CC BY
25
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Научная статья УДК 658.5
doi: 10.17213/1560-3644-2022-1-31-36
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ХАНКАЛЬСКОЙ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ СТАНЦИЕЙ С ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СХЕМОЙ ОТБОРА ГЛУБИННОГО ТЕПЛА ЗЕМЛИ - ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ АСПЕКТ
М.Ш. Минцаев, З.Л. Хакимов, М.А. Лабазанов
Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова, г. Грозный,
Чеченская Республика, Россия
Аннотация. Приведено общее описание автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), действующей в Чеченской Республике на Ханкальском месторождении геотермальной станции и ее возможности для образовательных целей.
Приводится структура АСУТП станции как образцовой системы для образовательной составляющей с описанием структуры, функциональных возможностей на различных уровнях. Представлено описание учебно -методического комплекса для изучения основ разработки автоматизированных систем управления геотермальными станциями, включающего 8 лабораторных работ. Отмечается эффективность и важность внедрения в образовательный процесс результатов, основанных на реальных эксплуатируемых промышленных объектах для формирования у студентов практических компетенций.
Ключевые слова: геотермальная станция, автоматизация геотермальной станции, внедрение в образовательный процесс, циркуляционная схема, лабораторные работы, контрольно-измерительное оборудование
Для цитирования: Минцаев М.Ш., Хакимов З.Л., Лабазанов М.А. Автоматизированная система управления Ханкальской геотермальной станцией с циркуляционной схемой отбора глубинного тепла земли - образовательный аспект // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 1. С. 31- 36. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-1-31-36
Original article
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF THE KHANKALA GEOTHERMAL STATION WITH A CIRCULATING SCHEME FOR EXTRACTING THE DEEP HEAT OF THE EARTH - AN EDUCATIONAL ASPECT
M.Sh. Mintsaev, Z.L. Khakimov, M.A. Labazanov
Millionshchikov Grozny State Oil Technical University, Grozny, Chechen Republic, Russia
Abstract. The article provides a general description of the automated process control system (APCS) operating in the Chechen Republic at the Khankala field of a geothermal station and its capabilities for educational purposes.
The structure APCS of the station is given as an exemplary system for the educational component with a description of the structure, functionality at various levels.
A description of the educational and methodological complex for studying the basics of the development of automated control systems for geothermal stations, including 8 laboratory works, is presented.
In conclusion, the effectiveness and importance of introducing results into the educational process based on real operated industrial facilities for the formation ofpractical competencies in students is noted.
Keywords: geothermal station, geothermal station automation, implementation in the educational process, circulation scheme, laboratory works, control and measuring equipment
For citation: Mintsaev M. Sh. Khakimov., Z.L, Labazanov M.A. Automated Control System of the Khankala Geothermal Station with a Circulating Scheme for extracting the Deep Heat of the earth - an Educational Aspect. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (1):31 - 36. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-1-31-36
© Минцаев М.Ш., Хакимов З.Л., Лабазанов М.А., 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Введение
Внедрение в образовательный процесс результатов научно-технической и инжиниринговой деятельности является одним из ключевых направлений развития Грозненского государственного нефтяного технического университета им. акад. М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ) как университета, активно участвующего в крупных проектах реального сектора экономики региона и Юга России.
Так, по результатам участия университета на различных этапах при реализации таких крупных инвестиционных проектов, как Грозненская ТЭС, горнолыжный курорт «Ведучи», ТРЦ «Грозный-Молл», гидроГЭС «Башенная» и др., были разработаны учебно-методические и демонстрационные материалы для различных направлений подготовки специалистов среднего и высшего звена.
Одним из проектов, реализованным в 2011 - 2015 гг. и характеризующимся наличием высокотехнологичного контрольно-измерительного оборудования и автоматики, является уникальная геотермальная станция с циркуляционной схемой (далее - ГСЦС) отбора глубинного тепла Земли на Ханкальском геотермальном месторождении Чеченской Республики [1 - 3]. Индустриальным партнером проекта, а в настоящее время и пользователем геотермальной станции, является компания ООО РСФ «Арэн-Стройцентр».
