Автоматизация узла получения оксиэтилированных алкилфенолов

В химической промышленности — комплексной механизации и автоматизации уделяется большое внимание, это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а так же чувствительностью их к нарушению режима.

С увеличением нагрузок аппаратов, мощностей машин, сложности и масштабов производства. С повышением давлений, температур и скоростей химических реакций, ручной труд даже на механизированном производстве подчас просто не мыслим. В таких условиях рабочий часто не в состоянии своевременно воздействовать на процесс, в случае его отклонения от нормы.

Ограниченные возможности человеческого организма является препятствием для дальнейшей интенсификации производства.

Наступает новый этап машинного производства автоматизации, когда человек освобождается от непосредственного участия в производстве.

Под автоматизацией понимают применение методов и средств автоматизации для управления производственными процессами. Понятие управления производственными процессами, подразумевает целенаправленные воздействия на этот процесс, который обеспечивает оптимальный или заданный режим его работы. Процесс управления складывается из многих элементарных операций, которые по их назначению можно объединить в три группы:

Получение и обработка информации о фактическом состоянии управляемого технологического процесса.

Анализ полученной информации и принятие необходимого решения о воздействии на процесс.

Осуществление принятого решения, то есть воздействие на технологический процесс изменением материальных или энергетических потоков.

Развитие химической технологии потребовало гораздо более совершенных систем управления, чем локальные системы автоматизации, они получили название автоматизированные системы управления технологическими процессами — АСУТП. Создание АСУТП, стало, возможно, благодаря внедрению мощных УВМ, что позволило использовать их для управления технологическими процессами в реальном масштабе времени.

АСУТП отличаются от локальных систем автоматизации более совершенной организации потоков информации. Практически полной автоматизацией процессов получения, обработки и представления информации. Возможностью активного диалога оперативного персонала с УВМ в процессе управления, для выработки наиболее эффективных решений. Более высокой степенью автоматизации функции управления, включая пуск и остановку производства.

Глобальная цель управления ТОУ с помощью АСУТП состоит в поддержании экстремального значения критерия управления при выполнении всех условий определяющих множества допустимых значений управляющих воздействий. Прямое решение такой задачи оптимального управления возможно лишь для относительно простых ТОУ. В большинстве же случаев приходится производить декомпозицию глобальной цели управления на ряд частных случаев. Для достижения каждой из них требуется решения более простой задачи управления, меньшей размерности.

По мере осуществления механизации производства сокращается тяжёлый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда и т. д.

В механизированном технологическом процессе человек продолжает принимать непосредственное участие, но его физическая работа сводится лишь к нажатию кнопок, поворота рычагов и т. п. Здесь на человека возложены функции управления машинами. Автоматизация приводит к улучшению основных показателей: эффективности производства, увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции.

1. Характеристика объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

1.1.1 Описание процесса оксиэтилирования алкилфенолов

Реакция оксиэтилирования алкилфенолов проводится в реакторах периодического действия поз. SA-201А, В.

Реакторный блок состоит из трех параллельных реакционных узлов, которые работают со сдвигом по времени, то есть в первом реакторе идет загрузка сырья, во втором — реакция, в третьем — выгрузка готового продукта. Таким образом обеспечивается более равномерный выход продукта.

Каждый реакторный узел состоит из трех цилиндрических горизонтальных аппаратов поз. SA-201А, В, расположенных на двух уровнях.

Нижний аппарат поз. SA-201А служит для приема сырья и сбора продуктов реакции, а верхние аппараты поз. SA-201 В служат для проведения реакции оксиэтилирования в паровой фазе.

Как нижний, так и верхние аппараты реактора снабжены обогревающими «рубашками». При необходимости обогрев производится паром 1,6 МПа реакторов поз. SA-201 В, С 0,2 МПа реакторов поз. SA-201А для поддержания температуры продукта 120^оС. Cброс конденсата низкого давления производится в емкость поз. SR-705, среднего давленияв емкость поз. SR-704.

Реакционные верхние аппараты поз. SA-201 В, С оснащены распылительными соплами для ввода реагирующей массы и окиси этилена.

Внутри нижнего аппарата поз. SA-201А также предусмотрены распылительные сопла для подачи циркулирующей массы.

Реакция оксиэтилирования алкилфенолов — периодическая операция, состоящая из нескольких стадий:

1 Загрузка катализированых алкилфенолов.

2 Начало реакции.

3 Реакция оксиэтилирования.

4 Выдержка и выгрузка готового продукта.

5 Опорожнение реактора.

Каждая стадия включает в себя ряд последовательных мероприятий и, в зависимости от марки получаемых неонолов, время проведения реакции может варьироваться.

Процесс оксиэтилирования алкилфенолов протекает следующим образом.

Перед приемом катализированных алкилфенолов в реактор поз. SA-201А необходимо проверить содержание кислорода в реакционной системе, для чего через клапан поз. 9−3 подать азот в реакторы поз. SA-201А, В, С и создать избыточное давление 0,010,03 МПа. Анализатором поз. 8−5 определяется содержание кислорода, которое должно быть не более 0,015% масс.

