Какой электроникой оснащают заводы и электростанции
Без электричества в розетке компьютер не работает — это тривиальное утверждение. Верно, однако, и прямо противоположное — без компьютера не будет электричества в розетке: заводы и электростанции тоже управляются компьютерами. Корреспондент «Чердака» побывал у специалистов по промышленной автоматизации и узнал, как именно это происходит.
Из окна Дмитрия Тимошенко, гендиректора ООО «Текон-системы», открывается вид на промзону рядом с платформой «Зорге». Люди, занимающиеся автоматизацией российских электростанций и заводов, работают рядом с тем местом, где работает их детище, — через забор расположена ТЭЦ-16.
Слева — ТЭЦ-16. Справа — серое здание, где делают автоматизированную систему управления технологическим процессом и для этой электростанции, и для многих других российских предприятий
Алексей Тимошенко / Chrdk.
— Наши контроллеры стоят на всех московских ТЭЦ, — говорит Дмитрий.
— Контроллер — это такой компьютер, который управляет промышленной установкой, верно?
Когда-то компьютеры были специализированными сложными устройствами для инженерных расчетов. При слове «компьютер» люди представляли себе шкафы с электроникой где-нибудь в научном центре или на большом заводе, а домашние компьютеры считали чем-то если не бесполезным, то утопическим. Но сегодня даже в картонном одноразовом билете на метро может стоять чип, быстродействие которого превосходит ранние электронные вычислительные машины, а слово «компьютер» ассоциируется с офисной работой или играми. Новые компьютерные технологии для большинства людей воплощены скорее в каком-нибудь 4K-видео или распознавании речи — мир конструкторских бюро с заводами окончательно ушел на задний план даже в популярной литературе.
— Нет, я бы так не сказал. У промышленного контроллера совсем иные задачи, чем у обычных компьютеров, и к ним совсем иные требования. Во-первых, в нашем случае важен масштаб: к нашим контроллерам может подключаться до 20 тысяч разных датчиков и исполнительных механизмов, это, к примеру, автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) на энергоблоке электростанции.
Аббревиатура АСУ ТП употребляется моими собеседниками постоянно. Говоря простым языком, это компьютер перед оператором («автоматизированная станция оператора»), который по локальной сети связан с контроллерами, а уже к контроллерам приходит огромный пучок проводов от всевозможных датчиков.
Красные и синие кабели промышленной сети. Все сети дублируют. Обрыв одного из кабелей не приведет к разрыву сети; на всех следующих фотографиях можно заметить аналогичные сине-красные пары
Алексей Тимошенко / Chrdk.
Другой, сопоставимый по толщине, пучок кабелей уходит к всевозможным исполнительным механизмам — электроприводам, которые поворачивают задвижки, к электромагнитным клапанам и тому подобным устройствам. Комплекс из котла, турбины, генератора и всего, что необходимо для их совместной работы (при тесной упаковке с трудом влезет внутрь многоэтажного дома на три подъезда), называют энергоблоком. Электростанция обычно объединяет несколько блоков вместе.
— Во-вторых, нашу область отличает ответственность. Внутри парового котла 235 атмосфер и 540 градусов Цельсия, так что если он взорвется, то разнесет все вокруг. А если вразнос пойдет турбина, то ее обломки вскоре найдут в 200 метрах от здания электростанции.
— И что следует из масштаба вкупе с требованиями надежности? Какие-то особые процессоры, электроника с расчетом на жесткие условия эксплуатации?
— Главное требование — это чтобы система работала в реальном времени. Если на обычном компьютере вы копируете файлы, она начинает тормозить, если включается антивирус, то тормозит еще больше. Промышленный контроллер так вести себя не может. У нас есть всего 15 миллисекунд на то, чтобы среагировать на получение сигнала и выдать нужную команду в ответ.
— То есть если, скажем, турбина на электростанции пошла вразнос, то…
— Через 15 миллисекунд поступит команда на прекращение подачи пара, причем сразу по трем выходам на стопорные клапаны. Тем потребуется около 500 миллисекунд на то, чтобы перекрыть пар к турбине. А дальше в действие вступает программа разгрузки котла.
Ряд модулей ввода-вывода. Они отвечают за взаимодействие контроллера с промышленным оборудованием
Алексей Тимошенко / Chrdk.
— То есть это гораздо быстрее, чем среагирует человек?
— Разумеется. Причем даже человек наготове, который следит за показаниями прибора и держит руку на кнопке. А если в руке кружка или взгляд был направлен в сторону?
