Автоматизация системы управления узла выделения фракции ароматических углеводородов С6-С8

1. Характеристика объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

1.2 Основные характеристики и особенности технологического объекта с точки зрения задач управления

1.3 Обобщенный критерий эффективности управления процессом

2. Анализ существующей схемы автоматизации технологического процесса

2.1 Анализ организационно — технической структуры

2.2 Анализ существующей системы управления

2.3 Выводы по необходимости модернизации системы

3. Разработка и описание системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами

3.1 Выбор и описание структурной схемы системы управления

3.2 Техническое обеспечение

3.3 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации ТОУ

4. Математическое обеспечение

4.1 Построение математической модели

4.2 Расчет и исследование автоматической системы регулирования

5. Описание информационного обеспечения

5.1 Перечень входных и выходных сигналов РСУ

5.2 Описание информационного обеспечения системы

5.3 Описание массивов исторических данных

5.4 Состав выходных данных

6. Описание стандартного программного обеспечения

6.1 Операционная система

6.2 Протоколы межуровневого взаимодействия интегрированной системой управления

6.3 Структура и функции программного обеспечения

6.4 Методы и средства разработки программного обеспечения

7. Описание прикладного программного обеспечения

7.1 Описание алгоритмов

7.2 Интерфейс оператора

Заключение

технологический углеводород программный интерфейс

1. Характеристика объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

Описание технологического процесса

Первый поток — через фильтры Ф-355/I, II, предназначенные для улавливания взвешенных частиц, подается в трубное пространство подогревателя Т-356 (или помимо Т-356), обогреваемого горячей водой по межтрубному пространству, поступает в колонну К-336.

Ректификация в К-336 происходит под вакуумом, который поддерживается вакуум-насосами Н-255/III, IV (III отделение). Регистрация вакуума по верху колонны К-336 ведется по приборам поз. 4−1. Процесс ректификации в колонне К-336 происходит при температуре верха колонны К-336 50?90°С и давлении верха колонны (вакуум) К-336 минус 0,3? минус 0,7 кгс/см².

Подача тепла в колонну К-336 осуществляется через выносные кипятильники Т-337, обогреваемый паром низкого давления 5,0 кгс/см². Конденсат после кипятильников Т-337 направляется в сепаратор С-337, где происходит его сепарация. Паровой конденсат по уровню в сепараторе С-337 в пределах 20−80% по шкале прибора поз. 10−1 через регулирующий клапан поз. 10−5 направляется в емкость Е-283/I (III отделения).

Кубовый продукт колонны К-336 через теплообменник Т-622, охлаждаемый оборотной водой, насосом Н-349/I, II подается в емкость Е-251/I (III отделение) и далее на склад ДП-7. Для улавливания взвешенных частиц перед Н-349/I, II установлены фильтры.

Температура куба колонны К-336 поддерживается регулятором поз. 7−1, клапан которого установлен на линии откачки кубового продукта колонны К-336.

Уровень в кубе колонны К-336 регулируется в пределах 20−90% регулятором расхода поз. 12−1, клапан которого установлен на линии подачи пара в межтрубную часть кипятильника Т-337. Пары углеводородов с верха колонны К-336 поступают в межтрубную часть дефлегматора Т-338, где охлаждаются и конденсируются промышленной оборотной водой, подаваемой в трубное пространство. Из дефлегматора Т-338 конденсат сливается в емкость Е-304 и насосом Н-135/I, II в виде флегмы подается в колонну К-336 на 22-ю тарелку, а избыток отводится по уровню из емкости Е-304 в емкость Е-351 (регулятор уровня поз. 8−1). Расход флегмы в колонну К-336 регулируется регулятором расхода поз. 5−3 с коррекцией по температуре верха колонны К-336, клапан которого установлен на линии подачи флегмы.

Технологическая цель производства.

Установка предназначена для выделения фракции ароматических углеводородов С₆-С₈ из бензола сырого каменноугольного с целью расширения сырьевой базы производства товарного бензола завода этилена.

В состав производственного подразделения входят:

— узел отгона легких углеводородов С₃-С₅ из бензола сырого каменноугольного (колонна К-143), расположен на наружной установке № 2;

— узел выделения ароматических углеводородов С₆-С₈ (колонны К-336, К-339), расположен на наружной установке № 1;

— узел отмывки фракции ароматических углеводородов С₆-С₈ (колонна К-30/II), расположен на наружной установке № 2;

Год ввода в эксплуатацию — 2003 год.

Проектная мощность установки по сырью — 32 000 тонн в год.

На 1 января 2009 года переработано 17 011,4 тонны бензола сырого каменноугольного.

Описание сырьевых, продуктовых и энергетических потоков:

Таблица 1. Описание сырьевых, продуктовых и энергетических потоков

Перечень управляющих потоков, возмущающих воздействий и регулируемых параметров К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию относятся: расход, давление, уровень и температура.

Таблица 2 — Перечень управляющих потоков, возмущающих воздействий и регулируемых параметров

Кроме технологических возмущений, на объект управления действуют параметрические (связанные с конструктивными или физическими особенностями аппаратов, например полимеризация, механическая деформация) и нетехнологические (связанные с воздействиями на объект из вне, например влияние погодных условий, перепады напряжения). Но так как оборудование покрыто тепловой изоляцией, ежегодно проходит капитальный ремонт всей установки, а во время работы текущий, средний, капитальный ремонты частного оборудования, то параметрическими и нетехнологическими возмущениями можно пренебречь.

В процессе эксплуатирования установки на объект оказывают своё действие эксплуатационные возмущения, связанные с плановым или аварийным переходом технологического оборудования (насосы, фильтры) или переходом с автоматического регулирования на байпас (например, при замене клапана).