При удовлетворительном анализе на содержание кислорода в реакторе поз. SA-201А, В, катализированные алкилфенолы после теплообменника поз. Е-107А, В с температурой 130 140^оС загружаются в реактор поз. SA201А.

Уставка на вихревом расходомере поз. 1−1 выбирается в зависимости от марки получаемых оксиэтилированных алкилфенолов. По окончанию отсчета заданного значения загруженных катализированных алкилфенолов в реактор поз. SA-201А, автоматически закрывается клапан поз. 1−3, установленный на входе в реактор.

От насоса поз. РС-701А, через клапан поз. 6−12 конденсатом водяного пара заполняются испаритель поз. Е-201 и сепаратор поз. SV-204.

Регулирование уровня в сепараторе переводится на автоматический режим от регулятора поз. 6−10.

Циркулирующие алкилфенолы подогреваются за счет подачи пара 1,6 МПа в наружные змеевики реакторов поз. SA-201 В, С до температуры 150^оС, после чего начинается подача окиси этилена на оксиэтилирование. Расчетное количество окиси этилена выбирается в зависимости от марки получаемых оксиэтилированных алкилфенолов и устанавливается на суммирующем расходомере поз. 8−1. С постепенным увеличением подачи окиси этилена в реакторы поз. SA-201 В, С обороты турбонасоса поз. РС-201А, В также увеличиваются с 2400 обмин.

Начало реакции характеризуется подъемом давления и температуры в реакторе. Процесс оксиэтилирования протекает с выделением тепла, которое отводится в испарителе поз. Е-201 за счет вскипания конденсата водяного пара. Система охлаждения действует по принципу естественной циркуляции, парожидкостная смесь сепарируется в сепараторе поз. SV-204, пар поступает в коллектор водяного пара с давлением 0,2 МПа, а конденсат возвращается в испаритель. Подпитка системы конденсатом производится из емкости поз. SR-701 насосом поз. РС-701А, В.

Температура реакционной смеси на выходе из испарителя поз. Е-201 выдерживается регулятором поз. 3−1, регулирующий клапан которого поз. 3−4 установлен на выходе вторичного пара из сепаратора поз. SV-204.

Реакция оксиэтилирования алкилфенолов проводится при температуре 160 190^оС и давлении 0,40,7 МПа.

Регулирование реакции оксиэтилирования и контроль за параметрами протекания процесса осуществляется сложной системой регулирования, контроля и блокировок.

При выходе параметров температуры, давления, уровня за регламентные значения при проведении реакции оксиэтилирования происходит закрытие клапана поз. 6−5, установленного на линии приема окиси этилена в реакторы поз. SA-201 В, С. По окончании отсчета заданного значения окиси этилена, загружаемого в реакторы поз. SA-201 В, С автоматически закрывается клапан поз. 8−8, установленный на входе в реакторы. Уровень в реакторе контролируется уровнемером поз. LR-8−6, установленном на реакторе поз. SA-201А.

Давление в системе по мере протекания реакции изменяется и проходит через 5 стадий:

1 — создание давления в реакторе азотом и загрузка сырья.

2 — повышение давления на стадии инициирования реакции.

3 — подъем давления до заданного значения проведения реакции.

4 — падение давления в период выдержки после окончания реакции.

5 — падение давления при выгрузке продукта турбонасосом.

Датчик регулятора давления поз. 8−2 установлен на газовом трубопроводе реактора поз. SA-201А, В, С. На приборе устанавливается значение общей уставки на стадии инициирования и протекания реакции.

Изменение же давления по всем стадиям выдерживается по программе, в зависимости от времени операции.

При протекании 2-ой и 3-ей стадии реакции регулятор давления непрерывно определяет разность между уставкой давления и значением давления в измеряемый момент. Через систему дешифраторов передается сигнал на клапан поз. 8−8, установленный на трубопроводе подачи окиси этилена в реакторы поз. SA-201 В, С.

Датчик регулятора температуры поз. 6−2 установлен на трубопроводе выхода реакционной смеси из реактора поз. SA-201А к турбонасосу поз. РС-201А, В.

При протекании реакции температура, так же как и давление, изменяется по стадиям:

1 — температура загрузки сырья.

2 — температура инициирования реакции.

3 — температура протекания реакции.

На 2-ой и 3-ей стадиях проведения реакции регулятор температуры непрерывно определяет разность между значением уставки температуры и значением температуры в данный момент. Через систему дешифраторов оказывается регулирующее воздействие на клапан окиси этилена поз. 6−5.

В случае увеличения температуры или давления выше установленных происходит снижение расхода окиси этилена и таким образом выдерживаются заданные режимные значения температуры и давления в реакционном узле.

По окончании приема окиси этилена в реакторы поз. SA-201 В, С циркуляция реакционной массы через испаритель поз. Е-201 продолжается для достижения максимального поглощения окиси этилена, имеющейся в объеме реакторов. Процесс выдержки характеризуется падением давления и его стабилизацией на уровне 0,10,25 МПа, а также снижением температуры на выходе из реактора поз. SA-201А до 160 165^оС.