— Получается, что на производстве основную роль играет уже автоматика? Все эти картинки с людьми за большими пультами устарели?
— В принципе автоматические системы защиты и управления применялись давно. Но раньше это были простые механические системы или жесткая логика на основе реле: пришел сигнал — реле замкнуло контакты, выдало другой сигнал — скажем, перекрыть задвижку. Все это надо было соединять вручную и вдобавок настраивать отдельные элементы, которые, кстати, со временем стареют и сбивают настройки. Это было не столь надежно, и так нельзя было реализовывать сложные, но эффективные в плане поддержания параметров схемы управления процессом. А последнее очень важно для экономичности производства и качества продукции, если это, скажем, химический завод и АСУ ТП поддерживает концентрацию кислоты, регулируя подачу газа к горелкам какого-нибудь нагревателя.
— А сейчас все можно настроить при помощи компьютера? Как вообще выглядит современный пульт управления?
— Пойдемте на производство, увидите.
— Конечно… А вот эту плату сфотографировать можно? Это же и есть основа контроллера?
— Не, эту не надо. Это прототип, он наша коммерческая тайна.
Мне удается пройти в отдел разработки, но снимать мой собеседник разрешает далеко не все. Разработка, к примеру, микрочипа для промышленного контроллера занимает минимум год, и это в случае с простым по современным меркам кристаллом. Мы спускаемся на этаж ниже и оказываемся в помещении полигона — места, где проверяют контроллер перед поставкой конкретному заказчику.
В комнате стойка с оборудованием, большой экран и столы с обычными компьютерами.
ьт настоящий, предназначенный для реальной электростанции, вот только вместо энергоблока пока имитация оного. Стенд справа — учебный
Алексей Тимошенко / Chrdk.
— Это АСУ ТП для пятого блока московской ТЭЦ-26. Мы проверяем, как работают технологические программы на процессорных модулях контроллеров при подключении пусть не к реальному энергоблоку, а к эмуляции. Это испытания перед тем, как начать пусконаладочные работы на месте; в АСУ ТП несколько контроллеров, к которым подключено около 8 тысяч физических сигналов.
— А сколько же это займет времени?
— Если брать весь цикл, от начала работы над конкретной АСУ ТП до сдачи, и если работать в комфортном для всех режиме, то девять месяцев, из них три-четыре — на непосредственно пуск и наладку. Мы сейчас делаем до пяти таких систем в год, и у нас производство в трех городах: тут, в Иваново и в Новосибирске. Но, конечно, срок еще зависит от масштаба: одно дело — блок на ТЭЦ, другое дело — какой-нибудь мелкий объект.
— И что в вашем понимании «мелкий»?
— Водогрейный котел на РТС, ЦТП, например.
РТС — это районная тепловая станция, а ЦТП — центральный теплопункт. Последние представлены в городском ландшафте неприметными прямоугольными будками во дворах, и обычно большинство жильцов соседних домов даже не знает, что это за сооружение.
— Который отвечает за обогрев квартала или микрорайона?
— Да.
Распределение тепла и горячей воды устроено несколько сложнее, чем просто «воду очистили, пропустили через котел и отправили потребителю». Горячая вода от котельной или ТЭЦ сначала доставляется по магистральным трассам (это трубы большого, иногда метрового диаметра) к теплообменникам в ЦТП, в них нагревает воду для квартир и затем снова возвращается для нагрева — это отдельный замкнутый контур исключительно для переноса тепла. Кроме того, в трубах, отапливающих и снабжающих верхние этажи домов, нужно поднимать давление, чтобы вода забралась на высоту. А еще в магистральной теплотрассе вода нагрета иногда и до 150 градусов. И нет, это не ошибка: при повышенном давлении кипение происходит при повышенной же температуре.
— Вот это экран коллективного пользования, его видят все. У каждого оператора есть та же картинка на своем мониторе, и там есть как изображение установки, так и виртуальные кнопки, позволяющие управлять реальным энергоблоком или чем-либо еще. Кроме того, есть архив — туда с заданной периодичностью заносят показания датчиков.
— То есть как на самолете — можно потом в случае чего посмотреть? Или просто открыть и, скажем, узнать, как менялись обороты турбины 31 января прошлого года?
— Да.
— А что если оператор притащит на флешке вирус или там хакерская атака будет? Если вот так можно кликнуть и остановить электростанцию?