Структурная схема объекта управления Рис. 1.1 — Структурная схема объекта управления

F — возмущающие воздействия, которые нельзя стабилизировать при входе в исследуемый объект. К ним относятся загрязнение, коррозия, отложение продуктов на стенках аппарата, образование осадка;

X — возмущающие воздействия, которые при входе в объект можно за стабилизировать. Это входные параметры, характеризующие материальные и энергетические потоки на входе в исследуемый объект. К ним относятся температура, расход и состав питания колонны К-336, свойства теплои хладоносителей;

U — переменные, изменением которых система может воздействовать на объект с целью управления. К ним относятся расход теплоносителя в Т-337, расход флегмы в К-336 и т. д.;

Y — переменные, характеризующие состояние процесса. Их в процессе регулирования необходимо поддерживать на заданном значении или изменять по заданному закону. К ним относятся уровень в колонне К-336, температура верха колонны К-336 и т. д.).

1.2 Основные характеристики и особенности технологического объекта с точки зрения задач управления Обобщенная задача управление производством.

Показателем эффективности процесса синтеза является состав целевого продукта (фракции ароматических углеводородов С₆-С₈), а целью управления производством — поддержание этого состава на заданном значении (не менее 99,3% масс.), при ограничении на энергозатраты и производительность.

Основным аппаратом является ректификационная колонна K-336, предназначенная для выделения целевой фракции ароматических углеводородов С₆-С₈ под вакуумом.

Пожаро-взрывоопасность производства.

Данное производство по характеру сырья и получения продуктов, а также в связи с наличием токсичных и взрывоопасных смесей, относится к категории пожаро — и взрывоопасных производств, что обуславливает необходимость противоаварийной защиты.

Процессы выделения фракции ароматических углеводородов С₆-С₈ из бензола каменноугольного происходят в колонне К-336 под вакуумом, при высокой температуре. Вакуум в колоннах К-336 создается вакуум-насосами Н-255/III, IV, установленными в насосной установке № 3 отделения экстрактивной дистилляции.

Все эти факторы могут вызвать выход из строя оборудования и создают дополнительную опасность для работающих.

Для устранения факторов опасности, вытекающих из специфики производства, выполнены следующие мероприятия:

— для защиты аппаратов от разрушения при достижении давления выше расчетного, установлены предохранительные клапана в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ;

— все аппараты и трубопроводы с высокой температурой стенок имеют термоизоляцию;

— для гашения вакуума предусмотрена стационарная линия подачи азота в линии слива углеводородов из дефлегматора Т-338 колонны К-336

— для предотвращения разгерметизации фланцевых соединений и выброса вредных продуктов в зону обслуживания, а так же для предотвращения попадания кислорода в аппараты, что может привести к образованию взрывоопасных концентраций внутри оборудования и в дальнейшем к взрыву, все фланцевые соединения в исполнении «выступ-впадина» и укомплектованы бензостойкими прокладками. Фланцевые соединения гладкого исполнения укомплектованы спирально-витыми прокладками.

Процесс ректификации в колонне К-336 происходит при температуре верха колонны К-336 50?90°С и давлении верха колонны (вакуум) К-336 минус 0,3? минус 0,7 кгс/см²

Управляемость объекта и другие характеристики объекта упраления.

Цель работы колонны — выработка конечного продукта из исходных компонентов при соблюдении требований максимальной эффективности процесса:

— создание устойчивого и стабильного режима проведения реакции;

— высокие энергетические показатели;

— минимальная стоимость реактора;

Температура реакции оказывает большое воздействие на ход процесса получения фракции углеводородов С₆-С₈. При нарушении температурного режима работы аппарата происходит отклонение состава готового продукта то заданных значений.

Данное производство по характеру сырья и получения продуктов, а также в связи с наличием токсичных и взрывоопасных смесей, оборудования находящегося под вакуумом, относится к категории пожаро — и взрывоопасных производств, что обуславливает необходимость противоаварийной защиты (ПАЗ).

Для построения контуров ПАЗ определяются входящие и исходящие из объекта управления сырьевые и энергетические потоки. Далее комплексно анализируются возможные аварийные ситуации на объекте управления, выявляются линии, которые необходимо отсечь, линии, по которым сырье должно безопасно покинуть объект. Т. е. требуется обесточить установку с выведением её в безопасное состояние. Такие контуры должны быть надежными, чувствительными и малоинерционными.

Особую опасность представляют:

— все применяемые продукты вредны для человека, вдыхание паров продуктов может привести к тяжелому отравлению;

— высокие значения температуры, что может привести к разрыву аппаратов с последующей опасностью возгорания и взрыва.

1.3 Обобщённый критерий эффективности управления процессом Общая задача управления процессом формируется обычно как задача минимизации (максимизации) некоторого критерия при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. Решение такой задачи для всего процесса в целом очень трудоемко, а иногда практически невозможно в виду большого числа факторов, влияющих на ход процесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления.

На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формируют задачи автоматического регулирования технологических параметров для отдельных систем автоматического управления, то есть тех параметров, которые необходимо регулировать, контролировать и анализировать, и на основании этих данных можно определить предварительное состояние технологического объекта управления. Для формулировки задачи необходимо ввести обозначения искомых переменных и исходных данных, записать в этих обозначениях критерий оптимальности, который в результате решения должен принять минимальное или максимальное значение, и выписать набор условий, определяющих множество допустимых решений.

Такими условиями являются связи между искомыми переменными, пределы, в которых может выбираться каждая из них, требования к характеру искомых функций (гладкость, непрерывность и т. п.).

Спецификой автоматизации массообменных процессов является то, что они очень энергоемки, поэтому система автоматизации должна способствовать снижению энергозатрат на разделение при условии обеспечения заданного качества продуктов.

В реальных условиях случайные возмущения приводят к нарушению материального и теплового балансов в аппарате, изменению давления и температуры и в конечном итоге — к отклонению составов продуктов. Поэтому одна из задач регулирования процессов — поддержание материального и теплового балансов при различных возмущениях.

