Автоматизация процесса разделения воздуха при производстве азота

Введение

Главным средством технического прогресса, без которого невозможны высокие темпы дальнейшего роста производительности труда, является комплексная механизация и автоматизация производства.

Под механизацией понимается применение машин и механизмов, заменяющих мускульный труд рабочего. В полностью механизированных производствах роль человека сводится к управлению и наладке машин и механизмов.

Автоматизация — это механизация управления производственным процессом. В автоматизированном производстве обслуживающий персонал занимается наладкой и ремонтом механизмов и систем управления. Вместе с тем появилась новая область приложения труда инженеров на производстве — математическое обеспечение систем автоматического управления.

Современное производство требует постоянного контроля технологических параметров, их своевременного и точного регулирования и поддержания в заданных пределах. Эффективное решение этой задачи возможно только с использованием автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Конечной целью автоматизации является создание полностью автоматизированных производств, где роль человека сводится к составлению режимов и программ протекания технологических процессов, контролю за работой приборов и их наладке.

Основные преимущества автоматизированного производства: облегчение труда, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышение общего культурного уровня жизни человека, улучшение технико-экономических показателей, повышение качества продукции, повышение производительности труда, снижение себестоимости продукции.

Данный дипломный проект посвящён усовершенствованию существующего стандартного процесса разделения воздуха с целью получения азота на ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод», путем внедрения автоматической системы регулирования (АСР) давления сжатого воздуха на входе в блок разделения установки воздухоразделительной Аж-0,6−3.

ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод» является предприятием по обогащению урана и входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ». Основной вид продукции — низкообогащенный уран, используемый для производства топлива атомных электростанций (АЭС). Азот, получаемый с помощью воздухоразделительной установки, используется для хранения низкообогащенного урана.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что автоматизация воздухоразделительных установок, кроме снижения трудозатрат на обслуживание и повышения надежности действия установки, дает технико-экономический эффект за счет интенсификации и оптимизации технологических процессов и обеспечивает получение продукционного азота с заданным содержание кислорода.

В проекте рассмотрены основные теоретические аспекты процесса разделения воздуха, произведен анализ процесса разделения воздуха с точки зрения автоматического управления, совершен расчет электроснабжения предприятия в целом и проектируемого участка, приведено экономическое обоснование внедрения АСР давления сжатого воздуха на входе в блок разделения установки воздухоразделительной Аж-0,6−3.

1. Технологическая часть

1.1 Общие сведения о процессе разделения воздуха Воздухоразделительное оборудование предназначено для получения из воздуха технических газов: кислорода, азота, аргона, а также, в рамках крупных воздухоразделительных комплексов, фракций редких газов (криптона, ксенона, неона, гелия). Предшественником для существующих воздухоразделительных установок были ожижители воздуха. Первые ожижители представляли собой четырёхкаскадную систему охлаждения, с несколькими контурами охлаждения на базе аммиака, борного спирта и некоторых фракций природного газа (пропан, бутан, этан).

Первым, кто получил кислород из воздуха путем ректификации, был Карл Линде в 1895 году. Он создал криогенный цикл, по которому работала установка разделения, в последующем её назвали установка Линде, а цикл разделения воздуха — цикл Линде. В данном цикле применялся изотермический дроссель-эффект, который создавался за счет изотермического сжатия в компрессоре и последующего расширения через дроссельный вентиль. Линде впервые создал аммиачную холодильную машину, которую в последующем включил в цикл разделения воздуха (в 1902 году).

Установка низкого давления была изобретена русским ученым Капицей в 1939 году. Установка была предназначена для получения газообразного кислорода и работала по циклу низкого давления P = 0,6 — 0,7 МПа, снижение давления было достигнуто путем применения в цикле турбодетандера, а также увеличением на порядок по сравнению с циклом Линде (от 3000 мі воздуха в час и выше) потребляемого воздуха.

Воздухоразделительные установки состоят из 2-х секций: ожижительной и разделительной. Ожижительная секция предназначена для получения жидкой флегмы, в которой массовая доля кислорода чуть выше, чем в воздухе за счет более высокой температуры кипения.

Ожижительная секция состоит из блока комплексной очистки и осушки, компрессора, ряда теплообменников, расширителя, в роли которого выступает дроссель или детандер, и оканчивается резервуаром для скопления сжиженной флегмы.

Как правило, в системе стоит от 2-х и более теплообменников. Первый теплообменник работает при положительных температурах и предназначен для охлаждения сжатого компрессором воздуха окружающим воздухом. Последующие теплообменники охлаждают сжатый воздух путем теплообмена с исходящими продуктами: кислородом, азотом или флегмой.

Разделительная секция чаще всего состоит из ректификационной колонны, конденсатора-испарителя и ряда азото-кислородных теплообменников. Количество ректификационных колонн зависит от того, какой газ получается в установке. Так, при получении только азота в установке находится 1 теплообменник и нет конденсатора-испарителя. При получении кислорода в установке будет находиться 2 теплообменника, при получении аргона — 3 теплообменника.

