Автоматизация насосной станции в условиях Крайнего Севера: анализ инженерных решений для автономной эксплуатации

Эксплуатация горного оборудования в условиях Крайнего Севера предъявляет повышенные требования к надежности, автономности и устойчивости технологических систем. Низкие температуры, удаленность производственных объектов, ограниченная доступность оборудования для технического обслуживания и невозможность постоянного присутствия персонала существенно повышают требования к системам автоматизации.

Особую сложность представляет эксплуатация насосных станций: при нарушении электроснабжения остановка насосного оборудования в условиях отрицательных температур может привести к замерзанию воды в трубопроводах и последующему повреждению оборудования. Поэтому для удаленных горных объектов актуальной является задача создания автоматизированных систем, способных самостоятельно контролировать параметры технологического процесса, диагностировать состояние оборудования, предотвращать аварийные ситуации и обеспечивать дистанционное управление.

Целью работы является анализ инженерных решений по автоматизации насосной станции карьера «Мокулаевский» ПАО «ГМК «Норильский никель» с учетом экстремальных климатических условий Крайнего Севера и определение наиболее перспективных технических решений для обеспечения автономной эксплуатации объекта.

В качестве материала для анализа использованы проекты, разработанные участниками направления «Горные машины и оборудование» XIV сезона Международного инженерного чемпионата CASE-IN, который проводится при поддержке Президентской платформы «Россия – страна возможностей». Особое внимание уделено архитектуре автоматизированных систем управления, средствам диагностики оборудования, защите от аварийных режимов, организации дистанционного контроля и применению цифровых технологий.

Условия эксплуатации станции

Карьер «Мокулаевский» расположен на полуострове Таймыр. При проектировании системы автоматизации необходимо учитывать экстремальные условия эксплуатации: температура воздуха может снижаться до -57°С, а полярная ночь и сильные ветры осложняют проведение технического обслуживания оборудования. Дополнительным фактором риска является возможность аварии на линии электропередачи. При прекращении работы насосной станции вода в трубопроводах в условиях низких температур может замерзнуть в течение нескольких часов, что создает угрозу повреждения оборудования и возникновения значительных экономических потерь.

Таким образом, система автоматизации должна решать одновременно несколько задач: обеспечивать автономную работу насосной станции, контролировать технологические параметры, предотвращать работу насосов в аварийных режимах, своевременно выявлять признаки неисправностей, сохранять работоспособность систем управления при нарушении электроснабжения и предоставлять оператору возможность дистанционного контроля.

При этом отказ от постоянного присутствия персонала в непосредственной близости от оборудования позволяет снизить влияние человеческого фактора и повысить безопасность эксплуатации объекта.

Архитектура автоматизации насосной станции

Наиболее комплексное решение было предложено командой «Алькор 2.0» Тюменского индустриального университета. Основой проекта стала концепция цифрового двойника насосной станции, объединяющего технологическое оборудование, средства автоматизации и системы диспетчерского управления.

Предложенная архитектура предусматривает переход от разрозненного контроля отдельных единиц оборудования к единой системе управления технологическим процессом. Диспетчер получает возможность дистанционно контролировать работу станции посредством мобильного приложения. При этом автоматизированная система самостоятельно контролирует критические режимы, включая предотвращение работы насосов «всухую» и защиту оборудования от замерзания.

Отдельное значение имеет интеллектуальная система чередования насосов. Ее применение направлено на более равномерное использование оборудования, снижение энергопотребления и повышение надежности насосной станции. Принципиальной особенностью проекта является охват всех уровней автоматизации от полевого контрольно-измерительного оборудования и автоматики до систем диспетчерского управления и бизнес-аналитики. В качестве программной платформы предложена отечественная SCADA-система TRACE MODE 7, обеспечивающая обработку и архивирование данных, а также защищенный удаленный доступ.

Для повышения устойчивости системы предусмотрено применение греющего кабеля RSL-16HF Ex и промышленных источников бесперебойного питания Siemens SITOP UPS1600.  Источники бесперебойного питания позволяют сохранять работоспособность систем автоматизации при авариях на линии электропередачи. Согласно расчетам команды, срок окупаемости предложенного проекта составляет 1,8 года.

Управление техническим состоянием оборудования

Другой подход к автоматизации был предложен командой «Дети Подземелья» Технического университета УГМК. Основное внимание в проекте уделено управлению жизненным циклом оборудования и снижению влияния человеческого фактора.
Вместо исключительно регламентного обслуживания по установленному графику предложено техническое обслуживание по фактическому состоянию оборудования. Такой подход предполагает постоянный контроль параметров работы оборудования и реагирование на выявленные изменения его состояния.

Архитектура автоматизированной системы разделена на несколько уровней. На полевом уровне предусматривается применение ультразвуковых уровнемеров и радиометрических тепловизоров. Уровень управления включает программируемые логические контроллеры и шкафы автоматики. Верхний уровень представлен SCADA-сервером и системой архивирования данных.