Далее производится опорожнение реактора поз. SA-201А от готового продукта, для чего производится переключение клапанов:

— открываются клапаны поз. 17−4, 16−3 на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов в резервуар поз. SR-301;

— открывается клапан поз. 10−5 на линии откачки оксиэтилированных алкилфенолов от турбонасоса поз. РС-201А, В в резервуар поз. SR-301;

— закрывается клапан поз. 10−7 на линии циркуляции от турбонасоса поз. РС-201А, В в испаритель поз. Е-201;

— открывается клапан поз. 10−11 на линии опорожнения испарителя поз. Е-201;

— открывается клапан поз. 10−3 на линии опорожнения реактора поз. SA-201А.

При минимальном уровне в реакторе поз. SA-201А срабатывает блокировка поз. 10−1, что ведет к закрытию клапана на линии подачи пара 0,2 МПа в турбину поз. ТР-201А, В и останову турбонасоса.

При окончательном освобождении реактора поз. SA-201А производится следующее переключение клапанов:

— открывается клапан опорожнения линии нагнетания турбонасоса поз. РС-201А, В-поз. 10−9 в линию всаса насоса поз. РV-201А, В;

— открывается клапан на входе циркулирующей массы в испаритель поз. Е-201, поз. 10−7;

— закрывается клапан на линии откачки готового продукта от турбонасоса поз. РС-201А, В; поз. 10−5 в резервуар поз. SR-301;

— открывается клапан на линии откачки готового продукта от насоса поз. РV-201А, В; поз. 10−13 в резервуар поз. SR-301.

Включается в работу насос поз. РV-201А, В и производится окончательное освобождение реактора поз. SA-201А, В, С от готового продукта в резервуар поз. SR-301, после чего производится обратное переключение всех клапанов в начальное положение.

Реакторный блок готов к проведению следующего цикла реакции. С целью исключения накопления несконденсировавшихся паров окиси этилена существуют схемы освобождения реактора от этих паров вакуум-насосом поз. РAL-201А, В. Выброс газовой фазы производится через сепаратор поз. SV-201 в коллектор ВД-7 и далее в скруббер поз. С-801. Технологическая вода после вакуум-насосов возвращается в емкость поз. SR-501.

Для освобождения реактора в аварийной ситуации или при получении несоответствующей продукции имеется возможность вывода продукта из реактора насосом поз. РС-201А, В в резервуар поз. SR-304, а также приема несоответствующей продукции из резервуара поз. SR-304 в реактор поз. SA-201А на переработку.

1.1.2 Узел деаэрации и нейтрализации оксиэтилированных алкилфенолов

Резервуар поз. SR-301 предназначен для приема и усреднения партий оксиэтилированных алкилфенолов, полученных в реакторах поз. SA-201А, В, С за счет постоянного перемешивания мешалкой поз. АG-301.

Температура в резервуаре поз. SR-301 поддерживается в пределах 100 150^оС регулятором поз. 21−1, клапан которого установлен на линии подачи пара 0,2 МПа в наружный змеевик резервуара со сбросом конденсата в емкость поз. SR-705. Уровень в резервуаре поз. SR-301 контролируется уровнемерами поз. 16−1, клапан которого поз. 16−3 установлен на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов. Из резервуара поз. SR-301 оксиэтилированные алкилфенолы насосом поз. РС-301А, В подаются на деаэрацию для удаления «следов» окиси этилена и азота в деаэратор поз. SA-301. Уровень в деаэраторе поддерживается регулятором поз. 18−1, клапан которого установлен на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов из резервуара поз. SR-301. Температура в деаэраторе выдерживается в пределах 80 135^оС регулятором поз. 22−1, клапан которого установлен на входе термостатированной воды в его наружный змеевик.

Деаэрация обеспечивается за счет распыления оксиэтилированных алкилфенолов на входе в аппарат под вакуумом и постоянного перемешивания продукта мешалкой поз. AG-303.

Поддержанию температуры и уровня в деаэраторе поз. SA-301 также способствует наличие линии циркуляции от насоса поз. РС-301А, В.

Давление в деаэраторе выдерживается в пределах 37 246 650 Па вакуумным насосом поз. PAL-303А, В за счет регулирования подачей охлажденной технологической воды в жидкостное кольцо насоса. Сброс жидкой и газовой фаз от насоса поз. РАL-303А, В осуществляется в сепаратор поз. SV-301.

В сепараторе поз. SV-301 происходит разделение газовой и жидкой фаз, газы сбрасываются в скруббер поз. С-801 на поглощение, жидкая фаза — сливается в емкость поз. SR-501.

Уксусная кислота периодически принимается со склада кислот и щелочей тит. 1221 цеха № 2811 в емкость поз. SR-302.

Уровень в емкости поз. SR-302 выдерживается и контролируется измерителем поз. 13−1, который связан с клапаном поз. 13−3, установленным на линии приема уксусной кислоты. При минимальном уровне в емкости поз. SR-302 клапан поз. 13−3 открывается и производится прием уксусной кислоты, при максимальном — закрывается. Из емкости поз. SR-302 уксусная кислота периодически подается в расходную емкость поз. SR-303.