Следует отметить, что в ходе реализации проекта на стадии внедрения автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) геотермальной станции совместно с индустриальным партнером активное участие приняли специалисты кафедры автоматизации технологических процессов ГГНТУ. В настоящее время на кафедре автоматизации технологических процессов реализован образовательный проект с использованием элементов реального автоматизированного комплекса Хан-кальской геотермальной станции и возможностью выполнения ряда лабораторных работ, что позволяет студентам получать практические навыки проектирования автоматизированных систем управления сложными тепловыми объектами.
Описание объекта и АСУ ТП
Ханкальская ГСЦС является первой опытно-промышленной геотермальной теплостанцией на территории Чеченской Республики, введенной в эксплуатацию в 2015 г. (рис. 1). Проектная мощность геотермальной электростанции сос-
тавляет 8,7 МВт. Тепловая схема независимая с разделением теплового и потребительского контуров через теплообменники, что является оптимальным решением для повышения срока эксплуатации труб теплосети.
В циркуляционной схеме, состоящей из дублета скважин (добычной и нагнетательной), предусмотрена циркуляция термальной воды в объеме до 5000 м3 в сутки, которая обеспечивается при помощи группы насосов - скважинного погружного, сетевыми и нагнетательными. Обратная закачка охлажденной с 95 до 50 °С термальной воды в продуктивный пласт реализована в полном объеме, что позволяет исключить снижение пластового давления и негативные факторы, связанные с выбросом отработанной жидкости на поверхность.
Рис. 1. Структура Ханкальской опытно-промышленной геотермальной станции / Fig. 1. Structure of the Khankala Pilot Geothermal Station
С точки зрения автоматизации технологические процессы геотермальной станции не являются сложными и критичными - объект аналогичен стандартному тепловому пункту. Однако присутствие высоких давлений, большого количества насосного оборудования и двух скважин в отличие от стандартного теплового пункта накладывает определенные требования к надежности и необходимости контроля большего количества параметров.
Структура АСУТП Ханкальской геотермальной станции является образцовой с точки зрения образовательной составляющей и представляет из себя классическую систему из трех уровней: нижний (полевой), средний (контроллерный) и верхний (диспетчерский) (рис. 2) [4, 5].
На структурной схеме на полевом уровне находятся датчики (расхода, температуры, давления и др.) и исполнительные механизмы (насосы, клапана и т.п.). Информация с датчиков попадает на контроллерный уровень, на котором
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
располагается основное интеллектуальное ядро АСУ ТП - программируемый логический контроллер (ПЛК) Siemens семейства Simatic S7-1500. Выходы контроллера осуществляют управляющие воздействия на исполнительные механизмы в соответствии с программой, разработанной на основании технологических уставок с использованием графического языка программирования FBD (Function Block Diagram) [6, 7]. Использование готовых графических блоков, повторное использование библиотеки функциональных блоков делают язык FBD исключительно удобным инструментом для разработки программного обеспечения контроллера.
Рис. 2. Структура АСУТП ГСЦС / Fig. 2. Structure of APCS CGP
Кроме логического управления ПЛК Simatic S7-1500 также выполняет следующие функции:
- поддержание единого времени в системе;
- формирование архивов технологических данных;
- обмен информацией с диспетчерским уровнем;
- работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;
- резервирование каналов передачи данных
и др.
Технологическая информация с контроллерного уровня направляется на диспетчерский уровень, на котором располагается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора со специализированным программным обеспечением типа SCADA (supervisory control and date acquisition), входящим в структуру программной платформы TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) фирмы Siemens для организации человеко-машинного интерфейса [8].
Основной функционал диспетчерского уровня состоит в:
- выводе текущих значений параметров технологических процессов ГСЦС на экран в графическом и числовом в виде мнемосхем, графиков;
- обмене информацией с контроллерным уровнем;
- регистрации и протоколировании событий нештатных ситуаций (алармов) и формировании исторических данных (трендов), отчетов;
- хранении информации с возможностью ее обработки с использованием баз данных;
- обеспечении инструментарием для разработки и редактирования управляющих программ, графических объектов, мнемосхем и человеко-машинного интерфейса в целом (в режиме разработки).