1.2 Области применения технических газов Технические газы широко применяются в различных сферах деятельности. Область их применения охватывает такие отрасли как металлургия, машиностроение, металлообработка, стекольная промышленность, химия, нефтеи газодобыча, нефтепереработка, электроника и приборостроение, энергетика, пищевая промышленность, медицина.

Кислород является первым продуктом разделения воздуха, нашедшим свое применение в промышленности. Именно с потребностью в кислороде связано развитие технологий разделения воздуха.

Все многообразие областей применения кислорода можно обобщить в виде двух направлений. В первом случае кислород применяется для интенсификации процессов сгорания, во втором — в качестве окислителя в химических процессах.

Аргон используется в силу его инертных свойств, как составляющая защитных газов.

Так, аргон используется в машиностроении и строительстве — дуговая электросварка в среде аргона, термическая резка металла в защитной среде. Традиционная область применения аргона — электроника и приборостроение (наполнение ламп накаливания и газоразрядных ламп, сборка ответственных узлов приборов). Значительная доля потребления аргона приходится на процессы выплавки и горячей обработки металлов и сплавов.

Азот применяется как в качестве самостоятельного компонентаучастника химических реакций (производство аммиака, азотных удобрений и т. д.) и технологических процессов (азотирование металлических поверхностей), так и в виде вспомогательной составляющей в основной технологии. В последнем случае азот выступает не как сырье, а отчасти как своеобразный «инструмент». В большинстве случаев азот применяется в силу его инертных свойств.

Так, азот в качестве инертной защитной среды используют при выплавке специальных сталей и сплавов, при переработке нефти, в стекольной промышленности и т. д.

Кроме того, в ряде случаев используется не газообразный, а жидкий азот. Это, прежде всего, процессы металлообработки, такие как галтование. В данном случае жидкий азот является источником холода, необходимого для реализации процессов металлообработки (температура жидкого азота около минус 190 °С). В силу этого, а также в силу инертных свойств, азот применяют для охлаждения химических реакций.

Установка воздухоразделительная Аж-0,6−3 предназначена для производства азота жидкого особой чистоты по ГОСТ 9293–74 и может применяться в химической, электронной промышленности, в машиностроении, цветной металлургии и других отраслях промышленности

1.3 Технология получения азота Технологическая схема установки (рисунок 1.1) предусматривает ее эксплуатацию в одном режиме: получение азота жидкого особой чистоты.

Установка Аж-0,6−3 состоит из следующих частей, приведенных в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Составные части установки воздухоразделительной Аж-0,6−3

1 — компрессор, 2 — влагоотделитель, 3 — теплообменник, 4 — влагоотделитель, 5 — теплообменник, 6 — компрессорно-конденсаторный агрегат, 7 — влагоотделитель, 8 — блок очистки, 9 — блок разделения, 10 — испаритель Рисунок 1.1 — Аппаратурно-технологическая схема процесса воздухоразделения на азот и кислород В установке используется цикл среднего давления. Холодопотери компенсируются за счет расширения потоков в турбодетандерах.

Рекуперация холода осуществляется в витых трубчатых теплообменниках, разделение воздуха производится в блоке разделения 9. Осушка воздуха и очистка его от углекислоты и углеводородов производиться в неолитовом блоке очистки.

Предварительное охлаждение воздуха перед блоком очистки осуществляется в теплообменнике за счет холода обратного потока.

Атмосферный воздух после сжатия в компрессоре 1 до давления 6,5 МПа при температуре 40 °C направляется во влагоотделитель 2, где отделяется часть влаги. Далее воздух направляется в теплообменник 3, где за счет теплообмена с потоком отходящего газа охлаждается до 17 °C.

При этом дополнительно ожижается находящаяся в нем влага, которая отделяется во влагоотделителе 4. Далее воздух поступает в теплообменник 5 и охлаждается находящейся в нем водой до 4 — 6 °C. В теплообменнике 5 осуществляется теплообмен между потоками влажного (до блока очистки), сухого (после блока очистки) воздуха, хладона из компрессорно-конденсаторного агрегата 6 и воды, находящейся в межтрубном пространстве теплообменника 5. Температура воды поддерживается в интервале 5 — 8 °C выключением и отключением компрессорно-конденсаторного агрегата 6.

Наличие в схеме теплообменника 5 позволяет также снимать так называемые «пиковые» нагрузки, возникающие в момент переключения адсорберов блока очистки, когда температура сухого воздуха временно поднимается до 40 — 60 °C. Пройдя влагоотделитель 7, воздух направляется в блок очистки, где осушается от оставшейся влаги и очищается от углекислоты и углеводородов. Очистка от влаги осуществляется в слое силикагеля, а двуокись углерода адсорбируется в слое цеолита. Сухой и очищенный воздух поступает в теплообменник 5 для стабилизации температуры воздуха перед блоком разделения.

После блока разделения при температуре 5 °C отходящий газ поступает в теплообменник 3, нагревается там до 38 °C, затем в необходимом количестве отбирается для регенерации и охлаждения адсорберов блока очистки, а остальная часть сбрасывается в атмосферу.