Уровень в емкости поз. SR-303 выдерживается и контролируется измерителем поз. 12−1, который связан с клапаном поз. 12−3, установленным на линии приема уксусной кислоты. При минимальном уровне в емкости поз. SR-303 клапан поз. 12−3 открывается и производится прием уксусной кислоты, при максимальном — закрывается.

Из деаэратора поз. SA-301 щелочные оксиэтилированные алкилфенолы насосом поз. РС-302А, В подаются на нейтрализацию уксусной кислотой в смеситель поз. МХ-301А через вихревой расходамер поз. 23−1, связанный с регулятором подачи уксусной кислоты и дозировочным насосом поз. РД-305А, В из емкости поз. SR-303.

Подача уксусной кислоты изменяется за счет регулирования производительности насоса поз. РД-305А, В.

Нейтрализированные оксиэтилированные алкилфенолы после смесителя поз. МХ-301А охлаждаются в теплообменнике поз. Е-301А, В до температуры 7585^оС и подаются на товарно-сырьевой склад цеха № 2805 для хранения и отгрузки.

Температура оксиэтилированных алкилфенолов после теплообменника поз. Е-301А, В выдерживается регулятором поз. 24−1, клапан которого установлен на линии подачи термостатированной воды в теплообменник поз. Е-301А, В.

Таблица 1 — Описание сырьевых потоков и вспомогательных потоков

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

В качестве объекта управления принята установка, состоящая из реакторов SА-201А, В, С, испарителя Е-201, сепаратора SV-204, емкостей SR-301, SR-304, деаэратора SA-301, смесителей МХ-301А, В, теплообменника Е-301А, В, емкостей SR-302, SR-303.

Для установки получения оксиэтилированных алкилфенолов в качестве критерия управления ставится следующая задача управления процессом — получение на выходе оксиэтилированных алкилфенолов заданного качества с минимальными энергозатратами: по пару, по оборотной воде при обеспечении безаварийности и пожаровзрывобезопасности производства.

Технологический процесс получения оксиэтилированных алкилфенолов относится к пожарои взрывоопасным производствам. Взрывоопасность производств в наибольшей степени обусловлена физико-химическими свойствами применяемого сырья, конечных и побочных продуктов, полупродуктов. По пожарной опасности наружная установка получения оксиэтилированных алкилфенолов принадлежит к категории «Ан», а помещение операторной к категории «Г». Согласно ПУЭ класс пожароопасной зоны: наружной установки В-1г, операторной П-IIВТ2.

Таблица 2 — Характеристика веществ, применяемых и получаемых на узле получения оксиэтилированных алкилфенолов

Таблица 3 - Категории и группы взрывоопасных смесей, газов и паров

Таблица 4 — Техническая характеристика оборудования

Химические реакторы с позиции задач управления являются сложными объектами с нелинейными статическими характеристиками.

По тепловым характеристикам реактора являются экзотермическими, т. е. в них протекает реакция с выделением тепла. При экзотермической реакции даже небольшое изменение температуры в реакторе может привести к значительным изменениям степени конверсии. Такие изменения могут повлиять также на устойчивость процесса, если выделенное при реакции количество тепла не сможет быть скомпенсировано соответствующим изменением скорости отводимого тепла. Поэтому экзотермические реакторы требуют построения автоматизированной системы регулирования температурного режима, быстродействующей и высокоточной.

Данное производство по характеру сырья и получения продуктов, а также в связи с наличием углеводородов с высокими энергетическими потенциалами, относятся к категории пожарои взрывоопасных производств, что обуславливает необходимость противоаварийной защиты.

Данная установка относится к ТОУ с переодическим характером производства.

Трудность регулирования процесса объясняется частотой и амплитудой возмущений. Реальные объекты управления подвергаются возмущающим воздействиям, которые нарушают нормальный ход процесса в объекте. Различают внешние и внутренние возмущающие воздействия.

Внешние возмущающие воздействия проникают в объекты управления извне: вследствие изменения входных параметров, некоторых выходных, а также параметров окружающей среды.

Внутренние возмущающие воздействия возникают в самом объекте управления, например, при загрязнении и коррозии внутренних поверхностей аппарата.

При управлении процессом особое внимание следует обратить на внешние возмущающие воздействия, так как они поступают в объект чаще, чем внутренние, нередко имеют ступенчатый характер, большую амплитуду изменения и в ряде случаев могут быть устранены до поступления в объект.

В объекте имеют место такие возмущения, как изменение начальных параметров реагентов, а также теплоносителей, изменение свойств теплопередающих поверхностей, осаждение веществ на стенках, изменение свойств катализатора и т. д. Кроме того, на технологический режим реакторов, устанавливаемых на открытых площадках, влияют колебания температуры атмосферного воздуха.

Поэтому для решения задачи управления принимаем СУ на основе микропроцессорной технике.

Поскольку затраты являются одной из самых существенных составляющих в себестоимости продукции, задача автоматизации установки часто ставится как задача оптимального управления, которой подчиняются задачи автоматического регулирования отдельных параметров.

Показателем эффективности процесса является концентрация целевого продукта. Целевым продуктом является неонол, а целевое управление — снижение потерь сырья, вспомогательных продуктов.