Пусть известна математическая модель объекта в виде:

(1)

где, исходя из структурной схемы автоматизации (см. рис. 1.1),

F = F (f1,f2,f3,f4,Q, T, F) — вектор возмущений;

U = U (F_флегмы, F_пара) — вектор управления;

X — состояние объекта.

Заданы ограничения, наложенные на составляющие вектора F, U, X, которые определяют допустимую область изменения F, U.

(2)

Поставим в соответствие состоянию объекта скалярную функцию Q (F, U, X), которую будем называть целевой или критерием оптимальности. Целевая функция численно выражает нашу заинтересованность в том или ином режиме объекта. Для каждого вектора возмущений F необходимо найти вектор управления:

(3)

минимизирующий значение целевой функции Q (F, U).

Конкретно для исследуемого объекта целевая функция или критерий оптимальности будет иметь вид:

(4)

т.е. критерием оптимальности является минимизация энергозатрат для получения целевого продукта заданной концентрации при ограничении на производительность по этому продукту и следующие параметры процесса:

— 0,3? P_верха? -0,7 кгс/см²; 50? Т_верха? 90 ^оС; 60? Т_куба? 135 ^оС.

Ограничения на параметры технологического процесса должны обеспечивать получение продукта заданного состава.

Таким образом, задачу управления процессом можно сформулировать следующим образом: получение фракции углеводородов С₆-С₈ заданного качества при заданной производительности и снижении энергозатрат на разделение с соблюдением условий безаварийности и безопасности работы.

2. Анализ существующей схемы автоматизации технологического процесса

2.1 Анализ организационно — технической структуры Перечень выполняемых системой функций.

В настоящее время в цехе 1506 реализована система управления технологическим процессом со структурой, построенной на основе локальных одноконтурных, многоконтурных автоматических систем регулирования.

Для управления процессом получения фракции ароматических углеводородов С₆-С₈ используется средства автоматизации, характеризующиеся применением системы пневматических приборов «Старт» .

Данная система реализует следующие информационные и управляющие функции.

Информационные функции:

опрос групповых преобразователей и первичная переработка информации;

расчет и регистрация на диаграммных листах;

технологическая и аварийная сигнализация.

Управляющие функции:

выдача управляющих воздействий на локальные регуляторы;

регистрация сообщений управляющей подсистемы на устройствах отображения.

Одновременно производится накопление информации.

Первичная переработка информации технологических значений осуществляет:

" сглаживание" текущего значения;

контроль параметров технологического процесса, и сигнализацию их предельных значений;

стабилизацию технологического процесса на заданном, технологическим регламентом, уровне;

сбор и хранение информации о технологических параметрах;

автоматическое и ручное управление параметрами технологического процесса.

Используемые технические средства автоматизации.

Измерения значений технологических параметров осуществляется с помощью первичных и вторичных приборов.

Температура в аппаратах измеряется термоэлектрическими преобразователями ТХК-0515, с которых сигнал поступает на многоканальные измерительные преобразователи (МИП) Ш711. Они выполняют преобразование унифицированных аналоговых электрических сигналов постоянного тока и напряжения от датчиков расхода, давления, уровня и датчиков температуры в кодированный электрический сигнал. Прибор Ш711 имеет искробезопасные входные цепи уровня «iA», имеет маркировку взрывозащиты «[Exia]IIC», соответствует ГОСТ Р 51 330.0−99, ГОСТ Р 51 330.10−99 и предназначен для установки вне взрывоопасных зон помещений и наружных установок.

Преобразователи измерительные НП-ТЛ1-и предназначены для преобразования сигнала от преобразователя термоэлектрического в унифицированный сигнал постоянного тока.

Приборы автоматические следящего уравновешивания КСМ-4и предназначены для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные выше электрические сигналы и активное сопротивление. Приборы работают в комплекте с термоэлектрическими преобразователями или источниками постоянного напряжения. В приборах применяют неименованную диаграммную ленту типа ЛПГС-250 с равномерной сеткой.

Позиционеры электропневматические ЭПП-63 предназначены для уменьшения рассогласования хода и повышения быстродействия поршневых пневматических исполнительных механизмов двустороннего действия и мембранных пневматических исполнительных механизмов одно и двустороннего действия путем введения жесткой обратной связи по положению выходного звена исполнительного механизма.

Для установки во взрывоопасных зонах позиционеры ЭПП-63 должны работать в комплекте с барьером искроэащиты пассивным БИП (в дальнейшем — барьер БИП), обеспечивающим искробезопасность входной цепи и устанавливаемым вне взрывоопасной зоны. Позиционеры ЭПП-Ех имеют уровень взрывозащиты особовзрывобезопасный с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» и маркировку взрывозащиты «0ЕхiaIICT6″ в комплекте с БИП», соответствуют требованиям ГОСТ 2.2785−78 и предназначены для установки во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок. Позиционеры не имеют самостоятельного применения, являются комплектующими изделиями для исполнительных механизмов. Давление в аппаратах измеряется с помощью пневматических преобразователей давления МС-П1, ВС-П1. Данные преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, управления и регулирования производственных процессов с целью выдачи информации об измеряемом давлении или разрежении газа или жидкости в виде унифицированного пневматического аналогового выходного сигнала. Расход сырья и продуктов измеряется приборами типа 13ДД11, которые предназначены для работы в системах автоматического контроля и управления процессами с целью выдачи информации в виде унифицированного пневматического сигнала о перепаде давления, расходе жидкости и газа, а также уровне жидкости. Преобразователи эксплуатируются совместно с вторичными регистраторами и регуляторами, работающими от стандартного сигнала 20−100 кПа. Принцип действия преобразователя основан на пневматической силовой компенсации.

