сымитировать все возможные комбинации и искажения сигналов, которые могут произойти в реальной ситуации. Невозможно заранее предусмотреть такие случаи и при разработке устройств.

Эта ситуация чем-то напоминает проблемы с персональным компьютером, когда совершенно исправная мощная машина, снабженная неповрежденной мощной программной оболочкой Windows, неожиданно зависает при определенном наборе команд или при одновременном запуске нескольких программ. В большинстве случаев такие проблемы невозможно заранее предусмотреть и предупредить. Сбои, как известно, периодически происходят даже в многократно прорезервированной космической технике.

Существует довольно странная, на первый взгляд, ситуация, при которой быстродействующие микропроцессорные защиты реагируют на аварийный режим гораздо медленнее, чем полупроводниковые или даже электромеханические. В некоторых системах для повышения надежности на параллельную работу включены и микропроцессорные, и аппаратные устройства. При анализе аварийных ситуаций неоднократно оказывалось, что аппаратное устройство срабатывало и отключало агрегат до того, как успевало отреагировать микропроцессорное аппаратные устройство. Это связано с тем, что, в отличие от электромеханического или электронного устройства, микропроцессорное работает со входными сигналами дискретно. Оно «захватывает» текущие значения входных величин, помещает их в буфер, затем захватывает еще один комплект входных величин через определенный промежуток времени и сравнивает его с помещенным в буфер. Если второй комплект окажется идентичным первому, входные величины отправляются в микропроцессор для обработки. В аварийных переходных режимах микропроцессору приходится обрабатывать большие массивы информации в режиме реального времени, сопровождающегося быстрыми и значительными изменениями входных сигналов, и для этого ему необходимо определенное время. Более того, если уже после запуска микропроцессора ситуация изменилась, то запущенный процесс вычисления прерывается и все измерения начинаются сначала.

Информационная избыточность.

Многие микропроцессорные устройства имеют параметры, не являющиеся однозначно необходимыми и только загромождают и без того сложную процедуру пуско-наладочных работ. Существуют параметры не несущие никакой функциональности. Например, степень яркости экрана, цвет его свечения, цвет информационных сообщений на экране, время сохранения данных на нём, многочисленные варианты назначения функций каждого из полутора десятков светодиодов, расположенных на передней панели устройства. В программе, приданной к микропроцессорному устройству, имеются, чуть ли не десятки вариантов каждого параметра, которые могут быть выбраны из библиотеки параметров. Часто эти варианты также избыточны. Такая явная избыточность приводит к резкому возрастанию вероятности ошибки и увеличения веса так называемого «человеческого фактора». Проблемы, связанные с человеческим фактором, возрастают многократно, если одной и той же группе людей приходится обслуживать устройства разных производителей, имеющих различные программы, интерфейсы, принципы выбора уставок.

Эксплуатационная эффективность микропроцессорных устройств.

Увеличение числа типов изделий одинакового назначения различных фирм, находящихся в области обслуживания персонала объекта, существенно увеличивает нагрузку на персонал и, как следствие, ведет к возрастанию вероятности ошибок. Это обусловлено относительной сложностью микропроцессорных устройств, некоторые из которых имеют сотни параметров и генерируют тысячи сообщений. При этом каждый производитель имеет не только различные наименования и номера сходных по назначению параметров, но и свой «почерк» построения функций и обслуживания.

Можно выделить следующие основные факторы, обуславливающие неправильные действия, отказы, излишние или ложные срабатывания микропроцессорных устройств:

- ошибки в проектировании и монтаже устройств;

- невыясненное несоответствие функций устройств принятой концепции управления тепловой установкой;

- неправильный выбор функций, параметров и уставок;

- ошибки при включении их в эксплуатацию;

- неисправности, возникшие в процессе эксплуатации вследствие отказа (отклонения параметров элементов), сбоя программы или других причин;

- недостаточная квалификация обслуживающего персонала.

Указанные факторы приводят к тому, что, несмотря на высокое техническое совершенство микропроцессорных устройств, их реальная эксплуатационная эффективность, особенно на первоначальных этапах, оказывается ниже, чем у устройств предыдущих поколений.

Возможность дистанционных преднамеренных воздействий на микропроцессорное устройство целью нарушения ее нормальной работы.

Сегодня интенсивные исследования в области электромагнитного оружия ведутся в России, США, Англии, Германии, Китае. В последние годы многие разработки прошлых лет, например такие, как компактные сверхмощные импульсные источники направленного электромагнитного излучения мощностью до 1 ГВт, были рассекречены и теперь свободно предлагаются к продаже, как на Западе, так и в России. «Электромагнитный терроризм», способен вызвать техногенные аварии национального масштаба (подобные той, которая произошла в Нью-Йорке в августе 2003 года). Электронные компоненты, такие как микропроцессоры, работающие на высоких частотах при низких уровнях напряжений, особенно подвержены воздействию внешних преднамеренных электромагнитных излучений. Однако лишь совсем недавно в ряде организаций начаты серьезные практические исследования воздействий таких излучений на электронную аппаратуру энергетических систем. Эти исследования возглавляются и координируются в США KEMA и Sandia National Laboratory.