2. Анализ существующей системы автоматизации технологического процесса

2.1 Анализ организационно-технической структуры

алкилфенол технологический автоматизация оксиэтилирование

В производстве реализована распределенная структура управления процессом, основанная на использовании локальных одноконтурных автоматических системах регулирования. Эти системы выполняют следующие функции:

— сбор и первичная обработка информации от датчиков;

— регистрация и индикация показаний датчиков;

— автоматическое и ручное управление параметрами процесса;

— сигнализация и блокировка вышедших за пределы параметров, регистрация их.

АСУ ТП завода реализует информационные функции:

— опрос групповых преобразователей и первичная переработка информации;

— средние значения в смену, сутки, месяц;

— суммарное значение параметров за смену, сутки, месяц;

— расчеты технико-экономических показателей.

На производстве используются приборы и средства автоматизации фирмы Kent, которые отвечают требованиям современного управления, используют аналоговые и дискретные электрические унифицированные сигналы для передачи информации:

— термометр сопротивления ТСП с градуировкой 50П;

— нормирующий преобразователь TC-Rсм².

Приборы, использующиеся в данной разработке, обладают рядом преимуществ: высокая точность, быстродействие, простата настройки. Но система управления недостаточна гибка, чтобы решать оптимизационные задачи, недостаточно быстра для решения многоконтурных задач.

Приборы контроля и сигнализации вынесены на центральный щит.

В качестве регулирующих устройств используются пневматические клапана фирмы «MASONEILAN s.p.a Italy» серии 10 000 с пневматическими позиционерами серии 7400 и серии 4600 и пневматические клапана CAMFLEX II серии 35 002.

2.2 Анализ существующей системы автоматизации

Существующая система автоматического управления создана по иностранному проекту и не учитывает отечественной организации производства. Она реализована на локальных одноконтурных системах регулирования. Несущий информационный сигнал 4−20 мА постоянного тока, что на время разработки системы являлось большим шагом вперед по сравнению с отечественными системами, использовавшими пневматические сигналы.

АСУТП реализована на отечественных системах, функции АСУТП только информационные.

Приборы используют различную градуировку шкал, и она не всегда даёт достаточную информацию, что затрудняет работу оперативного персонала.

Существующая система блокировок и защит достаточно эффективна, но приводит к немедленному останову и невозможности быстрого пуска.

Используется большое количество ручного дистанционного управления.

Проблемы возникают с устаревшими вторичными приборами КИП:

— низкие метрологические характеристики;

— истекший срок службы;

— механический износ подвижных частей.

Существующая система автоматизации не реализует функции верхних уровней управления, слабо используется многосвязное управление, что приводит к большому участию оперативного персонала, склонному к субъективным ошибкам. Не используются компенсации возмущений на входах и выходах объектов регулирования.

Некоторые параметры контроля и регулирования, выбраны таким образом, что не всегда обеспечивается качественное управление процессом. Это, прежде всего, объясняется недостаточным уровнем технических средств и построением системы управления на базе релейных схем.

Отсутствие приборов качественного анализа, а точнее сказать невозможность их использования, вследствие их износа и невозможностью правильной работы, привело к большому запаздыванию внесения регулирующих воздействий и пересмотру уставок регулирования. Это привело к снижению оперативности в управлении качеством.

Вследствие частых отказов и нестабильной работы оборудования в последнее время часто возникает потеря важных технологических и технико-экономических показателей, снизилась надёжность системы управления, что в конечном итоге может привести к инцидентам и авариям.

2.3 Выводы по необходимости модернизации системы

После анализа существующей системы управления на производстве приходим к следующим результатам:

настоящая система управления не удовлетворяет нормам и требованиям, предъявляемым к современным производствам, управлению и эксплуатации;

в результате физической и моральной изношенности оборудования невозможно дальнейшее наращивание производства, улучшения качества выпускаемой продукции;

в соответствии с возрастающей потребностью предприятия в оперативной информации, появилась необходимость создания информационной сети, связывающей все подразделения ОАО «НКНХ»;

настоящая система управления не способна вести чёткий контроль расхода сырья и материалов, а также экономить энергоресурсы.

Основным направлением модернизации существующей САУ является модернизация схемных методов регулирования, использование приборов электрической системы, имеющих малую погрешность и большое быстродействие, а так же применение АСУТП. Существующая система автоматизации может быть переведена на АСУТП на нижний уровень иерархического управления.

В качестве управляющей системы предлагается интегрированная система управления производством «CENTUM CS 3000» японской фирмы «YOKOGAWA». Все приборы, участвующие в управлении процессом, предлагается выбрать марки этой же фирмы, так как все их показатели соответствуют требованиям, предъявляемым к современному ведению технологическим процессом.

2.4 Постановка задачи дипломного проектирования

Целью модернизации системы управления процессом является повышение технико-экономических показателей работы технологического оборудования за счет усовершенствования системы контроля и управления, направленного на достижение оптимальных режимов работы объекта за счет заданной точности поддержания технологического регламента в любых условиях производства при соблюдении надежной безаварийной работы оборудования и требований взрывои пожаробезопасности.

Целью управления при ведении технологического процесса является высокоэффективная работа технологического объекта управления.