Для обеспечения взрывобезопасности конденсатора колонны блока разделения из его нижней части постоянно сливается 0,25% жидкой отбросной фракции, которая испаряется в испарителе 10 и сбрасывается в атмосферу.

1.4 Разделение воздуха

1.4.1 Криогенный метод Метод криогенного разделения базируется на тепло-массообменных процессах, в частности процессе низкотемпературной ректификации, основывающейся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов, находящихся в равновесии жидких и паровых смесей.

В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массои теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая — высококипящим компонентом.

Таким образом, процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат — декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубопроводы, и приходится останавливать установку для оттаивания и продувки.

Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый детандер, где происходит резкое расширение и соответственно его охлаждение и сжижение. Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород, азот и аргон нужной чистоты. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительной разности (около

13 °С) температур кипения жидких азота (минус 196 °С) и кислорода (минус 183 °С). Несколько сложнее отделить аргон от кислорода (минус 185 °С). Далее разделенные газы отводятся для накопления в специальные криогенные емкости.

1.4.2 Мембранный метод Промышленное использование технологии мембранного разделения газов началось в 70-х годах и произвело настоящую революцию в индустрии разделения газов. Вплоть до сегодняшних дней эта технология активно развивается и получает все большее распространение благодаря своей высокой экономической эффективности. Устройство современных мембранных газоразделительных и воздухоразделительных установок исключительно надежно. В первую очередь это обеспечивается тем, что в них нет никаких подвижных элементов, поэтому механические поломки почти исключены. Современная газоразделительная мембрана, основной элемент установки, представляет собой уже не плоскую мембрану или пленку, а полое волокно. Половолоконная мембрана состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Суть работы мембранной установки заключается в селективной проницаемости материала мембраны различными компонентами газа. Разделение воздуха с использованием селективных мембран основано на том, что молекулы компонентов воздуха имеют разную проницаемость через полимерные мембраны. Воздух фильтруется, сжимается до желаемого давления, осушается и затем подается через мембранный модуль. Более «быстрые» молекулы кислорода и аргона проходят через мембрану и удаляются наружу. Чем через большее количество модулей проходит воздух, тем больше становится концентрация азота N2. Наиболее эффективно по затратам получать азот с содержанием основного вещества 93−99,5%.

1.4.3 Адсорбционный метод Адсорбционный метод разделения воздуха основан на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами и получил широкое применение из-за следующих преимуществ:

— высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;

— быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;

— большая гибкость установок, т. е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;

— автоматическое регулирование режима;

— возможность дистанционного управления;

— низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;

— простое аппаратурное оформление;

— низкие затраты на обслуживание;

— низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества.

В установках для производства кислорода используется известный факт, что азот адсорбируется алюмосиликатными молекулярными ситами существенно быстрее, чем кислород. Для отделения азота от кислорода воздух сначала сжимают, а затем пропускают через адсорбер, получая на выходе относительно чистый кислород. Чистота кислорода как продукта, получаемого по этой технологии, составляет до 95%. Основной загрязняющей его примесью является главным образом аргон. Регенерацию адсорбента проводят при атмосферном давлении или вакууме.

Принцип получения азота при адсорбционном методе прост, но эффективен. Воздух подается в адсорбер — углеродные молекулярные сита при повышенном давлении и температуре внешней среды. В ходе процесса кислород поглощается адсорбентом, в то время как азот проходит через аппарат. Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т. е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты. Это можно сделать либо путём повышения температуры, либо путём сброса давления. Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления. Чистота азота по этой технологии 99,999%.

Установка воздухоразделительная Аж-0,6−3 предназначена для производства азота жидкого особой чистоты по ГОСТ 9293–74 именно адсорбционным методом.

1.4.4 Оборудование для разделения воздуха адсорбционным методом Блок разделения установки воздухоразделительной Аж-0,6−3 предназначен для глубокого охлаждения и разделения воздуха на требуемые компоненты методом низкотемпературной ректификации. Блок разделения включает в себя теплообменную аппаратуру, ректификационные колонны, турбодетандер, насос сжиженного газа, запорную и регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы. Материалы оборудования блока разделения — нержавеющая сталь, медь и медные сплавы, алюминиевые сплавы. Все оборудование блока разделения смонтировано в едином кожухе, внутреннее пространство которого полностью заполнено изоляционным материалом — песком перлитовым марки 75 или 100.

Принципиальная схема блока разделения установки воздухоразделительной Аж-0,6−3 показана на рисунке 1.2.

1 — теплообменник, 2 — турбодетандер, 3 — теплообменник, 4 — куб ректификационной колонны, 5 — клапан, 6 — турбодетандер, 7 — конденсатор колонны, 8 — теплообменник Рисунок 1.2 — Схема блока разделения Блок разделения работает следующим образом: из теплообменника сухой воздух выходит при средней температуре 7 °C и направляется в основной теплообменник 1 блока разделения, из средней части теплообменника 1 часть воздуха (74%) при температуре минус 58 °C отбирается на турбодетандер 2, где расширяется до давления 0,62 МПа, охлаждается в теплообменнике 3 за счет обратного потока отходящего газа до температуры минус 167 °C и поступает в колонну на разделение.