Уровень продуктов в аппаратах измеряется буйковыми уровнемерами УБ-ПИ. В контурах регулирования применяются Станции управления ПВ 10.1Э, предназначенные для трехрежимного ведения процесса: ручного управления, автоматического регулирования, контроля и записи регулируемого параметра, а также контроля задания и давления в линии исполнительного механизма. В приборах типов ПВ10.1Э привод диаграммы осуществляется электрическим синхронным двигателем. Действие прибора основано на компенсационном принципе измерения, при котором усилие на приемном элементе, возникающее от входного давления, уравновешивается усилием от натяжения пружины обратной связи. Приборы могут быть использованы для работы с пневматическими датчиками или другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы 20…100 кПа. Приборы включают в себя следующие основные функциональные узлы: измерительный (по одному на канал измерения); станцию управления; ленто-протяжный механизм. В измерительном узле входной пневматический сигнал преобразуется в поступательное перемещение указателя и пера. Станция управления имеет задатчик и переключатель, состоящий из кнопочного пульта и механизма клапанов. Задатчик выполнен из элементов аналоговой пневматической техники. В станции управления предусмотрено подсоединение регулятора ПР3.31. Пропорционально-интегральное регулирующее пневматическое устройство ПР3.31 предназначено для получения непрерывного пропорционально-интегрального регулирующего воздействия давления сжатого воздуха на исполнительный механизм или какое-либо другое устройство системы регулирования с целью поддержания измеряемого параметра (расхода, давления, температуры и других) на заданном уровне. Регулятор ПР3.31 используется для работы с датчиками, приборами контроля, задатчиками или другими устройствами со стандартными пневматическими сигналами на входе и выходе.

Кроме этого предусмотрена система сбора и хранения данных, реализованная на базе контроллера SLC-500 фирмы Allen-Bradley. Контроллер SLC-500 предназначены для построения территориальнораспределенных систем сбора данных и обеспечивают выполнение следующих функций: аналоговый ввод, дискретный ввод, ввод сигналов от термометров сопротивлений, первичное преобразование информации, прием команд от удаленной вычислительной системы и передача в ее адрес, преобразованных данных с использованием интерфейса RS-485 или Ethernet.

Описание системы противоаварийной защиты Система противоаварийной защиты реализована с использованием прибора аварийной сигнализации и блокировки ПАС-01. Прибор является специализированным модульным программируемым микропроцессорным контроллером. ПАС-01 предназначен для контроля и обработки дискретных сигналов аварийных ситуаций, предупредительной и аварийной, световой и звуковой сигнализации, ведения архива событий и выдачи управляющих сигналов блокировки на исполнительные механизмы.

ПАС-01 осуществляет:

— Прием дискретных сигналов от двухпозиционных датчиков, характеризующих состояние объекта, эксплуатируемых во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.

— Прием дискретных сигналов от двухпозиционных датчиков состояния исполнительных механизмов, расположенных в невзрывоопасных зонах.

— Запоминание и выявление последовательности поступления входных сигналов.

— Логическая обработка входных сигналов с использованием блоков функциональной логики ФБЛ, выполняющих операции: «И», «И — НЕ», «ИЛИ», «ИЛИ — НЕ», «ГИСТЕРЕЗИС», «ЗАДЕРЖКА», функцию «ТАЙМЕР», программирование обратных связей с выходов последующих ФБЛ на входы предыдущих (только для исполнения «МЛ»).

— Выдача блокировочных сигналов на исполнительные механизмы.

— Световая и звуковая, предупредительная и аварийная сигнализация.

— Выдача сигналов на включение внешней звуковой сигнализации.

— Возможность работы с модулем бесперебойного питания.

— Архивирование в энергонезависимой памяти даты и времени возникновения событий: предупредительной и аварийной сигнализации, возврата в норму, включения и отключения исполнительных механизмов.

— Емкость архива — 1020 событий.

— Индикация на цифровом дисплее оперативной и архивной информации по требованию оператора.

— Объединение в сеть с другими приборами для передачи информации о текущем состоянии входных сигналов и архивных записей на верхний уровень контроля и управления по интерфейсу RS-485, протокол обмена MODBUS. Для интеграции в SCADA-систему по отдельному заказу может поставляться OPC-сервер.

В системе ПАС-01 применяются манометры показывающие сигнализирующие ЭКМ-1У. Они предназначены для измерения избыточного давления жидкостей, газа и пара и управления внешними электрическими цепями путем включения и выключения контактов в схемах сигнализации, автоматики и блокировки технологических процессов. Приборы изготовляются с замыкающими и размыкающими контактами сигнального устройства, имеющими установку на срабатывание при верхнем и нижнем заданных значениях давления.

2.2 Анализ существующей системы управления Обоснованность выбора схем регулирования и законов регулирования.

Система технических средств автоматизации установки выполнена на элементной базе государственной пневматической системы «Старт» .

Выбранные схемы регулирования, законы регулирования удовлетворяют условиям поддержания технологического режима. В существующей системе отсутствуют приборы и алгоритмы прямого цифрового управления.

Достоинством данной системы является то, что она надежна, а также взрыво — и пожаробезопасна. Пневмосистемы в нашей стране широко распространены, что обуславливает дешевизну, как самих средств автоматизации, так и запасных частей к ним. К достоинствам государственной пневматической системы «Старт» можно также отнести и то, что за время ее существования на производстве подготовлен и работает большой штат специалистов в этой области. Система предназначена для автоматического сбора, обработки, хранения и представления технологической информации для оперативного контроля за ведением технологического процесса.

Большинство приборов КИП, используемых на установке выработали срок эксплуатации, морально устарели, что сказывается на качестве обслуживания. К недостаткам можно отнести:

а) материалоемкость, что объясняется большими габаритами приборов и щитов, на которых расположены приборы;

б) примитивность средств отображения и хранения информации, что обусловлено применением диаграммных лент с чернилами; такой способ отображения и хранения информации не удобен;

в) невозможность реализации сложных законов регулирования, то есть, не способны осуществлять регулирование по качеству, адаптивное регулирование.

г) средства ПАЗ базируются на устаревшей технике (ЭКМ, Логика), которая морально и технически устарела.

Обоснованность выбора точек технологического контроля и мест приложения регулирующих воздействий.