Но даже без специальных исследований совершенно очевидно, что микропроцессорные устройства гораздо менее устойчивы к таким воздействиям, чем электромеханические и даже электронные. Кроме того, оказывается, что «электромагнитный терроризм» – не единственный вид современного дистанционного терроризма, которому подвержены микропроцессорные устройства. Существует еще и такой вид электронных интервенций, как «кибер-атаки». В наше время хакерские атаки через компьютерные сети, телефонные линии, Интернет всё чаще становятся оружием террористов.

Выводы

Микропроцессорные устройства не привнесли в систему управления тепловыми установками какие-то новые функции. Они всего лишь объединили функции отдельных аппаратов, добавив функции, выполнявшиеся ранее регистрирующими приборами.

Микропроцессорные устройства не обеспечили более высокий уровень надежности технологических агрегатов и не облегчили работу проектировщикам, наладчикам, эксплуатационникам, ремонтникам, а возможно и усложнили её. С этой работой вряд ли справится специалист со средним специальным образованием, каких в теплоэнергетике, а особенно в малой большинство.

Как отмечается в исследовании, выполненном в Israel Electric Corporation, «микропроцессорные устройства возникли как результат прогресса в области электроники и в развитии электронных средств». Так зачем же потребовалось усложнять себе жизнь и вводить в эксплуатацию сложные микропроцессорные устройства, с одной стороны, не имеющие никаких существенных преимуществ перед традиционными, а с другой, обладающие целым веером собственных проблем?

Оказывается, на это есть одна очень существенная причина. Но она лежит не в сфере теплоэнергетики, которую мы рассматривали до сих пор, а в сфере производства устройств. Производить микропроцессорные устройства несравненно более выгодно, чем электронные. Это объясняется возможностью полной автоматизации всех технологических процессов производства и контроля параметров микропроцессорных устройств. Крупнейшие международные концерны, такие как ABB, General Electric, Siemens, Alstom, уже давно стали «законодателями моды» в области энергетики и определяют сегодня магистральные пути её развития.

Несмотря на отмеченные недостатки и проблемы, тенденции развития промышленной автоматики таковы, что широкое и всё возрастающее применение микропроцессорных устройств неизбежно. В связи с этим теплоэнергетические предприятия должны четко представлять те трудности и проблемы, с которыми им придется столкнуться, и заблаговременно принять все необходимые меры. В первую очередь неизбежны затраты на обучение, повышение квалификации и содержание персонала всех уровней.

Цепи питания микропроцессорных устройств должны иметь полную гальваническую изоляцию от электрической сети, например, за счет использования системы мотор-генератор. Если по экономическим причинам это невозможно, должны быть использованы мощные высокочастотные фильтры и ограничители напряжений во всех ступенях цепей питания, цепей тока и напряжения. Устройства должны быть установлены в полностью металлических шкафах, изготовленных по специальной высокочастотной технологии (с использованием электропроводных резиновых прокладок и смазок и т.п.). Необходимо принять специальные меры по снижению сопротивления цепей заземления, разделению цепей заземления высокочувствительной электронной аппаратуры и силовой высоковольтной.

Необходимо обеспечить нейтрализацию возможности преднамеренного дистанционного воздействия на микропроцессорные устройства террористами и криминальными элементами. Это достигается заменой всех электрических проводов, подключенных к микропроцессорному устройству (за исключением питания), на оптоволоконные кабели и использованием оптоэлектронных трансформаторов тока и напряжения взамен традиционных электромагнитных.

Вот та цена, которую необходимо заплатить за прогресс в области теплоэнергетики.

 

Владимир Гуревич,

канд. техн.наук, почетный профессор,

начальник сектора Центральной Лаборатории

Электрической компании Израиля, эксперт

Комитета ТС94 Международной электротехнической

комиссии

 

Литература

1 Matsuda T., Kovayashi J., Itoh H., Tanigushi T., Seo K., Hatata M., Andow F. Experience with Maintenance and Improvement in Reliability of Microprocessor-Based Digital Protection Equipment for Power Transmission Systems. Report 34–104. SIGRE Session, 30 August – 5 September 1992, Paris.

2 Aspects of Digital Protective Relaying. Report RE-626. Research and Development Division of Israel Electric Corp., 1991.

3 Information Notice No. 94–20: Commoncause Failures Due to Inadequate Design Control and Dedication. – Nuclear Regulatory Commission, March 17, 1994.

4 Gurevich V. Electromagnetic Terrorism: New Hazards. – Electrical Engineering & Electromechanics, 2005, No. 12.

5 Wik M. W. Electromagnetic Terrorism – What are the Risks? What can be Done? – International Product Compliance Magazine, 1997.


Назад Вперед 

наверх  |  назад  |  главная  |  карта сайта  |  новости  |  e-mail