Остальная часть воздуха (26%) пройдя нижнюю часть теплообменника 1, охлаждается до минус 165 °C, затем дросселируется через клапан 5 до давления 0,57 МПа и соединившись с детандерным потоком воздуха, также поступает в колонну. В ректификационной колонне происходит разделение воздуха на кубовую жидкость с содержанием кислорода 27% и азотную флегму с содержанием кислорода 0,0001%.

Кубовая жидкость из куба колонны 4 направляется к клапану 5, где дросселируется до давления 0,27 МПа и поступает в конденсатор колонны 7. Испарившаяся кубовая жидкость — воздух, обогащенный кислородом — из конденсатора 7 проходит теплообменник 3, где нагревается до минус 143 °C и расширяется в турбодетандере 6 до давления 0,04 МПа.

Жидкий азот из кармана колонны охлаждается в теплообменнике продукционного азота 8 до температуры минус 191 °C за счет кипения дросселированной до давления 0,04 МПа части азотной флегмы и в количестве 600 кг/час сливается в емкость.

Поток дросселированного азота из теплообменника 8 добавляется к потоку отходящего газа, расширившегося в турбодетандере 6, и направляется в межтрубное пространство теплообменника 1 для охлаждения прямого потока воздуха.

воздух азот кислород газ

2. Автоматизация

2.1 Анализ процесса разделения воздуха как объекта управления Производственные процессы в различных отраслях промышленности представляют собой совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующими как единое целое машин и аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций.

Производственные процессы рассматривают как последовательную смену состояний технологических операций во времени.

Разделение воздуха является одним из наиболее важных и ответственных технологических процессов на заводе. Основным технологическим оборудованием является блок разделения воздухоразделительной установки Аж-0,6−3.

Блок разделения как объект управления с входными, выходными параметрами и управляющими воздействиями представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Процесс разделения воздуха как объект автоматизации Анализ процессов, протекающих в блоке разделения, позволяет выделить основные входные, выходные параметры, а также возмущающие воздействия.

Возмущающими воздействиями являются:

— температура охлаждающей воды;

— давление сжатого воздуха;

— число оборотов турбодетандера.

Управляющими воздействиями являются:

— расход сжатого воздуха;

— расход воды;

— расход адсорбера.

Выходными показателями являются:

— расход жидкого азота;

— концентрация кислорода в жидком азоте.

2.2 Выбор и обоснование контролируемых и регулируемых параметров процесса разделения воздуха Контролю подлежат технологические параметры, по которым можно наиболее полно оценить правильность протекания технологического процесса.

При выборе контролируемых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представление о процессе. Контролю подлежат, прежде всего, те параметры, текущие значения которых облегчают ведение технологического процесса.

Анализ технологического процесса разделения воздуха позволяет определить основные контролируемые и регулируемые параметры.

Контролируемыми параметрами являются:

— температура воздуха перед входом в турбодетандер 1;

— давление воздуха, поступающего в турбодетандер 1;

— температура воздуха после турбодетандера 1;

— температура воздуха после турбодетандера 2;

— давление воздуха, поступающего в турбодетандер 2;

— давление воздуха после турбодетандера 2;

— уровень жидкости в кубе колонны;

— уровень жидкости в теплообменнике.

Регулируемыми параметрами являются:

— давление сжатого воздуха;

Контроль за температурой воздуха обоснован тем, что возникают так называемые «пиковые нагрузки», появляющиеся в момент переключения адсорберов.

Регулирование давления сжатого воздуха обусловлено тем, что некоторые конструкции блока очень чувствительны к нарушению гидродинамического режима: даже незначительные изменения скорости газа в колонне ведут к неустойчивым режимам ее работы.

Контроль уровня жидкости в кубе колонны и теплообменнике позволяет предотвратить аварийные ситуации перелива жидкости и прекращения снабжения технологического процесса сырьём.

2.3 Выбор и обоснование приборов и средств автоматизации для АСУ ТП разделения воздуха Для реализации предлагаемой АСУ ТП разделения воздуха необходим выбор технических средств автоматизации: датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.

Выбор датчиков для систем автоматического контроля и регулирования

определяется:

— пределами и необходимой точностью измерений контролируемого параметра;

— условиями работы (запыленностью, наличие агрессивных сред и т. д.);

— номенклатурой выпускаемых приборов.

Выбор исполнительного механизма (ИМ) зависит:

— от типа регулятора;

— величины усилия, необходимого для перемещения регулирующего органа (РО);

— требуемого быстродействия;

— условий эксплуатации, температуры, влажности, запылённости,

химической агрессивности окружающей среды, взрывоопасности.

При выборе регулирующих органов необходимо учесть:

— параметры регулируемой среды (давление, температуру и т. д.);

— величину регулируемого расхода и диапазон его изменения;

— условия монтажа и эксплуатации.

