7 (812) 33-33-121

Автоматизация энергоснабжения Надеждинского металлургического завода

24 March 2013
Компания «Сумма технологий» выполнила работы по реконструкции системы управления энергоснабжением Надеждинского металлургического завода ПАО «ГМК «Норильский никель». В рамках проекта была произведена замена телемеханического комплекса ТМ-301 на соответствующую современным требованиям автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управления энергоснабжением.

Во время подготовки данной статьи завершились работы по внедрению и вводу в промышленную эксплуатацию автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления энергоснабжением Надеждинского металлургического завода ОАО «ГМК «Норильский никель» (АСОДУЭ НМЗ). Одними из основных особенностей этой системы можно считать территориальную удалённость точек контроля и управления, использование в качестве каналов передачи данных различных интерфейсов, сбор данных со счётчиков электроэнергии по последовательному каналу с протоколом Modbus, необходимость интеграции в проект существующих систем автоматики и диспетчеризации.

Введение

В октябре 2012 года компания «Сумма технологий», имеющая статус Solution Partner компании Siemens в области промышленной автоматизации, завершила работы по реконструкции системы диспетчерского управления энергоснабжением Надеждинского металлургического завода ОАО «ГМК «Норильский никель». В рамках проекта была произведена замена выработавшего свой ресурс телемеханического комплекса ТМ-301, введённого в эксплуатацию в 1982 году, на соответствующую современным требованиям автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управления энергоснабжением (АСОДУЭ НМЗ).

АСОДУЭ НМЗ представляет собой высоконадёжную и многофункциональную систему контроля и управления снабжением переделов Надеждинского металлургического завода необходимыми энергоресурсами. Данное решение выполнено на базе программно-технического комплекса Siemens Simatic PCS7, имеет открытую архитектуру и соответствует современным требованиям в области энергетического менеджмента, энергоэффективности, надёжности и удобства в использовании.

Основными целями разработки и внедрения АСОДУЭ НМЗ являлись:

  • обеспечение надёжности работы систем энергоснабжения предприятия;
  • оперативное распределение технологических нагрузок;
  • учёт потребления различных энергоносителей в реальном времени;
  • накопление данных для анализа, планирования и выработки оптимальных режимов работы систем энергоснабжения на основе точных данных по потреблению энергии и мощности;
  • повышение эффективности диагностики повреждений и сокращение времени на локализацию и ликвидацию аварийных ситуаций.

Результатом внедрения системы стало повышение надёжности работы систем энергоснабжения завода, обеспечение оптимальных режимов ведения энергоёмких технологических процессов. В дальнейшем всё это позволит уменьшить время простоев технологического оборудования, снизить долю энергозатрат в себестоимости продукции и сократить производственные издержки завода в целом.

Автоматизируемые объекты

К основным технологическим переделам Надеждинского металлургического завода им. Б.И. Колесникова относятся: пирометаллургическое производство (ПМП), гидрометаллургическое производство (ГМП), кислородная станция, а также вспомогательные цеха и объекты. Система энергоснабжения НМЗ представляет собой сложную иерархическую многоуровневую структуру, в состав которой входят следующие подсистемы:

  • электроснабжения;
  • тепловодоснабжения;
  • оборотного водоснабжения;
  • снабжения кислородом;
  • снабжения азотом;
  • снабжения паром;
  • снабжения сжатым воздухом;
  • снабжения природным газом;
  • производственного и хозяйственно противопожарного водоснабжения.

Электроснабжение осуществляется со стороны вводной подстанции РП-2 напряжением 35 кВ и 10 кВ, а также со стороны ТЭЦ-3 (ПО «Норильскэнерго») напряжением 10 кВ. Обеднительные электропечи плавильного цеха (ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-3, ОЭП-4) запитываются от РП-2 по шинопроводам ШП-4 и ШП-6 напряжением 35 кВ. Питание распределительных подстанций РП-101, РП-102, РП-103, РП-108 осуществляется по шинопроводам ШП-1 и ШП-2, закольцованным со стороны РП-2 и ТЭЦ-3, напряжением 10 кВ. Кислородная станция КС-2 получает электроэнергию от ТЭЦ-3 по шинопроводам ШП-3 и ШП-4 напряжением 10 кВ. Главные понизительные подстанции ГПП-46 (насосная концентратохранилища) и ГПП-51 (Кайерканский угольный разрез) подключены к воздушным линиям с напряжением 110 кВ, понижаемым далее до 6 кВ. Остальные распределительные подстанции (РП) предприятия запитываются напряжением 10 кВ по кабельным вводам.