Эффективность работы оценивается значением критерия управления — показателем, характеризующим функционирование технологического объекта управления в целом и принимающим числовые значения в зависимости от возмущающих и управляющих воздействий.

Для установки производства оксиэтилирования алкилфенолов в качестве критерия управления ставится следующая задача управления процессом: получение целевого продукта заданного качества с минимальными энергозатратами при обеспечении безаварийности и пожаровзрывобезопасности производства.

Для реализации данной задачи необходимо:

— проанализировать установки производства;

— разработать и обосновать модернизированную функциональную схему системы управления производством оксиэтилирования алкилфенолов с целью повышения качества регулирования;

— разработать структуру АСУ ТП и её техническое обеспечении современными средствами автоматизации. Обосновать их выбор;

— провести анализ работоспособности проектируемой АСУ ТП.

3. Разработка системы управления технологическим процессом

3.1 Формулировка критерия управления и ограничений Постановка задачи управления процессом

Целью управления при ведении технологического процесса является высокоэффективная работа технологического объекта управления. Эффективность работы оценивается значением критерия управления — показателем, характеризующим функционирование технологического объекта управления в целом и принимающим числовые значения в зависимости от возмущающих и управляющих воздействий.

Спецификой автоматизации массообменных процессов является то, что они очень сложны в управлении и стоимость сырья и конечных продуктов достаточно велика, поэтому система автоматизации должна способствовать упрощению управления производством, повышению пожаровзрывобезопасности, снижению затрат на сырье при более полном его использовании и снижении брака, при условии обеспечения заданного качества продуктов. Тогда возможная словесная постановка задачи при нахождении оптимального режима работы такова — требуется выбрать режим работы реактора таким, чтобы при заданной общей производительности и заданных характеристиках конечных продуктов, затраты на их получение были минимальными. Одной из основных задач производства оксиэтилирования алкилфенолов является получение целевого продукта заданного качества с минимальными энергозатратами при обеспечении безаварийности и пожаровзрывобезопасности производства.

В данном случае, как объект управления, будем рассматривать узел оксиэтилирования алкилфенолов. В реакторе SA-201A, B, C происходит процесс смешения. Показателем эффективности процесса смешения является помутнение компонента в смеси, а цель управления будет получение смеси с определённой степенью помутнения этого компонента. В реактор SA-201A, B, C могут поступать возмущающие воздействия, поэтому следует регулировать непосредственно температуру смеси Q_см, внося регулирующее воздействие изменением расходов окиси этилена, катализированного алкилфенола, греющего пара поступающего в рубашки реакторов SA-201А, B, C. В данном случае будем регулировать концентрацию неонола марки АФ9−9. Значение получаемой марки неонола задается оператором.

На основе этих переменных можно представить структурную схему объекта управления на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема объекта управления Основной выходной координатой — «у» является расход неонола с заданной степенью помутнения.

Основными входными координатами является расход катализированного алкилфенола — х1, расход окиси этилена — х2, расход греющего пара в рубашки реакторов — х3. Кроме того, объект подвержен неконтролируемым возмущениям: изменение температуры и давление окружающей среды — z1, изменение давления в реакторах — z2, изменение давления в коллекторе пара на обогрев аппаратов — z3, старение оборудования — zn и т. д. Критерий управления:

При действии на объект вектора возмущений Z нужно найти вектор управляющих воздействий U^*= минимизирующий значение целевой функции Q:

Q^*=min Q,

при соблюдении ограничений на входные переменные процесса:

R₁?0

…

…

…

R_k ?0.

Таким образом, мы подходим к критерию эффективности управления процессом. Критерием эффективности объекта управления является получение сырья заданной степени помутнения, с минимальными энергозатратами при обеспечении безаварийности и пожаро — взрывобезопасности производства.

Q Q_зад. при min. энергозатрат.

Целевая функция численно выражает нашу заинтересованность в том или ином режиме объекта.

В качестве целевой функции принимаем критерий, имеющий технологическую природу — производительность установки, показатели качества получаемого продукта.

При заданном объеме выпуска конечной продукции критерий примет вид:

Q=> min,

где Ц_i — цена i-го вида материала или энергии;

Gi — количество израсходованного за год i-го вида исходных материалов или энергии;

m — количество затрачиваемых в процессе параметров.

3.2 Выбор и описание структурной схемы системы автоматизации

АСУ ТП должна способствовать выполнению основной задачи управления процессом. Система обеспечивает централизованный контроль работы технологических агрегатов, сигнализацию отклонений параметров от регламентных норм, дистанционное управление исполнительными механизмами, регулирование отдельных технологических параметров, защиту технологического процесса и оборудования при возникновении аварийных ситуаций, формирование и печать протокола нарушений и сообщений, формирование и печать отчётных документов.

Исходя из основной задачи управления технологическим процессом, предлагается использовать трехуровневую распределенную систему управления.

Структурная схема предлагаемой системы разбивается на 3 уровня:

1) уровень датчиков и исполнительных механизмов;

2) уровень контроллеров;

3) уровень ЭВМ.

Уровень датчиков и исполнительных механизмов.