Для измерения давления сжатого воздуха используем интеллектуальный датчик давления Метран-150 TG. Интеллектуальные датчики с унифицированным выходным сигналом предназначены для преобразования значения давления различных (как нейтральных, так и агрессивных) сред в унифицированный токовый выходной сигнал 4−20мА, 0−5 мА. Датчик состоит из сенсора и электронного преобразователя. Сенсор состоит из измерительного блока и платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала. В измерительных блоках используется тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина из кремния с пленочными тензорезисторами. Давление через разделительную мембрану и разделительную жидкость передается на чувствительный элемент тензомодуля. Воздействие давления вызывает изменение положения чувствительного элемента, при этом изменяется электрическое сопротивление его тензорезисторов, что приводит к разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь, который преобразует это изменение в унифицированный токовый выходной сигнал. Это дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Технические характеристики датчика:

— диапазон измеряемых давлений от 0 до 60 МПа;

— основная приведенная погрешность до ±0,075%;

— диапазон температур окружающей среды от минус 40 до 80 °C;

— дополнительная температурная погрешность до ±0,05%/10 °С;

— диапазон перенастроек пределов измерений 50:1.

Его особенностью является:

— высокая стабильность характеристик;

— взрывозащищенное исполнение вида «искробезопасная цепь и взрывонепроницаемая оболочка»;

— улучшенный дизайн и компактная конструкция;

— защита от переходных процессов;

— непрерывная самодиагностика;

— высокая перегрузочная способность.

Метран-150 TG показан на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Внешний вид датчика давления Метран-150 TG

Для измерения уровня жидкости в кубе колонны и уровня жидкости в теплообменнике применяем радарный уровнемер Rosemount 5400 и сигнализатор уровня жидкостей Rosemount 2110.

Радарные уровнемеры Rosemount 5400 предназначены для бесконтактных измерений уровня жидкостей, обладающих различными свойствами и имеющих широкий диапазон температур и давлений. Благодаря новаторским решениям, повышающим способность слежения за поверхностью продукта и обеспечивающим уникальную способность обработки сигнала, уровнемеры Rosemount 5400 рекомендуются для работы в парогазовых смесях.

Технические характеристики уровнемера:

— измеряемые среды: нефтепродукты, щелочи, кислоты, растворители, водные растворы, пульпы, суспензии;

— температура процесса от минус 40 до 150 С;

— температура окружающего воздуха от минус 40 до 70 С;

— выходной сигнал: 4 — 20 мА с цифровым на базе протокола HART;

— степень защиты от воздействия пыли и воды IP67.

Его особенностью является:

— высокая способность слежения за поверхностью;

— технология двойного порта;

— круговая поляризация;

— динамическая оптимизация диапазона.

Rosemount 5400 показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Внешний вид уровнемера Rosemount 5400

Сигнализатор уровня жидкостей Rosemount 2110 предназначен для контроля уровня жидкостей. Сигнализаторы Rosemount 2110 разработаны с использованием принципа камертона. Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создает колебания чувствительной вибрационной вилки с частотой около 1300 Гц. Изменения этой частоты отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость (состояние «мокрый контакт») частота колебаний вилки уменьшается, что приводит к переключению контактов сигнализатора. Аналогично при снижении уровня жидкости вилка переходит в состояние «сухой контакт», при этом частота колебаний вилки увеличивается, что приводит к обратному переключению контактов. Сигнал об изменении состояния контактов подается в систему управления, на исполнительные механизмы.

Технические характеристики сигнализатора:

— измеряемые среды: практически все жидкости с плотностью не ниже 600 кг/м3 и вязкостью от 0,2 до 10 000 сП;

— температура процесса от минус 40 до 150 С;

— температура окружающего воздуха от минус 40 до 80 С;

— давление процесса от минус 25 кПа до 10 МПа;

— степень защиты от воздействия пыли и воды IP66.

Достоинства сигнализатора:

— на работу сигнализатора практически не влияют турбулентность процесса, пузырьки, пена, вибрация, содержание твердых веществ, свойства жидкости и ее состав;

— простая установка;

— различные типы присоединений;

— защита от короткого замыкания и нечувствительность к изменению полярности напряжения питания;

— отсутствие движущихся частей, что практически не требует обслуживания;

— функция самопроверки и тактовый светодиод для мониторинга состояния и визуального отображения информации о состоянии;

— регулируемая задержка переключения для применений в процессах с турбулентными и брызгающими средами;

— магнитная контрольная точка для тестирования;

— нет необходимости в калибровке;

— малые размеры и масса.

Rosemount 2110 показан на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Внешний вид сигнализатора уровня жидкостей Rosemount 2110

Для измерения температуры воздуха, поступающего в турбодетандер 1 и выходящего из турбодетандеров 1 и 2, используем преобразователи измерительные Rosemount 3144P. Преобразователи с унифицированным выходным сигналом предназначены для преобразования значения температуры различных сред в унифицированный токовый выходной сигнал 4−20 мА.