Одним из достоинств системы, позволяющей использовать ее в том числе для образовательных целей, является возможность просмотра состояния технологического процесса на мнемосхеме удаленно с использованием Интернет ресурсов в режиме «тонкого клиента». Режим «тонкого клиента» позволяет вести полное наблюдение за технологическим процессом на мнемосхеме в том виде, что и реальный оператор АСУТП, но без возможности осуществления каких-либо регулирующих воздействий.
Таким образом, благодаря возможностям Интернета, для студентов предусмотрена возможность демонстрации реального технологического процесса функционирующей ГСЦС, отображенного в виде графических объектов на мнемосхеме, включая все текущие значения по отдельным узлам, архивные данные в различных форматах - графических, числовых. Также студентам демонстрируются различные функции -протоколирования, регистрации событий, алармов, возможности отображения архивной информации и текущих значений в виде трендов и т.д.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Описание учебно-методического комплекса для изучения основ разработки автоматизированных систем управления геотермальными станциями
Для выполнения лабораторных (практических) работ на кафедре автоматизации технологических процессов ГГНТУ установлено 12 рабочих станций с лицензионным программным обеспечением Siemens TIA Portal - интегрированная среда разработки программного обеспечения систем автоматизации технологических процессов от уровня приводов и контроллеров до уровня человеко-машинного интерфейса [9 - 11]. В TIA Portal интегрированы три основных программных пакета (рис. 3):
- Simatic Step 7 - для программирования контроллеров семейства S7-1200, S7-300, S7-400 и WinCC;
- Simatic WinCC - для разработки человеко-машинного интерфейса;
- Sinamics StartDrive - для параметрирова-ния, программирования и диагностики приводов
Sinamics.
Рис. 3. Рабочие станции с лицензионным программным обеспечением Siemens TIA Portal / Fig. 3. Workstations with licensed Siemens TIA Portal
Для имитации сигналов с ПЛК 57-1500 используется симулятор 87-РЬС81Ы, имеющий ряд дополнительных функций, полезных для образовательных задач в отличие от реального контроллера.
Преимуществом разработанного учебно-методического комплекса является то, что на примере автоматизированной системы управления геотермальной станцией студенты получают практические компетенции, представляющие пользу как при разработке систем автоматизации тепловыми объектами, так и скважинным насосным оборудованием.
В рамках учебно-методического комплекса подготовлены методические материалы для выполнения 8 лабораторных (практических) работ,
которые выполняются студентами ГГНТУ, обучающимся по направлениям «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Управление в технических системах» в ходе изучения дисциплин «SCADA -системы в автоматизированном производстве», «Программируемые логические контроллеры»:
- настройка программы ПЛК SIMATIC S7-1500 в S7-PLCSIM Advanced на локальной и удалённой машинах с подключением к WinCC;
- разработка основной мнемосхемы операторского интерфейса ГСЦС с использованием WinCC;
- разработка основной мнемосхемы операторского интерфейса ГСЦС с использованием SCADA -системы TRACE MODE;
- настройка алармов и трендов в WinCC;
- изучение работы ПИД-регулятора Standard PID Control среды разработки TIA Portal;
- разработка алгоритма и программы управления насосным оборудованием циркуляционной системы геотермальной станции на языке программирования FBD с использованием среды разработки Simatic Step 7;
- разработка алгоритма и программы управления приводами задвижек на языке программирования LAD (Ladder Diagram) с использованием среды разработки Simatic Step 7;
- разработка алгоритма и программы управления сетевыми насосами на языке программирования SCL (Structured Control Language) с использованием среды разработки Simatic Step 7.
Для получения теоретических знаний, необходимых для выполнения работ, лекционные материалы по вышеперечисленным дисциплинам актуализированы и содержат необходимую информацию об ГСЦС, как об объекте автоматизации.
Заключение
Сотрудники кафедры автоматизации технологических процессов ГГНТУ активно используют возможности функционирующей Ханкаль-ской опытно-промышленной геотермальной станции с циркуляционной схемой глубинного тепла Земли в демонстрационном и непосредственно практическом аспектах для повышения компетентности студентов.