Ячейки РП-2, комплектное распределительное устройство (КРУ) и головное распределительное устройство (ГРУ) ТЭЦ-3 обеспечивают распределение электроэнергии по всем заводским РП и трансформаторным подстанциям и далее через них – по высоковольтным потребителям, а также по потребителям пониженного напряжения 10/0,4, 10/0,69, 6/0,4 кВ. Основным технологическим оборудованием РП, которое требует диспетчерского контроля и управления, является коммутирующая аппаратура (высоковольтные масляные выключатели).

Водоснабжение НМЗ обеспечивает цех обезвоживания и складирования концентратов (ЦОСК). Цех имеет разветвлённую структуру и состоит из следующих отделений: отделение гидротехнических сооружений и гидротранспорта (ГТС и ГТ), отделение подготовки концентрата (ОПК), отделение обезвоживания металлургических шламов (ООМШ). Отделения ОПК, ГТС и ГТ подпадают под ведение технологических служб. В состав ООМШ входят насосные станции (НС) № 18, № 18а, № 19 и № 20 – соответственно, НС18, НС18а, НС19 и НС20.

НС18 и 18а обеспечивают подачу технологической и хозяйственно-противопожарной воды на объекты НМЗ. Источник водоснабжения – река Норилка. В состав станций входят насосные агрегаты, накопительные резервуары, камеры переключений и системы трубопроводов с запорной арматурой. НС18 эксплуатируется в режиме дистанционного управления, постоянный технологический персонал на этой станции отсутствует.

НС19 входит в состав западной системы оборотного водоснабжения НМЗ и обеспечивает подачу охлаждающей воды к агрегатам основных подразделений предприятия – плавильных цехов № 1 и № 2, кислородной станции. НС19 оборудована 12 насосными агрегатами и имеет систему трубопроводов с запорной арматурой. В настоящее время НС19 как наиболее ответственный объект в системе водоснабжения завода функционирует с обязательным присутствием оперативно-технического персонала.

НС20 относится к северной системе оборотного водоснабжения НМЗ и обеспечивает подачу воды в плавильные цеха завода для поверхностного охлаждения плавильных агрегатов и грануляции шлака электропечей. Станция имеет 9 насосных агрегатов и цепочку гидротехнических сооружений, включающую отстойники, бассейны, камеры переключений и систему трубопроводов с запорной арматурой.

Особенности АСОДУЭ и результаты модернизации

Программно-технический комплекс модернизированной АСОДУЭ построен базе распределённой системы управления SIMATIC Processing Control System 7 (PCS7) фирмы Siemens. Система PCS7 создаёт открытую платформу для внедрения современных, экономически выгодных и ориентированных на перспективу решений в области автоматизации производственных предприятий. С её помощью может быть обеспечена экономичная, широкомасштабная интеграция систем управления всеми процессами в единую систему управления предприятием. Архитектура SIMATIC PCS 7 отличается высокой гибкостью и легко адаптируется к структуре построения предприятия и специальным требованиям ОАО «ГМК «Норильский никель».

Автоматизация АСОДУЭ представляет собой нетривиальную инженерную задачу, сложность которой обусловлена следующими факторами:

  • сложность объединения территориально-распределённых объектов автоматизации в централизованную систему диспетчерского управления;
  • жёсткие требования к функционалу и надёжности системы, обусловленные сложностью технологических процессов, выполняющих жизненно важные функции по энергоснабжению всего производства;
  • наличие труднодоступных участков, не позволяющих выполнить прокладку кабельных трасс;
  • необходимость резервирования каналов передачи данных;
  • необходимость интеграции в АСОДУЭ локальных систем автоматики насосных станций и системы управления подстанции.

Система АСОДУЭ функционирует в круглосуточном режиме в соответствии с непрерывным характером и режимом ведения технологического процесса, с регламентными перерывами на профилактическое обслуживание.

Рис.1.
Структурная схема АСОДУЭ
Структурная схема АСОДУЭ

Структурная схема АСОДУЭ представлена на рис. 1. Управление технологическим процессом осуществляется программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) серии SIMATIC S7, поддерживающими общую концепцию распределённого управления системы PCS7 и применяемыми для построения систем автоматизации высокой степени сложности. В АСОДУЭ используется шесть контроллеров SIMATIC S7-400 (три из них относятся к реализованным ранее локальным системам автоматики) и два контроллера SIMATIC S7-300.