Технические характеристики датчика:

— диапазон измерений от минус 200 до 300 С;

— предел допускаемой основной погрешности ±0,10 С;

— высокая точность и надежность измерений температуры на самых ответственных участках производства;

— гальваническая развязка входа от выхода.

Его особенностью является:

— дистанционные управление и диагностика;

— возможность работы измерительного преобразователя как с одинарным, так и с двойным первичным преобразователем;

— возможность измерения средней температуры и разности температур;

— повышенная устойчивость к электромагнитным полям и радиочастотным помехам.

Rosemount 3144P показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Внешний вид преобразователя измерительного Rosemount 3144P

Для измерения давления воздуха, поступающего в турбодетандеры и выходящего из них, применяем интеллектуальный датчик давления Метран-150 СG. Интеллектуальные датчики с унифицированным выходным сигналом предназначены для преобразования значения давления различных (как нейтральных, так и агрессивных) сред в унифицированный токовый выходной сигнал 4−20мА, 0−5 мА. Датчик работает аналогично датчику давления Метран-150 TG, что также дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Технические характеристики датчика:

— диапазон измеряемых давлений от 0 до 10 МПа;

— основная приведенная погрешность до ±0,075%;

— диапазон температур окружающей среды от минус 40 до 80 °C;

— дополнительная температурная погрешность до ±0,05%/10 °С;

— диапазон перенастроек пределов измерений 50:1.

Его особенностью является:

— высокая стабильность характеристик;

— взрывозащищенное исполнение вида «искробезопасная цепь и взрывонепроницаемая оболочка»;

— улучшенный дизайн и компактная конструкция;

— защита от переходных процессов;

— непрерывная самодиагностика;

— высокая перегрузочная способность.

Метран-150 СG показан на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 — Внешний вид датчика давления Метран-150 СG

В качестве исполнительного механизма выбираем ST 0−4500, где 4500 — усилие на штоке 4500, Н. У данного ИМ диапазон рабочих температур от минус 25 до 55 °C при относительной влажности не более 80% и атмосферном давлении от 86 до 108 КПа;

В качестве пускателя выбираем пускатель бесконтактный реверсивный трёхфазный ПБР-2МН, т.к. пускатель обладает относительной простотой, дешевизной и высокой надежностью. У данного пускателя питание осуществляется однофазной сетью переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Максимальный коммутируемый ток составляет 4 А, потребляемая мощность — 10 В· А, входной сигнал постоянного тока 246 В, входное сопротивление пускателя не менее 752 Ом.

В качестве регулирующего органа выбираем вентиль 25c997нж, который устанавливается в среде с температурой от минус 55 до 400 °C, температура окружающего воздуха при эксплуатации от минус 55 до 85 С. Этот вентиль рассчитан на жидкие и газообразные среды.

Данные о контролируемых и регулируемых величинах, а также текущие настройки контроллера подаются на ЭВМ.

2.4 Выбор микропроцессорного контроллера для АСУ ТП разделения воздуха До последнего времени роль контроллеров в АСУ ТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller — программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», «Микродат», «Эмикон» и др.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров. Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю.

Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала. Третье преимущество? более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности программного обеспечения.

Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), программная надежность PC выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, быть компактными и иметь возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.

В качестве микропроцессорного контроллера (МК) для управления технологическим процессом разделения воздуха выбираем Simatic S7−300 компании SIEMENS (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 — Микропроцессорный контроллер Simatic S7−300

Simatic S7−300 — это модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности. Контроллер Simatic S7−300 обладает широким спектром модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.

Особенностью Simatic S7−300 является использование распределенных структур ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации.

Удобная конструкция контроллера позволяет работать с естественным охлаждением. Simatic S7−300 не только обладает высокой мощностью благодаря наличию большого количества встроенных функций, также при модернизации добавляются дополнительные функциональные возможности.

Для нашего процесса необходимо наличие следующих модулей:

— модуль центрального процессора (CPU).

В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т. д. Для нашего процесса оптимальным является процессор CPU 314, который управляет системой управления средней степени сложности со скоростной обработкой;

— модуль блока питания (PS 307), обеспечивающий возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В;

— коммуникационный процессор (CP 342−5) — интеллектуальный модуль, выполняющий автономную обработку коммуникационных задач в промышленных сетях AS-Interface, PROFIBUS, Industrial Ethernet, PROFINET и системах PtP связи;

— функциональный модуль (FM 355S) — интеллектуальный модуль, оснащенный встроенным микропроцессором и способный выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т. д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора;

— модуль ввода аналоговых сигналов SM 331, к которому возможно подключить до 10 датчиков;

— модуль вывода дискретных сигналов SM 322, к которому возможно подключить до 10 устройств;

— модуль ввода дискретных сигналов SM 321, к которому возможно подключить до 10 датчиков.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

— все модули устанавливаются на профильную шину S7−300 и фиксируются в рабочих положениях винтами.

Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса;

— произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места занимают только модули PS, CPU и IM;

— наличие съемных фронтальных соединителей, позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей;

— применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Все модули, используемые в данном процессе, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Перечень выбранных составных модулей микропроцессорного контроллера Simatic S7−300

Все модули установлены в щит шкафного исполнения Rittal IP55 800Ч1000Ч300.