Выбранные точки технологического контроля дают максимально нужную информацию о ходе технологического процесса и всегда можно повлиять на ход процесса в местах приложения регулирующих воздействий. Поэтому нет смысла менять точки контроля и регулирования.

Надежность работы существующей системы.

Вследствие того, что исполнительные механизмы выработали срок службы, появилась потенциальная опасность самопроизвольного срабатывания, ведущая к большим материальным затратам.

Анализ существующей системы управления выявил следующие недостатки:

а) большая конструктивная ёмкость системы, так как локальные средства отображения информации расположенные на щитах занимают огромное пространство в операторных и требуют от технологического персонала постоянного перемещения по периметру щита, кроме того, не способствуют восприятию о ходе технологического процесса оператором;

б) на данном этапе замене подлежит система ПАЗ, так как она основана на пневмоприборах и отработала все сроки: ложные срабатывания блокировок ведут к долговременным остановам, убыткам и лишним затратам.

2.3 Выводы по необходимости модернизации системы Выявление недостатков и нерешенных задач.

Как было отмечено ранее, к недостаткам существующей пневматической системы относятся: материалоемкость, примитивность средств отображения и хранения информации, невозможность реализации сложных законов регулирования, громоздкость измерительной схемы, большое количество оборудования, значительный объем обслуживания, дефицит запасных частей по причине прекращения выпуска промышленностью.

Вывод: Существующая система управления, включая полевой КИП, является неэффективной и ненадежной в настоящее время, и требует замены; так же требуется установка быстродействующего, точного аналитического оборудования.

Постановка задачи проектирования.

Направлением модернизации является:

а) замена существующей пневматической системы управления и системы ПАЗ многоуровневой распределенной системой;

б) замена полевого КИП на интеллектуальные датчики;

в) замена исполнительных механизмов системы ПАЗ;

На уровне датчиков предполагается использовать интеллектуальные датчики. Для измерения давления, расхода, уровня и температуры предлагается использовать искробезопасные датчики Yokogawa Electric Corporation, поддерживающие протокол Foundation Fieldbus и HART.

Предлагается, в качестве барьеров искробезопасности использовать барьеры фирм Elcon и Measurement Technology Ltd; в качестве РСУ реализовать на многофункциональных контроллерах Centum CS3000R3, для реализации станций ПАЗ многофункциональный контроллер безопасности и управления критическими процессами Prosafe RS, в качестве регулирующих клапанов будут использоваться клапаны модели 251−1 фирмы Samson.

3. Разработка и описание системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами

3.1 Выбор и описание структурной схемы системы управления Перечень функций, выполняемых системой на каждом уровне управления.

По функциональным признакам структура АСУТП подразделяется на следующие категории:

— распределённая система управления (РСУ), базирующаяся на специализированной микропроцессорной технике, предназначенной для управления технологическими процессами совместно с оперативным персоналом в режиме реального времени.

— система противоаварийной защиты (ПАЗ), базирующаяся на специализированной микропроцессорной технике повышенной надёжности, предназначенной для гарантированного автоматического перевода технологических процессов в безопасное состояние при возникновении аварийных ситуаций (реализация аварийной сигнализации и алгоритмов защитных блокировок).

Периферийное оборудование — понятие, объединяющие датчики, анализаторы, преобразователи и исполнительные механизмы, а также электрические и другие приводы, установленные как непосредственно на технологическом оборудовании, так и в специальных помещениях, и подключенные к РСУ и ПАЗ.

По иерархическим признакам структура АСУ ТП должна быть трёхуровневой и строится на основе распределённой архитектуры. Структура системы должна соответствовать магистрально-модульному принципу построения с сетевой организацией обмена информацией между устройствами и иметь распределённое программное обеспечение и базу данных, доступную (с заданными ограничениями) всем абонентам промышленной сети.

Каждый из уровней АСУ ТП представляет собой следующее:

1-й уровень — полевой КИП, базирующийся на современной электронной технике и исполнительных механизмах, выполняющий следующие функции:

— первичная обработка информации (фильтрация, линеаризация, проверка на достоверность значений параметров);

— реализация регулирующих воздействий;

— двухсторонний обмен данными со 2-м уровнем.

2-й уровень — специализированный комплекс микропроцессорных контроллеров РСУ и ПАЗ, ориентированный на автоматизированное управление производственными процессами в режиме реального времени и выполняющий следующие функции:

— сбор информации с нижнего уровня;

— расчет действительных значений параметров и введение поправок;

— реализация сложных цифровых алгоритмов и законов регулирования;

— автоматический контроль состояния технологического процесса;

— выдача управляющих воздействий на нижний уровень управления.

— двухсторонний обмен данными с 3-м уровнем.

3-й уровень — рабочие станции промышленного исполнения (станция оператора и станция инженера).

Станция оператора выполняет следующие функции:

— управление в реальном масштабе времени технологическим процессом;

— визуализация состояния технологического оборудования в удобном для восприятия и анализа виде (графики, мнемосхемы, гистограммы, таблицы, тренды и.т.д.), ведение базы данных, обработку данных;

— автоматическое и ручное управление технологическим процессом;

— сигнализация отклонений параметров от регламентных норм;

— расчет технико-экономических показателей;

— контроль за работоспособным состоянием системы ПАЗ, регистрация срабатывания системы ПАЗ;

— самодиагностика;

— формирование и выдача протокола нарушений и сообщений.

Станция инженера выполняет следующие функции:

— задание уставок блокировки;

— дистанционная настройка регуляторов, установка диапазонов датчиков;

— отладка программ, настройки мнемосхем, трендов;

— связь с другими системами автоматизации;

— защита баз данных и программного обеспечения от несанкционированного доступа.

Связь между компонентами 1-го и 2-го уровней АСУ ТП должна осуществляться электрическим способом: кодовые сигналы, аналоговые, дискретные сигналы.