В демонстрационном режиме студенты, наблюдая за ходом технологического процесса в режиме оператора, имеют возможность без посещения объекта ознакомиться с используемым контрольно-измерительным оборудованием, исполнительными механизмами, программно-аппаратными средствами, функционалом АСУ ТП.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Далее, изучив структуру и функционал АСУ ТП ГСЦС, студенты выполняют практические работы, разрабатывая системы автоматизации отдельных узлов АСУТП ГСЦС с использованием специализированного программного обеспечения, использованного при разработке реальной автоматизированной системы для Хан-кальской геотермальной станции.
В заключение следует также отметить, что полученные студентами практические компетенции в ходе выполнения данных работ могут быть эффективно использованы в дальнейшем не только в работе с реальными промышленными объектами, но и в ходе выполнения выпускной квалификационной работы, прохождения преддипломной практики на промышленных и производственных объектах.
Список источников
1. Заурбеков Ш.Ш., Минцаев М.Ш., Шаипов А.А., Лабаза-нов М.М., Черкасов С.В. Пилотная геотермальная станция: возможности получения экологически чистой энергии // Экология производства. 2016. № 2. С. 63 - 67.
2. Заурбеков Ш.Ш., Минцаев М.Ш., Лабазанов М.М., Черкасов С.В., Бутузов В.В. Результаты разработки технического проекта для пилотной геотермальной станции на Ханкальском месторождении Чеченской республики // GEOENERGY: материалы Междунар.науч.-практ. конф. / редколлегия: Х.Э.Таймасханов, Ю.Н. Малышев, М.Ш. Минцаев. 2015. С. 68 - 77.
3. Zaurbekov S.S., Mintsaev M.S., Shaipov A.A., Labazanov M.M., Cherkasov S. V. The results of the construction project design of a pilot geothermal station with a circulation loop of heat extraction at the Khankala deposit of the Chechen Republic // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015. Vol. 6, № 3. Рр. 1941 - 1949.
4. Ilyukhin A.V., Mintsaev M., Isayeva M.R., Pashayev V.V., Labazanov M.A. PCM of experimental-industrial geothermal station with circulating scheme of heat abstraction at Khan-kala deposit of the Chechen Republic // Ecology, Environment and Conservation. 2015. Vol. 4. P. 36.
5. Илюхин А.В., Минцаев М.Ш., Исаева М.Р., Пашаев В.В., Лабазанов М.А. АСУТП опытно-промышленной геотермальной станции с циркуляционной схемой отбора тепла на Ханкальском месторождении Чеченской Республики // GEOENERGY: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / редколлегия: Х.Э. Таймасханов, Ю.Н. Малышев, М.Ш. Минцаев, 2015. С. 233 - 240.
6. Лабазанов М.А., Шухин В.В. SCADA-СИСТЕМА для геотермальной станции с циркуляционной схемой отбора тепла на Ханкальском месторождении. // GEOENERGY: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф. 2016. С. 12-18.
7. Лабазанов М.А., Исаева М.Р., Барзаева МА., Хатаев Ю.К. Особенности разработки операторского интерфейса АСУТП для опытно-промышленной геотермальной станции в SCADA-системе 1RACE MODE 6.0 // Компьютерные технологии и телекоммуникации КТиТК-2014 / Грозненский гос. нефтяной техн. ун-т им. М.Д. Милли-онщикова. 2014. С. 124 - 132.
8. Минцаев М.Ш., Хакимов З.Л., Лабазанов М.А. Программирование логических контроллеров фирмы Siemens: Лабораторный практикум. Грозный, 2021.
9. Руководство по программированию S7-1200/S7-1500 STEP 7 (TLA Portal) и STEP 7 Safety в TLA Portal: Базовое системное руководство 11/2015.
10. Totally Integrated Automation - Комплексная интегрированная автоматизация. Информация по продуктам 2020. Сименс, 2020 [Электронный ресурс]. URL:https://www. зтейс.гиир1оа(1/ка1й^^етепз/Промышленная0/о20автома тизация/Продукты%20SIMATIC%20для%20комплексной % 20автоматизации%202020.pdf (дата обращения 08.02.2022).
11. SIMATIC S7-1500 - универсальные программируемые контроллеры нового поколения. Информация по продуктам 2020 [Электронный ресурс]. URL: https:// assets. new. siemens.com/siemens/assets/api/uuid:3781a8e8-6801-4b0e-8bc5 -70cf2f37331b/03-S7-1500-r.pdf (дата обращения 08.02.2022).