Программирование контроллера осуществляют с помощью поставляемой в комплекте с контроллером программы Simatic STEP 7.

С помощью этой программы выполняется комплекс работ по созданию и обслуживанию систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК) Simatic S7−300 и Simatic S7−400 фирмы Siemens. В первую очередь это работы по программированию контроллеров. На ПЛК возложена задача сбора сигналов от датчиков и их обработки по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. В основе работы лежит концепция проекта, под которым понимается комплексное решение задачи автоматизации, включая несколько взаимосвязанных контроллеров, соединяющие их сети и системы человеко-машинного интерфейса. Работу с проектом в целом обеспечивает главная утилита STEP 7 — Simatic Manager. STEP 7 позволяет производить конфигурирование программируемых логических контроллеров и сетей (утилиты HWConfig и NetPro).

В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование, что по сущности является настройкой оборудования. Утилиты конфигурирования позволяют осуществлять диагностику оборудования, обнаруживать аппаратные ошибки или неправильный монтаж оборудования. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на трех языках:

— LAD — язык релейно-контактной логики;

— FBD — язык функциональных блочных диаграмм;

— STL — язык списка инструкций.

В дополнение к трем основным языкам могут быть добавлены четыре дополнительных языка, поставляемые отдельно:

— SCL — структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

— GRAPH 7 — язык управления последовательными технологическими процессами;

— HiGraph 7 — язык управления на основе графа состояний системы;

— CFC — постоянные функциональные схемы.

Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только отладку программного обеспечения, но и поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики.

В проект STEP 7 могут быть, включены системы человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), например, операторские панели, конфигурируемые с помощью производимого Siemens программного обеспечения ProTool или WinCC Flexible, или персональный компьютер с программным обеспечением WinCC. Интеграция проектов для ЧМИ в проект STEP 7 облегчает автоматическое связывание проектов для контроллера и операторского интерфейса, ускоряет проектирование и позволяет избежать ошибок, связанных с раздельным использованием программ. В полной мере эти преимущества проявляются при использовании системы проектирования PCS7, в основе которой также используется STEP 7.

2.5 Обоснование структурной схемы автоматизации Система управления работой блока разделения разработана с целью исключения ручного труда персонала, а также повышения эффективности работы установки путем предоставления оператору своевременной и достоверной информации о ходе технологического процесса и состоянии технологического оборудования, что позволяет поддерживать стабильный технологический режим и сократить время работы технологического оборудования в неэффективных режимах.

Комплекс технических средств системы управления имеет двухуровневую структуру:

— нижний уровень — уровень реализации задачи на базе промышленных контроллеров (PLC), датчиков, преобразователей, пусковой аппаратуры, исполнительных механизмов, регулирующих органов;

— верхний уровень — уровень реализации задачи визуализации процессов на базе SCADA-систем.

На нижнем уровне система решает следующие основные задачи:

— сбор первичной информации о ходе технологического процесса;

— анализ собранной информации;

— отработка логики технологического процесса с учетом всех современных требований;

— выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

На верхнем уровне система решает другие задачи:

— визуализация основных технологических параметров;

— архивирование параметров процесса разделения воздуха;

— выдача команд на воздействие регулирующих органов исполнительным механизмам;

— выдача команд на изменение параметров внешних воздействий.

Рабочий режим выполняется под программным управлением контроллера и оператора с возможностью вмешательства оператора в ход технологического процесса.

Ручной режим обеспечивает дистанционное управления с автоматизированного рабочего места (АРМ) всеми исполнительными устройствами установки и применяется, в основном, при запуске и остановке работы оборудования, а также при проведении исследований новых технологических режимов.

В ручном режиме выполняются блокировки в работе оборудования.

Наладочный режим исключает блокировки в работе оборудования и используется при наладке установки и системы управления.

Структурная схема АСУ ТП представлена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 — Структурная схема АСУ ТП разделения воздуха В данной схеме используются следующие обозначения: 1.1 — датчик давления сжатого воздуха (интеллектуальный датчик давления Метран-150 TG); 1.2 — пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2М; 1.3 — исполнительный механизм ST 0−4500; 2.1 — датчик температуры воздуха перед турбодетандером 1 (преобразователь измерительный Rosemount 3144P); 3.1 — датчик давления воздуха, поступающего в турбодетандер 1 (интеллектуальный датчик давления Метран-150 TG); 4.1 — датчик температуры воздуха после турбодетандера 1 (преобразователь измерительный Rosemount 3144P); 5.1 — датчик температуры воздуха после турбодетандера 2 (преобразователь измерительный Rosemount 3144P); 6.1 — датчик давления воздуха, поступающего в турбодетандер 2 (интеллектуальный датчик давлении Метран-150 СG);7.1 — датчик давления воздуха после турбодетандера 2 (интеллектуальный датчик давлении Метран-150 ТG); 8.1 — сигнализатор уровня жидкости в кубе колонны (сигнализатор уровня Rosemount 2100); 9.1 — датчик уровня жидкости в кубе колонны (радарный уровнемер Rosemount 5400); 10.1 — сигнализатор уровня жидкости в теплообменнике (сигнализатор уровня Rosemount 2100);11.1 — датчик уровня жидкости в теплообменнике (Rosemount 2100).