Связь между компонентами 2-го и 3-го уровня должна осуществляться кодовым способом посредством специализированных промышленных компьютерных сетей обеспечивающих полный цикл обмена данными между компонентами в пределах одной секунды. Связь во время управления процессом между контроллерами должна работать в режиме односторонней передачи информации — от ПАЗ к РСУ. 3-й уровень АСУ ТП должен иметь программные и аппаратные средства для подключения к информационно-управляющей системе завода, организованной на базе протокола Ethernet.

АСУ ТП должна иметь гибкую структуру, легко адаптироваться к изменениям и дрейфу характеристик технологических процессов во времени, обеспечивать модификацию алгоритмов решения задач и наборов участвующих в них переменных, конфигурирование схем регулирования и управления. АСУ ТП должна иметь 10% резерв по информационным и управляющим каналам.

АСУ ТП должна быть ориентирована на работу в жёстком реальном времени, т. е. быть предсказуемой и обеспечивать выполнение всех функций точно в срок.

В системе должны иметься аппаратные и аппаратно — программные средства диагностики сетей, станций, функциональных блоков и модулей.

Система должна иметь возможность оперативного конфигурирования прикладного программного обеспечения на отдельной инженерной станции без нарушения работоспособности системы.

Функционирование системы должно быть рассчитано на круглосуточный режим работы, с остановкой на профилактику не чаще чем 1 раз в год в период капитального ремонта.

Технические средства ПАЗ должны быть резервированы. При выходе из строя какого — либо из блоков, система ПАЗ должна автоматически переходить на резервный блок с выдачей соответствующего сообщения.

Должна быть предусмотрена возможность замены неисправных модулей в оперативном режиме работы системы ПАЗ. Так же система должна иметь автономные средства отображения, регистрации информации и архивизации, т. е. должна быть полностью автономной.

3.2 Техническое обеспечение Обоснование выбора технических средств автоматизации.

Для достижения поставленной цели проектирования, реализации функций контроля, регулирования и управления, а так же связи микропроцессорной системы с информационными и регулирующими точками, необходимо заменить полевой КИП существующей системы автоматизации, а так же отсечную блокировочную арматуру на всём объекте для повышения надёжности системы ПАЗ.

При выборе преобразователей и измерительных средств, в первую очередь необходимо принять во внимание такие факторы, как выходной сигнал, пожароопасность и взрывоопасность. Измерительные преобразователи должны быть выбраны, исходя из пределов измерения регулируемой величины объекта.

Предполагается использовать интеллектуальные датчики фирмы «Yokogawa», т.к. интеллектуальные датчики позволяют производить настройку диапазона измерений, калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Для измерения давления предлагается использовать интеллектуальный датчик избыточного давления Yokogawa EJX430A, имеющий следующие характеристики:

— Выходной сигнал: 4−20 мА;

— Диапазон окружающих температур: от -40 до 85? С;

— Погрешность: ± 0,1%;

— Верхний предел измерений: 200 кПа;

— Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ 14 254;

— Напряжение питания: 9−32В;

— Вид взрывозащиты: «искробезопасная электрическая цепь» с уровнем взрывозащиты — «взрывобезопасный» ЕExdIICT6, «искробезопасный» ЕExiaIICT6;

Для измерения перепада давления предлагается использовать интеллектуальный датчик дифференциального давления Yokogawa EJX110A, имеющий следующие характеристики:

— Выходной сигнал: 4−20 мА по HART протоколу;

— Диапазон окружающих температур: от -40 до 85? С;

— Погрешность: ± 0,2%;

— Верхний предел измерений: 100 кПа;

— Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ 14 254;

— Напряжение питания: 9−32В;

— Вид взрывозащиты: «искробезопасная электрическая цепь» с уровнем взрывозащиты — «взрывобезопасный» ЕExdIICT6, «искробезопасный» ЕExiaIICT6.

Для измерения температуры выбираем термопреобразователи сопротивления Yokogawa RM в комплекте с преобразователями измерительными Yokogawa YTA70 выходным сигналом 4−20 мА по HART протоколу, имеющий следующие характеристики:

— Вид взрывозащиты: Комбинация сертификаций ATEX искробезопасности, взрывозащиты и тип n (включая стандарт I. S и FISCO для блоков fieldbus);

— Предел приведенной погрешности: ±0,12%;

— Материал термосопротивления: платина;

— Номинальная статическая характеристика: Сертификат, калибровка ПП для диапазона от 0 до 300 °C с константами А, В и С Callender_van_Dusen;

— Материал защитной арматуры: 12Х18Н10Т;

— Диапазон преобразуемых температур: от 0 до 300? С;

— Выходной сигнал: 4−20 мА по HART протоколу;

— Тип монтажного комплекта: Универсальный «L» -образный монтажный кронштейн для 2-х дюймовой трубы кронштейн и болты из нерж. стали;

— Диапазон окружающих температур: от -40 до 85? С;

— Напряжение питания: 9−32 В.

Для измерения уровня в емкостях предлагается использовать датчик гидростатического давления Yokogawa EJX110A, имеющий следующие характеристики:

— Погрешность (от диапазона): ± 0,2%;

— Диапазон рабочего давления: -100 до 100 кПа;

— Диапазон измерений (уровень, мм): по заказу;

— Выходной сигнал: 4−20 мА по HART протоколу;

— Напряжение питания: от 9 до 32В;

— Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ 14 254.

Для измерения уровня в колоннах выбираем датчик гидростатического давления (уровня) Yokogawa EJX110A, имеющий следующие характеристики:

— Материал: Разделительная мембрана из сплава Hastelloy С276/фланец датчика из нержавеющей стали 316;

— Выходной сигнал: 4−20 мА по HART протоколу;

— Диапазон окружающих температур: от -40 до +85?С;

— Предел допускаемой основной погрешности: 0,2%;

— Верхний предел измерений: -100 до 100 кПа;

— Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ 14 254;

— Напряжение питания: 9−32В;

— Вид взрывозащиты: Сертификация взрывобезопасности ЕExdIICT6

Сертификация искробезопасности ЕExiaIICT6.