Таким образом, система объединяет получение информации о состоянии оборудования, обработку данных и принятие управляющих решений. Для координации проекта также предусмотрены функции главного архитектора и системного аналитика, что позволяет рассматривать автоматизацию как единую систему управления технологическими и производственными рисками.

По расчетам участников, на каждый вложенный рубль проект способен приносить 1,85 рубля дисконтированного дохода.

Диагностика и резервирование каналов связи

Дополнительные возможности повышения надежности были представлены командой «Six Volt» Технического университета УГМК. Ключевой особенностью проекта стало применение оптоволоконного кабеля в качестве распределенного датчика.

Предложено использовать двухкилометровый оптоволоконный кабель для обнаружения утечек и изменений температуры трубопроводов с точностью до пяти метров. Такое решение позволяет осуществлять распределенный мониторинг протяженного участка технологической инфраструктуры. Для контроля состояния насосного оборудования проект предусматривает установку восьми стационарных тепловизоров, которые должны обеспечивать непрерывный контроль температуры двигателей, подшипников и муфт насосов.

Надежность информационного обмена предлагается повысить за счет резервирования каналов связи: основная волоконно-оптическая линия дополняется радиорелейной станцией, которая может обеспечить передачу информации при повреждении основного кабеля.

Таким образом, в данном проекте акцент сделан на развитии диагностической подсистемы и обеспечении устойчивости информационного контура автоматизированной системы.

Сравнительный анализ инженерных решений

Рассмотренные проекты демонстрируют три взаимодополняющих подхода к построению автоматизированной насосной станции.

Первый подход основан на интеграции оборудования, автоматизации и диспетчеризации в рамках цифрового двойника объекта. Его преимущество заключается в комплексном охвате всех уровней управления и возможности дистанционного контроля технологического процесса.

Второй подход ориентирован прежде всего на управление жизненным циклом оборудования. Переход от обслуживания по календарному графику к обслуживанию по фактическому техническому состоянию позволяет связать техническое обслуживание с результатами мониторинга и диагностики оборудования.

Третий подход концентрируется на развитии сенсорики и надежности информационных коммуникаций. Использование распределенного оптоволоконного датчика, тепловизионного контроля и резервирования каналов связи позволяет расширить возможности обнаружения потенциально опасных изменений состояния технологической системы.

Сопоставление решений показывает, что для эксплуатации насосной станции в условиях Крайнего Севера наиболее эффективным является не применение отдельного технического средства, а интеграция нескольких подсистем: мониторинга состояния оборудования, автоматического управления, диагностики, защиты от аварийных режимов, резервного электроснабжения и связи.

Именно комплексный характер решения стал одним из факторов, определивших высокую оценку проекта «Алькор 2.0». По оценке экспертов, проект отличался высокой технической зрелостью и практической реализуемостью, поскольку объединял решения от уровня полевого контрольно-измерительного оборудования до бизнес-аналитики.

Перспективные технологии автоматизации

Анализ других проектов финалистов чемпионата CASE-IN показывает, что современные решения для автоматизации горного оборудования все в большей степени ориентируются на интеллектуальный мониторинг и прогнозирование состояния оборудования. В проектах использовались технологии искусственного интеллекта для анализа вибраций и термограмм, системы накопления энергии BESS, индукционный нагрев, азотная продувка трубопроводов и современные средства промышленной автоматизации. В качестве программной и аппаратной основы большинство команд выбрали отечественные решения, включая SCADA-системы TRACE MODE, MasterSCADA 4D и программируемые контроллеры ОВЕН.

Использование подобных технологий позволяет рассматривать автоматизацию насосной станции как многоуровневую систему, в которой первичные данные о технологическом процессе преобразуются в информацию о состоянии оборудования, а затем используются для формирования управляющих решений.

Для удаленных арктических объектов такая архитектура имеет принципиальное значение. Чем больше операций по контролю, диагностике и предотвращению аварийных ситуаций выполняется автоматически, тем меньше зависимость надежности станции от постоянного присутствия персонала.

…….

Анализ инженерных решений, разработанных для автоматизации насосной станции карьера «Мокулаевский», показывает, что эксплуатация горного оборудования в условиях Крайнего Севера требует комплексного подхода к автоматизации.

Ключевыми направлениями повышения надежности являются автоматическое управление насосным оборудованием, дистанционный диспетчерский контроль, мониторинг технического состояния, диагностика температурных и других параметров, защита от работы насосов «всухую» и замерзания, резервирование каналов связи и обеспечение устойчивости систем управления при нарушении электроснабжения.

Наиболее комплексным из рассмотренных решений является концепция цифрового двойника насосной станции, объединяющая технологическое оборудование, средства автоматизации и диспетчерское управление. Одновременно проекты других команд демонстрируют перспективность обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию, распределенной диагностики и резервирования информационных каналов.

Представленные решения свидетельствуют о переходе от автоматизации отдельных технологических операций к созданию интегрированных систем управления жизненным циклом горного оборудования. Для удаленных объектов Арктической зоны такой подход позволяет повысить автономность производственной инфраструктуры, снизить влияние человеческого фактора и создать условия для более надежной эксплуатации оборудования в экстремальных климатических условиях.