В качестве устройств удалённого ввода-вывода в системе используются периферийные станции SIMATIC ET200M. ET200M – это многофункциональная станция распределённого ввода-вывода, позволяющая использовать в своём составе сигнальные, функциональные и коммуникационные модули. Связь периферийной станции с головной процессорной стойкой осуществляется посредством промышленной сети PROFIBUS DP. В этой сети станция ET200M выполняет функции стандартного ведомого DP-устройства и способна поддерживать обмен данными с ведущим DP-устройством на скорости до 12 Мбит/с. На длинных участках связи, где превышена допустимая спецификацией PROFIBUS протяжённость кабельного сегмента, для усиления сигнала используются репитеры, а на самых протяжённых участках, связывающих наиболее удалённые объекты, – оптические конверторы.

Связь системы с оборудованием полевого уровня осуществляется по протоколу Modbus, важной особенностью которого является возможность опроса по одной двухпроводной шине до нескольких десятков устройств.

Верхний уровень системы представлен следующими устройствами:

  • два резервированных операторских сервера (OS-серверы);
  • два резервированных центральных архивных сервера (CAS);
  • инженерная станция разработки (ES);
  • 7 клиентских станций операторов (OS-клиенты).

Станции операторов и архивные серверы CAS реализованы на основе промышленных серверов AdvantiX известной российской фирмы электронного оборудования FASTWEL.

Резервированная пара OS-серверов выполняет функции оперативного управления и мониторинга. В процессе их функционирования осуществляется контроль корректности работы основных приложений и при необходимости автоматическое безударное переключение с ведущего сервера на ведомый.

Синхронизация ведущего и ведомого OS-серверов выполняется в автоматическом режиме с высокой скоростью.

Рис.2.
Основные подсистемы АСОДУЭ и структура их внутренних связей
Основные подсистемы АСОДУЭ и структура их внутренних связей

Функционально в АСОДУЭ можно выделить следующие подсистемы (рис. 2):

  • приёма и первичной обработки информации;
  • сигнализации;
  • управления технологическим оборудованием;
  • визуального представления технологической и системной информации;
  • архивирования;
  • формирования отчётных и статистических документов;
  • диагностики работоспособности систем автоматизации и каналов связи;
  • защиты информации.
Рис.3.
Средства отображения для OS-клиентов: а. мониторы; б. видеостена; в. средства отображения до модернизации.
Средства отображения для OS-клиентов: а. мониторы; б. видеостена; в. средства отображения до модернизации.

Информация о ходе технологического процесса выводится на мониторы АРМ диспетчеров и на видеостену (рис. 3). Человеко-машинный интерфейс имеет чёткую и ясную структуру, эргономичный дизайн и понятен на интуитивном уровне. Оператор может легко осуществлять обзор хода протекания процесса (рис. 4), производить построение трендов, отчётов, таблиц и своевременно диагностировать сбои в электроснабжении завода. Видеостена состоит из четырёх ЖК-панелей с диагональю экрана 46", образуя матрицу 2х2. Используемые панели специально разработаны для эксплуатации в диспетчерских помещениях и конференц-залах. 

Рис.4.
Мнемосхема
Мнемосхема

На труднодоступных участках завода, не позволяющих выполнить прокладку кабельных трасс, в качестве основного канала связи используется промышленное оборудование широкополосного беспроводного доступа SkyMAN. А на некоторых наиболее ответственных участках беспроводная связь используется в качестве резервного канала связи.

Заключение

Внедрение АСОДУЭ НМЗ является важнейшим шагом к повышению энергоэффективности Надеждинского металлургического завода ОАО «ГМК «Норильский никель».

Данное решение предоставляет не только соответствующие современным требованиям надёжные и эффективные средства контроля и управления энергоснабжением производственных объектов завода. На основе накапливаемых в АСОДУЭ НМЗ данных реализуются оптимальные режимы ведения энергоёмких технологических процессов, эффективные алгоритмы работы в аварийных и нестандартных ситуациях.

Таким образом, АСОДУЭ НМЗ является фундаментом для дальнейшей оптимизации производственных и технологических процессов завода и снижения общих энергозатрат.