На этом уровне реализуются следующие функции:

1) непрерывное измерение технологических параметров;

2) первичная обработка информации;

3) передач полученной информации о состоянии технологического объекта на следующий уровень в аналоговом виде.

Первичная обработка включает в себя следующие операции:

линеаризация выходных сигналов датчиков с нелинейными или слабо линейными характеристиками и их масштабирование;

фильтрация выходных сигналов датчиков от высокочастотных помех, искажающих полезный сигнал;

проверка исходной информации на достоверность и коррекция результатов измерений;

коррекция показаний датчиков при отклонении условий измерений от расчетных.

На уровне датчиков предлагается использовать интеллектуальные датчики. Тенденция их развития, связанная с расширяющимися возможностями встроенных в них микропроцессоров, заключается в передаче им от контроллеров всё большего числа простейших типовых функций контроля и управления.

Уровень контроллеров.

Это специализированная сеть микропроцессорных контроллеров РСУ и ПАЗ, ориентированная на автоматизированное управление производственными процессами в режиме реального времени и выполняющая следующие функции:

сбор информации с нижнего уровня;

обнаружение отклонений текущих значений параметров за пределы допускаемых значений, сигнализация и регистрация при их наличии;

расчет оптимальных значений технологических параметров;

расчет не измеряемых величин и обобщенных показаний;

реализация сложных законов управления и осуществление оптимального управления процессом по критериям управления;

формирование управляющих воздействий по законам регулирования, с целью стабилизации параметров;

обмен информацией с рабочими станциями промышленного исполнения;

прием управляющих воздействий от рабочих станций и выдача их на исполнительные механизмы;

непрерывный самоконтроль в процессе работы и подробная самодиагностика при обнаружении неисправностей;

11) ведение информационной базы данных.

Уровень ЭВМ.

Рабочие станции промышленного исполнения включают станцию оператора и станцию инженера.

Станция оператора выполняет следующие функции:

— управление в реальном масштабе времени технологическим процессом;

— визуализация состояния технологического оборудования в удобном для восприятия и анализа виде, 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 и.т.д.;

— связь с другими системами автоматизации;

— защита баз данных и программного обеспечения от несанкционированного доступа.

В комплект рабочих станций входят печатающее устройство, сенсорные экраны, соединяющие устройства, источники бесперебойного питания, манипуляторы, звуковые устройства, различные накопители информации.

Связь между уровнем датчиков и уровнем контроллеров АСУ ТП должна осуществляться электрическим способом, с помощью аналоговых и дискретных сигналов.

Связь между уровнем контроллеров и уровнем рабочих станций промышленного исполнения 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.

Уровень рабочих станций промышленного исполнения АСУ ТП должна иметь программные и аппаратные средства для подключения к информационно-управляющей системе завода, организованной на базе протокола Ethernet.

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

Система должна иметь возможность оперативного конфигурирования прикладного программного обеспечения на отдельной инженерной станции без нарушения работоспособности системы, кроме того, система должна быть резервируема и полностью автономна.

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, то есть должна быть автономной.

3.3 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации технологического объекта управления

Процесс получения оксиэтилированных алкилфенолов включает в себя следующие технологические объекты управления: реакторный блок SА-201А, В, С, испаритель Е-201, сепаратор SV-204, емкости SR-301, SR-304, деаэратор SA-301, смесители МХ-301А, В, теплообменники Е-301А, В, емкости SR-302, SR-303.

Функциональная схема автоматизации разрабатывается на основе действующих инструкций и технологического регламента, заказной спецификации на приборы и средства автоматизации, контроллера и сигналов ввода / вывода, соблюдая нормы и требования, предъявляемых к проектированию функциональных схем.

В качестве параметров контроля выбираем те, которые необходимы при пуске, останове и эксплуатации установки, которые дают наиболее полное представление о процессе, при минимальном их количестве. Параметры регулирования выбираются из тех параметров, которые активно влияют на показатели эффективности и на критерий управления процессом.

Таблица 5 — Показатели технологического режима, сигнализации и блокировок

Повышение качества переходных процессов и повышение качества регулирования возможно за счет усложнения структурных схем регулирования.

Выбор и построение системы ПАЗ осуществляется на основе требований Госгортехнадзора ПБ 09−170−97 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»:

1. Надёжность и время срабатывания систем ПАЗ определяется разработчиком с учётом требований технологической части проекта. При этом учитывается категория взрывоопасности технологических блоков, входящих в объект, и время развития возможной аварии. Время срабатывания систем защиты должно быть таким, чтобы исключить опасное развитие процесса. В системах ПАЗ запрещается применение многоточечных приборов контроля параметров, определяющих взрывоопасность производства.

2. Выбор систем ПАЗ технологических объектов и её элементов осуществляется исходя из условий обеспечения её работы при выполнении требований при эксплуатации, обслуживанию, и ремонту в течение всего межремонтного пробега защищаемого объекта. Нарушение работы системы управления не должно влиять на работу системы ПАЗ.

3. Системы ПАЗ и управления технологическими процессами должны исключать их срабатывание от случайных и кратковременных сигналов нарушения нормального хода технологического процесса, в том числе и в случае переключений на резервный или аварийный источник питания.