Для решения задач нижнего уровня используется ISaGRAF — программный продукт фирмы CJ International (Франция).

Этот программный продукт реализует все пять языков программирования, заданных международным стандартом МЭК 1131−1 для программирования промышленных контроллеров.

Данный программный продукт признан в мире одним из лучших для задач промышленной автоматики. Для разработки верхнего уровня используем программный комплекс Genesis-32.

Данный программный продукт предназначен для разработки, настройки и запуска в реальном времени систем управления технологическими процессами.

Физической средой, связывающей верхний и нижний уровни, является Profibus, общепризнанный протокол для задач такого уровня.

Программной средой, обеспечивающей связь верхнего и нижнего уровня, является OPC сервер.

В качестве контроллерной составляющей используется контроллер фирмы Siemens — Simatic S7−300, позволяющий строить экономичные системы, но удовлетворяющий всем самым современным требованиям.

На рисунке 2.10 представлена мнемосхема процесса разделения воздуха, выполненная в Genesis-32.

SCADA-системы предназначены для мониторинга и диспетчерского контроля множества удаленных объектов или одного территориально распределенного объекта.

К основным задачам, решаемым SCADA-системами, относятся:

— обмен данными с УСО (устройством связи с контролируемым объектом);

— обработка информации по заданным алгоритмам;

— отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме;

— ведение базы данных с технологической информацией;

— аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями;

Рисунок 2.10 — Мнемосхема процесса разделения воздуха

2.6 Выбор ЭВМ для АСУ ТП разделения воздуха Вся цифровая и графическая информация отображается на ЭВМ, поэтому к ней предъявляются повышение требования по надежности. Предъявляемым требованиям не удовлетворяют широко распространенные и дешевые персональные ЭВМ, поэтому при разработке АСУ был сделан выбор в пользу ЭВМ промышленного образца. Выбираем панельный компьютер фирмы Advantech модель PPC-140/120 на базе процессора Pentium MMXTM.

В данном случае ЭВМ будет работать в режиме «советчика». При работе в данном режиме на ЭВМ возложены следующие функции:

— контроль параметров, по которым осуществляется оперативное управление процессом;

— сигнализация о выходе параметров за допустимые пределы;

— вывод на монитор графической информации о ходе технологического процесса;

— ввод информации, поступающей из лаборатории;

— вывод цифровой и графической информации на печать.

Особое место в работе ЭВМ уделено функции поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций (советов) оператору. Данная функция осуществляется следующим образом. Через заданные промежутки времени полученные с микропроцессорного контроллера данные о состоянии объекта анализируются с помощью математической модели (ММ). Также по ММ определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимуму, результаты предоставляются оператору. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий остается за оператором. Внесение управляющих воздействий осуществляется путем изменения уставок в МК через ЭВМ.

Кроме вышеперечисленных возможностей ЭВМ может работать также и в режиме обучения технологического персонала. В этом случае все вносимые оператором управляющие воздействия не поступают на МК, а пересчитываются по ММ и на монитор выводится график реакции объекта управления на вносимое управляющее воздействие. Процессом управляет МК по заданию, внесенному в него перед отключением режима советчика.

Для того чтобы не выходить из режима советчика и не загружать память ЭВМ, за которой работает оператор-технолог, рекомендуется параллельно ЭВМ установить персональную ЭВМ, на которой будет проходить процесс обучения.

2.7 Описание работы функциональной схемы АСУ ТП Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функциональную структуру и объем автоматизации технологического процесса выращивания. На функциональной схеме (СФУ ИЦММ ДП — 220 301.65 — АМЦ6 861 — А2) изображен процесс разделения воздуха с соответствующими приборами и средствами автоматизации.

Для регулирования давления сжатого воздуха применяется интеллектуальный датчик давления Метран-150 TG (поз. 7−1), в котором значение давления преобразуется в выходной унифицированный токовый сигнал 0−3 мА. Далее сигнал поступает на аналоговый вход микроконтроллера SIMATIC S7−300 и на ЭВМ. В микроконтроллере сигнал преобразуется из аналоговой формы в дискретную и уже с дискретного выхода поступает в пускатель ПБР-2МН (поз. 7−2), а дальше непосредственно на исполнительный механизм ST 0−4500 (поз. 7−3). Исполнительный механизм воздействует на регулирующий орган, открывая или закрывая вентиль 25c997нж (поз. 7−4).

Для контроля давления воздуха, поступающего в турбодетандер 1, используется интеллектуальный датчик давления Метран-150 TG (поз. 2−1), в котором значение давления преобразуется в выходной унифицированный токовый сигнал 0−3 мА. Далее сигнал поступает на аналоговый вход микроконтроллера SIMATIC S7−300 и на ЭВМ.