References
1. Zaurbekov Sh.Sh., Mintsaev M.Sh., Shaipov A.A., Labazanov M.M., Cherkasov S.V. Pilot geothermal plant: opportunities for obtaining clean energy. Journal "Ecology of production ". 2016; (2):63-67. (In Russ.).
2. Zaurbekov Sh.Sh., Mintsaev M.Sh., Labazanov M.M., Cherkasov S.V., Butuzov V.V. Results of the development of a technical design for a pilot geothermal station at the Khankala field of the Chechen Republic. In the collection: GEOENERGY. Materials of the International scientific-practical conference. Editorial board: Taimaskhanov Kh.E., Malyshev Yu.N., Mintsaev M.Sh.2015. Pp. 68-77.
3. Zaurbekov Sh.Sh., Mintsaev M.Sh., Shaipov A.A., Labazanov M.M., Cherkasov S.V. The results of the construction project design of a pilot geothermal station with a circulation loop of heat extraction at the Khankala deposit of the Chechen Republic. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015; 6(3): 1941-1949. (In Russ.).
4. Ilyukhin A.V., Mintsaev M.Sh., Isayeva M.R., Pashayev V.V., Labazanov M.A. PCM of experimental-industrial geothermal station with circulating scheme of heat abstraction at Khankala deposit of the Chechen Republic. Ecology, Environment and Conservation. 2015; (4): 36. (In Russ.).
5. Ilyukhin A.V., Mintsaev M.Sh., Isaeva M.R., Pashaev V.V., Labazanov M.A. APCS of a pilot industrial geothermal station with a circulating heat extraction scheme at the Khankala field of the Chechen Republic. In the collection: GEOENERGY. Materials of the International scientific-practical conference. Editorial board: Taimaskhanov Kh.E., Malyshev Yu.N., Mintsaev M.Sh. 2015. Pp. 233-240.
6. Labazanov M.A., Shukhin V.V. SCADA-SYSTEM for a geothermal plant with a circulating heat extraction scheme at the Khankala field. In the collection: GEOENERGY. Materials of the II International Scientific and Practical Conference. 2016. Pp. 12-18.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
7. Labazanov M.A., Isaeva M.R., Barzaeva M.A., Khataev Yu.K. (2014) Features of the development of the operator interface of the process control system for a pilot geothermal station in the TRACE MODE 6.0 SCADA system. In the collection: Computer technologies and telecommunications KTiTK-2014. Grozny State Oil Technical University M.D. Millionshchikov. 2014. Pp. 124-132.
8. Mintsaev M.Sh., Khakimov Z.L., Labazanov M.A. Programming logic controllers from Siemens. Laboratory workshop. Grozny, 2021.
9. Programming manual S7-1200/S7-1500 STEP 7 (TIA Portal) and STEP 7 Safety in TIA Portal. Basic System Manual. 2015.
10. Totally Integrated Automation - Integrated Integrated Automation Product information 2020. Siemens, 2020. Available at: 20automation%202020.pdf (accessed 08.02.2022).
11. SIMATIC S7-1500 - New generation universal programmable controllers. Information on products 2020. Available at: https://assets.new. siemens.com/siemens/assets/api/uuid: 3781 a8e8-6801 -4b0e-8bc5-70cf2f37331b703-S7-1500-r.pdf (accessed 02.08.2022).
Сведения об авторах
Минцаев Магомед Шавалович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств», m.mintsaev@mail.ru
Хакимов Заур Леччиевичв- канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств», hzl_95@mail.ru
Лабазанов Магомед Абубакарович - ассистент, кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств», labazanov.90@inbox.ru
Information about the authors
Mintsaev Magomed Sh.- Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Automation of technological processes and production», m.mintsaev@mail.ru
Khakimov Zaur L. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Automation of technological processes and production», hzl_95@mail.ru
Labazanov Magomed A. - Assistant, Department «Automation of technological processes and production», labazanov.90@inbox.ru
Статья поступила в редакцию/the article was submitted 15.02.2022; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 21.02.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 25.02.2022.