Для измерения расхода предлагается использовать интеллектуальный датчик дифференциального давления Yokogawa EJX110A, имеющий следующие характеристики:

— Погрешность (от расхода): ± 0,2%;

— Избыточное давление: до 10 МПа;

— Диапазон измерений (расход, т/ч): от 0,4 до 5,4 т/ч (Dy=25); от 0,67 до 15, 3 т/ч (Dy=40); от 1,81 до 59,4 т/ч (Dy=80);

— Выходной сигнал: 4−20 мА по HART протоколу;

— Напряжение питания: от 9 до 32 В.

Для преобразования выходного электрического сигнала от системы управления к клапану в пневматический сигнал предлагается использовать цифровые контроллеры FIELDVUE® для коммуникационных протоколов HART или полевой шины Foundation®. Модель DVC5010f, имеет следующие характеристики:

— Задающая величина: 4−20 мА по HART протоколу;

— Воздух питания: от 0,4 до 6,2 атм;

— Характеристика: линейная;

— Перемещение штока клапана — до 102 мм;

— Температура окружающей среды: от -40 до 80 ⁰С;

— Вид защиты: IP 65.

Для обеспечения безопасности цепей, датчики подключаются к модулям ввода/вывода системы управления с помощью барьеров искробезопасности. Предлагается использовать барьеры искробезопасности серии HiD 2000.

В качестве барьеров искробезопасности используем барьеры фирмы «Elcon» :

— HiD 2026 — аналоговый вход (2 канала);

— HiD 2038 — аналоговый выход (2 канала);

Серия Elcon HiD 2000 разработана для использования совместно с системами управления технологическими процессами и состоит из набора компактных модулей барьеров искробезопасности с гальванической развязкой, предназначенных для обработки и согласования входных и выходных сигналов на технологической установке. Все барьеры оснащены детекторами обрыва (в случае обрыва одной из линий загорается индикатор fault). Основные преимущества барьеров HiD: высокая плотность компоновки; высокая точность передачи и воспроизведения сигналов; низкая потребляемая и рассеиваемая мощность; большой выбор цифровых и аналоговых входов-выходов, включая 4−20 мА.

HiD 2026.

Обеспечивает полностью независимый (изолированный от земли и других цепей) источник питания для 2-х проводных датчиков в опасной зоне, повторяет токовый сигнал от датчика на нагрузке в безопасной зоне. Обеспечивает двухстороннюю связь для интеллектуальных датчиков, которые используют модуляцию тока для передачи данных и модуляцию напряжения для приема данных. Выходы изолированы от входов и соединены с общим (минусовым) проводом источника питания.

Источник питания постоянного тока.

Потребляемый ток: 50 мА при 24 В и вых. сигнале 20 мА (на канал).

Рассеиваемая мощность: 0.8 Вт при 24 В (на канал).

Сигнал опасной зоны (вход).

Диапазон входного сигнала: 4−20 мА (перегрузка ограничена 26 мА).

Напряжение, подаваемое на датчик и линию:

15.5 В мин. при токе 20 мА.

Сигнал безопасной зоны (выход).

Выбирается пользователем: 4−20 мА или 1−5 В.

(на внутреннем шунте 250 Ом).

Уровень переменной составляющей:

10 мВ эфф. на нагрузке 250 Ом, необходимой для передачи данных.

Нагрузка: 0 — 650 Ом.

Влияние нагрузки:?0.1% от полной шкалы при изменении нагрузки от 0 до 650 Ом.

Частотная характеристика коммуникационного канала:

(от датчика к выходу и от выхода к датчику) 0.5 кГц — 40 кГц в пределах 3 дБ (-6 дБ на 100 кГц).

Пригоден для использования с интеллектуальными датчиками, использующими HART или подобный протокол (Fisher-Rosemount, SMAR, ABB, Fuji, Foxboro, Bailey BN, Yokogawa, Moore Products, Moore Industries).

Время отклика: 40 мсек, при скачке уровня сигнала с 10% до 90%.

Характеристики при номинальных условиях.

Точность калибровки:<�± 0.1% от полной шкалы (токовый выход).

Нелинейность:<�± 0.1% от полной шкалы.

Температурный дрейф:<�± 0.01% / ^oС.

Выбирается переключателями:

Выход 4−20 мА или 1−5 В (внутренний шунт 250 Ом, 0.1%).

Заводская установка: 4−20 мА.

Светодиодные индикаторы:

Power ON — Питание включено (зеленый)

HiD 2038.

Повторяет входной сигнал 4−20 мА от управляющей системы на управление ЭПП, электроприводами клапанов и дисплеями, находящимися в опасной зоне. Предназначен для использования с интеллектуальными ЭПП и позиционерами клапанов. Каждый изолированный канал имеет низкое входное сопротивление и позволяет свободно включать во входной контур различные устройства благодаря высокой степени подавления влияния каналов друг на друга через источник питания.

Отдельный выход аварийной сигнализации выдает сигнал при обрыве или коротком замыкании цепи опасной зоны. Разомкнутая цепь представляет собой высокое сопротивление на входе управляющего устройства, это используется в качестве признака аварии.

Источник питания постоянного тока.

Потребляемый ток: 40 мА при 24 В и выходном сигнале 20 мА (на канал). Рассеиваемая мощность: 0.85 Вт при 24 В (на канал).

Сигнал опасной зоны (выход).

Выход: 4−20 мА на нагрузке от 0 до 750 Ом макс.

Влияние нагрузки:? 0.1% от полной шкалы при изменении нагрузки от 0 до 750 Ом. Переменная составляющая выходного сигнала: 15 мВ эфф.

Время отклика:

50 мсек при скачке уровня сигнала от 10% до 90%.

Сигнал безопасной зоны (вход).

Входной ток: 4−20 мА (защита от неправильного подключения полярности). Падение напряжения на входе < 4 В при исправном полевом контуре. Входной ток < 1.2 м, А при обрыве полевого контура.