— Это вопрос информационной безопасности, — продолжает Тимошенко, — и тут масса мер защиты. Например, отдельная сеть, специально проанализированное программное обеспечение. Еще в новых разработках у нас используется операционная система Linux с открытым кодом, который тоже прозрачен. А воткнуть флешку тут не получится. И USB-порты отключены, и даже переключиться на какую-то программу кроме системы управления нельзя.
— То есть получается, сцены с обесточиванием всего города хакерами — это фантастика?
— Если все сделано правильно, то да, фантастика.
В другом помещении — его мне описывают как «запасной полигон» — демонстрируется то, как достигается соответствие контроллеров требованиям безопасности. На стойке с оборудованием закреплены две белые коробочки, а под ними — ряд блоков из темного пластика с зелеными огоньками светодиодных индикаторов.
Дмитрий Тимошенко демонстрирует шкаф с контроллером (слева) и шкаф, призванный имитировать автоматизируемый объект
Алексей Тимошенко / Chrdk.
— Сверху два процессорных модуля, а под ними модули ввода-вывода, еще ниже клеммы, к которым подключены датчики и управляемые устройства. Внутри процессорных модулей стоит по два процессора, которые делают одно и то же, а третий сравнивает результаты.
— И если один отличается от другого, то как этот третий поймет, где ошибка?
— Никак. Ему это и не надо, он сразу даст сигнал об ошибке, тогда в дело вступит второй модуль, вторая белая коробка. Причем любую отказавшую часть можно просто взять, вытащить и поменять на запасную, без всяких специальных процедур.
— То есть не надо, как на обычном компьютере, нажимать «Безопасно извлечь устройство»?
— Разумеется, нет, у нас горячая замена. Кстати, если в обычных компьютерах распознается только перегрев, то каждый модуль контроллера имеет развитую систему самодиагностики.
На этом месте я вспомнил, как разбирался со своим компьютером, в котором как-то забарахлил блок питания. На поиск причины внезапных зависаний и сбоев — например, могла внезапно отказать клавиатура или перестать считываться флешка — ушла пара недель. Две недели работы завода, где неожиданно отключаются котлы или процесс в химическом реакторе пускается на самотек, даже представлять себе в деталях не хочется. Больше всего жизней, кстати, унесла техногенная катастрофа даже не в Чернобыле — прорыв цистерны на химическом заводе в индийском Бхопале в 1984.
— То есть если, скажем, просядет напряжение питания…
— Поступит сигнал о том, что оно просело. Самодиагностика в промышленной автоматике на совсем ином уровне: такое оборудование обязано, например, проследить за исполнением отданной команды, что сигнал действительно ушел. А вообще, мир идет к полной цифровизации производства: все датчики будут цифровыми и они будут учитываться в единой базе данных с указанием их ресурса и состояния.
— Для того чтобы сама система управления напомнила техникам, что пора бы поменять конкретные детали?
— Да. В полной мере этого пока нет, но к этому все движется. Большая автоматизация, роботизированное производство — то, что еще называют четвертой промышленной революцией. Кстати, давайте посмотрим и на производство.
Перед входом висят синие халаты, и Дмитрий протягивает мне один — внутрь можно зайти только в спецодежде.
В соседнем с цехом помещении находится отдел метрологии, на его стенах висят различные сертификаты. Дмитрий поясняет:
— Стандарты сейчас регламентируют не только параметры того, что мы делаем, но и сам процесс разработки.
— Прописано, что программисты должны пользоваться системой багтрекинга?
— Багтрекинг — это малая часть. Нет, это немного иное. Код необходимо проверять, есть автоматические системы поиска в нем ошибок. Есть ряд требований к тому, как все должно быть организовано, стандарты в отрасли подстраиваются под текущие изменения.
— Какие?
— Роботизация, перенос всего на компьютеры.
Мы переходим в отдел, где сидят программисты. Чтобы процессорный модуль и модули ввода-вывода стали из совокупности электронных компонентов действующей системой управления, нужно специальное программное обеспечение. Оно и реализует логику (то есть связи вида «при достижении такого-то давления — прикрыть подачу газа») и отвечает за интерфейс — отображение на экранах схем и кнопок.
— А кого больше, инженеров или программистов?
— По стоимости разработки примерно 90% — это софт и 10% — аппаратура. Компьютер — это основной инструмент у всех. Но во многих случаях нужно понимать физику тех процессов, с которыми имеешь дело, это инженерная работа.
В углу комнаты программистов стоит на штативе большой экран со списком текущих задач («Не, его снимать не надо!») и стол, где перемигивается желто-зелеными индикаторами целая батарея соединенных проводами плат. Это комплекс, где тестируется рабочая версия программы для контроллеров. Долгий путь к применению программ на реальном производстве начинается с таких проверок.