4. Надёжность системы ПАЗ обеспечивается аппаратурным резервированием различных типов, временной и функциональной избыточностью и наличием систем диагностики и самодиагностики. Достаточность резервирования и его тип обосновывается разработчиком проекта.

5. Надежность контроля параметров, определяющих взрывоопасность процесса, на объектах с технологическими блоками I и II категорий взрывоопасности обеспечивается дублированием систем контроля параметров, наличием систем самодиагностики с индикацией рабочего состояния, с сопоставлением значений технологически связанных параметров.

Определим степень риска по немецкому стандарту DIN V 19 250 четырьмя факторами, каждый из которых конкретизируется указанным ниже путем.

1. Вероятность аварийного события, связанная с работой средств автоматизации: W1 — крайне низкая вероятность, W2 — низкая вероятность, W3 — относительно высокая вероятность.

2. Продолжительность нахождения людей в опасной зоне: A1 — редкое нахождение, A2 — частое или постоянное нахождение.

3. Возможный травматизм от аварии: S1 — незначительные травмы, S2 — серьезные травмы нескольких человек, смерть одного человека, S3 — смерть нескольких человек, S4 — катастрофа с большим числом жертв.

4. Предотвращение аварии: G1 — возможно при определенных обстоятельствах, G2 — невозможно.

Узел получения и первичного фракционирования по степени риска относится к 7 классу.

На основании данного класса внедряем систему ПАЗ CENTUM CS 3000, которая имеет следующую кодировку архитектуры системы защиты: 2оо4D.

Система ПАЗ CENTUM CS 3000 обеспечивает двойное резервирование платы процессора устройства FCU путем использования системы дублированного сравнения по принципу «пара+резерв». Эта система предлагает решение нескольких проблем, которые не могут быть разрешены в рамках традиционных систем с двойным резервированием:

— устранение ошибок в текущих вычислениях. Если возникает ошибка в текущих вычислениях вследствие электрических помех или в начальной стадии отказа системы, то схема сравнения обнаруживает ошибку путем сравнения результатов вычислений, получаемых от обоих центральных процессоров. Если результаты отличаются, то активная плата процессора и плата процессора, находящегося в резерве, меняются местами.

— безударный переход на резервную плату. Плата постоянно ведет контрольные вычисления синхронно с основной платой процессора. Это обеспечивает плавную передачу данных от основной платы процессора к плате резервного. Это дает возможность пользователю сконцентрироваться на прикладных задачах управления технологическим процессом, не обращая внимания на саму систему.

— высокая надежность. Плата процессора установлена как на левой, так и на правой сторонах. Одна работает в качестве основного процессора, другая — в качестве резервного. Когда плата процессора обнаруживает и исправляет вычислительную ошибку, она передает управление следующим образом:

1) плата процессора имеет 2 центральных процессора, каждый из которых выполняет одинаковые вычисления. Схема сравнения сравнивает результаты вычислений, получаемые от обоих процессоров в течение всего времени вычислений. Если результаты, полученные обоими центральными процессорами, совпадают, управление вычислением считается правильным, и данные посылаются в блок основной памяти или на плату интерфейса шины. Блок основной памяти с кодом обнаружений и исправления ошибок исправляет обнаруженные ошибки инвертирования разрядов для предотвращения серьезных ошибок в запоминающем устройстве.

2) Если результаты вычислений центральных процессоров не совпадут, управление вычислительным процессом считается неправильным и управление передается резервной плате процессора.

3) Благодаря синхронному выполнению одних и тех же вычислительных операций вместе с основной платой процессора, резервный процессор немедленно передает вычисленные данные для управления на шинный интерфейс.

4) Плата процессора, на которой была обнаружена погрешность в вычислениях, производит самодиагностику. Если все нормально, то вычислительная ошибка признается случайной и статус ненормальной работы изменяется на статус резервного режима. Резервный процессор выполняет контрольные вычисления синхронизируя свою работу с управляющим процессором.

3.4 Техническое обеспечение

3.4.1 Обоснование выбора и описание технических средств автоматизации

При выборе производителя технических средств автоматизации необходимо руководствоваться следующими основными принципами, предъявляемые к средствам автоматизации:

— надёжность средств автоматизации;

— простота обслуживания;

— опыт работы на российском рынке фирмы — производителя;

— поддержка различных протоколов передачи данных;

— набор выполняемых функций.

Полевые приборы КИПиА, участвующие в управлении процессом, предлагается выбрать фирмы YOKOGAWA, так как по оценкам независимых специалистов данные датчики являются лучшими в плане их надежности, точности и быстродействия. Это интеллектуальные датчики, имеющие ряд преимуществ: углубленную диагностику непосредственно в датчике, позволяющую быстро определить неисправность; возможность перенастройки шкалы измерения без снятия прибора и без останова технологического процесса непосредственно из рабочей станции; более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости.

Датчики серии EJA используют в качестве чувствительного элемента кремниевый механический резонатор, что дает следующие преимущества:

— цифровой выходной сигнал считывается прямо в сенсоре, то есть выходной сигнал в виде частоты может быть сразу подсчитан процессором и не требует предварительных преобразований его в аналоговый, а затем в