Частотная характеристика коммуникационного канала:

(от выхода к входу и от входа к выходу) 0.5 кГц — 40 кГц в пределах 3 дБ (-6 дБ на 100 кГц).

Пригодны для использования с интеллектуальными ЭПП, использующими HART протокол.

Характеристики при номинальных условиях.

Точность калибровки: <�± 0.1% от полной шкалы.

Нелинейность: <�± 0.1% от полной шкалы.

Температурный дрейф: <�± 0.01% / оС.

Обнаружение короткого замыкания линии: при сопротивлении < 70 Ом.

Обнаружение обрыва линии: при сопротивлении > 100 кОм.

Выбирается переключателями: нет Светодиодные индикаторы: Power ON — Питание включено (зеленый).

Fault — Авария (красный).

Аварийный выход: Транзистор с открытым коллектором (общий для обоих каналов).

Сигнал с барьера искробезопасности поступает на регулирующий орган. Регулирующий орган состоит из:

· электропневматического позиционера;

· пневматического привода;

· пневматического регулирующего клапана.

Также сигнал с барьера искробезопасности поступает на отсечной клапан, в состав которого входят:

· клапан действия «открыт-закрыт» ;

· пневматический сервопривод;

· магнитный клапан;

· датчик сигнала предельных величин.

Выбираем приборы компании «Samson» .

Электропневматический позиционер тип 3767

Позиционер простого или двойного действия для пневматических исполнительных блоков, задающей величиной которых является пневматический стандартный сигнал в диапазоне от 0,2 до 1 бар или от 3 до 15 пси (тип 3766) или электрический стандартный сигнал от 4(0) до 20 мА или от 1 до 5 мА (тип 3767) Номинальный ход от 7,5 до 120 мм или угол поворота до 90°.

Позиционер 3767 имеет следующие особенности:

· компактное исполнение, требующее минимального технического обслуживания;

· любое монтажное положение;

· устойчивость к воздействию вибрации;

· изменение направления действия;

· регулируемая подача воздуха;

· минимальное потребление вспомогательной энергии.

Принцип работы: поступающий с регулирующего устройства командный сигнал преобразовывается электропневматическим позиционером в пропорциональный пневматический сигнал. В качестве рабочего органа в позиционере используется сопло-заслонка, работающие по принципу компенсаций.

Технические характеристики:

· входной сигнал: 4−20 мА;

· температура окружающей среды: от -20 до +80⁰С;

· имеется взрывозащита: взрывозащита ЕЕх ia IIC.

Пневматический привод тип 3277

Привод простого действия для исполнительных органов, таких как регулирующие клапаны и регулирующие заслонки.

Эффективная поверхность мембран от 120 до 700 см². Номинальный ход от 7,5 до 30 мм.

Пневматические сервоприводы тип 3277 являются мембранными приводами с тарельчатой мембраной и встроенными эксцентрическими пружинами. Нижний мембранный диск жестко соединен с рамой, которая служит для размещения пневматического или электро-пневматического позиционера. Такое непосредственное присоединение дает следующие преимущества:

— Механически жесткое и точное присоединение, исключающее разрегулирование при транспортировке. — Передача хода, защищенная от соприкасания и внешних влияний, в соответствии с требованиями UVV (VBG 5).

— Простое пневматическое соединение между приводом и позиционером.

Другие преимущества этих пневматических сервоприводов:

Небольшая конструктивная высота, высокое быстродействие, различные диапазоны давления управляющего импульса.

Реверсирование направления действия и изменение диапазона давления исполнительного импульса возможны без специального инструмента. У сервопривода типа 3277−5, поступающее от позиционера давления управляющего импульса Pst подводится независимо от направления действия привода и позиционера и без трубной обвязки, по выбору, в верхнюю или нижнюю мембранную камеру за счет соответствующего изменения положения отражательной пластины

Давление управляющего импульса Pst создает на мембране (2) усилие, которое уравновешивается пружинами (4). Количество и предварительное напряжение пружин определяют диапазон давления управляющего импульса с учетом номинального хода. Ход Н пропорционален давлению управляющего импульса Pst.

У сервопривода типа 3277 давление управляющего импульса Pst подводится через внутренний канал в нижнюю камеру мембраны. Благодаря этому, для наиболее широко применяющегося положения безопасности шток привода усилием пружин выдвигается / FA («клапан закрывается») трубная обвязка не требуется.

Сервопривод тип 3277−5 сконструирован так, что давление управляющего импульса Pst может подводиться, по выбору, в нижнюю или верхнюю мембранные камеры через внутренние каналы. В обоих случаях камера неизбежно оказывается связанной с внутренней полостью корпуса. За счет этого исключается проникновение воздуха снаружи и обеспечивается защита позиционера от возможной коррозии.

Направление подвода воздуха определяется положением отражательной пластины.

Регулирующий клапан тип 251−1

Для автоматического управления жидкими и газообразными потоками используем регулирующий клапан тип 251−1. Клапан имеет широкую область применения в технологических и промышленных установках.

Проходной клапан тип 251−1 оснащается пневматическим исполнительным приводом тип 3277, электропневматическим позиционером тип 3767.

Технические характеристики:

· условный диаметр Ду 15…200 мм,

· условное давление Ру 16…400 МПа,

· температура среды от -250 до 550⁰С.

Корпус клапана может быть изготовлен из серого чугуна, чугуна с шаровидным графитом, стального литья, коррозионностойкого и холодостойкого литья, конус клапана металло-шлифованный.

В зависимости от расположения возвратных пружин исполнительного привода регулирующий клапан может иметь два положения безопасности, в которые он будет устанавливаться при снижении или пропадании управляющего сигнала. «Шток привода пружинами выдвигается» — при отсутствии управляющего сигнала клапан закрыт. «Шток привода пружинами втягивается» — при отсутствии управляющего сигнала клапан открыт.