— Выясняем, все ли поломалось после очередных изменений, — шутит Тимошенко. — А еще у нас есть чип собственной разработки.
— То есть свой процессор, микросхема?
— Да, кристалл, который мы начали делать четыре года назад. Впрочем, про него лучше расскажет Андрей Диденко.
Про процессор мы беседуем в соседнем здании, в кабинете Дмитрия Кошевого, генерального директора ООО «Текон-Микропроцессорные технологии». Во весь стол руководителя расстелен большой лист бумаги с графиком разработки, рядом лежит несколько плат. Эти зеленые прямоугольники из текстолита с россыпью деталей вообще встречаются в «Теконе» везде. Даже в коридоре на стене вместе с фотографиями (электростанции и заводы — автоматизированные объекты) висит образец первого контроллера, сделанного фирмой еще в 1993 году. А рядом — еще несколько более новых разработок.
Старая плата, кстати, отличается от новых даже для неспециалиста. Бросается в глаза то, что микросхемы стали компактнее и их число уменьшилось — на фоне 1990-х современные платы выглядят полупустыми.
— Свой процессор это, во-первых, безопасность. Электроэнергетика и распределение энергии — критически важная сфера, тут хорошо бы иметь свое решение. Во-вторых, это сейчас общий тренд на специализацию. — говорит Андрей, исполняющий обязанности технического директора.
— Процессор специально для промышленных контроллеров?
— Да. Потому что обычный, например, делается универсальным, и это приводит к большей гибкости, но и большему энергопотреблению. А специальный процессор гораздо экономичнее.
— Меньше ватта, — добавляет Тимошенко. — Вот в такой пластиковый корпус мы должны поместить все необходимое и при этом не нагреть его выше чем на десять градусов. Мощность всего модуля составляет семь ватт, а если бы было двадцать, уже был бы перегрев. Промышленная электроника может работать при нагреве до 110 градусов Цельсия, поскольку в цехах иногда бывает очень жарко: рядом с котлом, например, может быть 55 градусов.
— Оптимизация чипа позволяет уложиться в лимит времени 15 миллисекунд на обработку сигнала, это отвечает жестким современным требованиям. Современное производство стало намного более автоматизированным, для него мы сделали даже не один новый кристалл, а два. Один — это очень быстрый микроконтроллер, а второй — многоядерная процессорная система: в одном кристалле и несколько ядер, и подсистема памяти, и вводы-выводы, и шина для обмена данными
— То есть целый компьютер, но в одном кристалле и специально под работу в режиме реального времени?
— Да. Кстати, вот он, — Кошевой достает сам чип.
Чип спроектирован по техпроцессу 28 нанометров и закорпусирован, то есть превращен из кристалла в готовую для монтажа микросхему прямо тут, в Москве. «Техпроцесс 28 нанометров» на языке микроэлектронной промышленности означает разрешающую способность при изготовлении чипа — это, грубо говоря, предельный размер элементов.
Поперечник атома, для сравнения, составляет около 0,1 нм, то есть ток внутри чипа течет по дорожкам шириной в считанные сотни атомов. В принципе современная микроэлектроника уже перешагнула и этот рубеж, однако для промышленных кристаллов это фактически передний край.
— Мы делаем программу, по которой растят чип. Это совершенно новая для нас область: с момента начала проекта до первого рабочего образца прошло полтора года, — продолжает Андрей. — Для инженеров тут рабочим инструментом является компьютер, и это больше похоже на программирование. Для большой компании с отлаженными процессами на разработку микроконтроллера с нуля нужен минимум год, а многопроцессорная система… это как сравнивать одноэтажный дом и многоэтажку — примерно сопоставимый уровень сложности... Года два — минимум, даже для лидеров.
Отрасль, как объяснили мне инженеры, консервативна. Если что-то работает и проверено, это не будут менять до тех пор, пока оно справляется со своими обязанностями и пока на складе не кончились запчасти. Производители электронных комплектующих дают 15 лет, но в сервисном отделе до сих пор обслуживают изделия 2000 года: часто они возвращаются в строй. Котлы, турбины и прочее тяжелое оборудование еще более долговечно — его регулярно ремонтируют, но полная замена происходит очень редко. Мир промышленной электроники живет по своим законам, и выход новой модели раз в год — как с мобильными телефонами или ноутбуками — тут невозможен. Однако и когда в отрасли что-то меняется, со стороны это практически незаметно.
Источник: chrdk.ru