Автоматизация системы управления узла выделения фракции ароматических углеводородов С6-С8

Содержание

1.  Характеристика объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

.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 Анализ существующей системы управления

.3 Выводы по необходимости модернизации системы

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

.1 Выбор и описание структурной схемы системы управления

.2 Техническое обеспечение

.3 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации ТОУ

. Математическое обеспечение

.1 Построение математической модели

.2 Расчет и исследование автоматической системы регулирования

. Описание информационного обеспечения

.1 Перечень входных и выходных сигналов РСУ

.2 Описание информационного обеспечения системы

.3 Описание массивов исторических данных

.4 Состав выходных данных

. Описание стандартного программного обеспечения

.1 Операционная система

.2 Протоколы межуровневого взаимодействия интегрированной системой управления

.3 Структура и функции программного обеспечения

.4 Методы и средства разработки программного обеспечения

. Описание прикладного программного обеспечения

.1 Описание алгоритмов

.2 Интерфейс оператора

Заключение

углеводород бензол программный технологический

. Характеристика объекта автоматизации

.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 17011,4 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 тепло- и 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.

.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.

. Анализ существующей схемы автоматизации технологического процесса

.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 51330.0-99, ГОСТ Р 51330.10-99 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 территориально -распределенных 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 сигнализи- рующие 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 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.

.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.

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

.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:

-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.

-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.

-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.

.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 ºС;

Погрешность: ± 0,1%;

Верхний предел измерений: 200 кПа;

Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ14254;

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 ºС;

Погрешность: ± 0,2%;

Верхний предел измерений: 100 кПа;

Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ14254;

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°С с константами А, В и С Callender_van_Dusen;

Материал защитной арматуры: 12Х18Н10Т;

Диапазон преобразуемых температур: от 0 до 300ºС;

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 85ºС;

Напряжение питания: 9-32В.

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 14254.

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 +85ºС;

Предел допускаемой основной погрешности: 0,2%;

Верхний предел измерений: -100 до 100 кПа;

Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP67 по ГОСТ14254;

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 32В.

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:

.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:

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: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:

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).

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).- 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.

Индуктивный сигнализатор конечных положений тип 4746-2

Сигнализаторы конечных положений выдают сигнал при повышении или занижении предельной установленной величины. Этим сигналом могут управляться как световая и звуковая сигнализация, так и управляющие клапаны или другие переключающие агрегаты. Кроме того, они пригодны для присоединения к центральным управляющим системам или сигнализации. Контакты проходимы и по выбору устанавливаются как замыкающие или размыкающие контакты. При замыкающем контакте управляющий флажок выдвинут, контакт закрыт, при открывающем - флажок утоплен.

Технические характеристики:

·        контактные контура тока в искробезопасном исполнении ЕЕхiaIICT6;

·        бесконтактное считывание предельных величин через флажки и инициаторы (по DIN 19 234).

Пневматический отсечной клапан "открыт-закрыт" тип 3351

Для блокирования используем пневматический отсечной клапан тип 3351, который состоит из клапана действия "открыт - закрыт", пневматического сервопривода тип 3271, В комплект отсечного клапана входит датчик сигнала предельных величин тип 4746-2 и магнитный клапан тип 3701-4.

Технические характеристики:

·        условный диаметр Д_у = 50 мм,

·        условное давление Р_у 10…40 МПа,

·        температура от -10 до 220⁰С.

Корпус клапана может быть изготовлен из серого чугуна, стального литья, коррозионностойкого стального литья. Верхняя часть клапана и кожух мембраны в неразъемном исполнении.

В зависимости от формы седла клапана и компоновки конуса клапан имеет две позиции безопасности, которые срабатывают при сбросе давления на мембрану и при отключении оперативного тока.

Клапан "Пружина закрывает" - при отключении подачи воздуха клапан закрывается. Клапан "Пружина открывает" - при отключении подачи воздуха клапан закрывается. Направление потока через клапан зависит от среды и избранного положения безопасности.

Спецификация на средства автоматизации приводится в Приложении 3.

Обоснование выбора микропроцессорных систем.

При выборе микропроцессорного комплекса необходимо учитывать следующие требования:

−        высокая надежность системы;

−        высокая скорость обработки и передачи информации, необходимая для осуществления своевременного управления;

−        гибкость при разработке системы управления;

−        качественное управление процессом;

−        распределённость;

−        небольшие габариты системы;

−        возможность работы с различными типами датчиков, исполнительных механизмов;

−        удобство монтажа оборудования системы и настройки технических средств;

−        удобный человеко-машинный интерфейс;

−        возможность модернизации системы управления без прекращения работы оборудования;

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

−        соответствие требованиям норм взрывопожарной безопасности;

−        согласованность с другими системами управления.

Кроме того, АСУТП на базе средств вычислительной техники должна соответствовать требованиям Госгортехнадзора ПБ 09-170-97 "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств", техническому заданию и обеспечивать:

−        постоянный контроль за параметрами процесса и управление режимом для поддержания их регламентированных значений;

−        регистрацию срабатываний и контроль за работоспособным состоянием ПАЗ;

−        постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта;

−        постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварий;

−        действия средств управления ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;

−        проведение операций безаварийного пуска/останова и всех необходимых для этого переключений;

Сравнение микропроцессорных комплексов приводится в Приложении 3

Системы управления фирм Yokogawa и Emerson имеют сходные технические характеристики по надежности, потребительским характеристикам, реализуемым функциям соответствуют поставленным задачам управления.

В 1975 году выпущена система CENTUM - первая в мире распределенная система управления производством.. В последнее время в России появляется тенденция внедрения на опасных производствах именно системы Centum (только в Нижнекамске недавно внедрены на производстве Этилена, Полиолефинов и Танеко). Centum CS3000 является собственной разработкой фирмы Yokogawa.

Centum CS3000 позволяют резервировать все компоненты системы - контроллеры, блоки питания, сеть управления, платы ввода-вывода. Резервирование основных компонент обеспечивает более высокую надежность. Некоторые отличия систем не представляются решающими для автоматизации сравнительно несложного объекта средней информационной мощности. В этих условиях решающую роль играют потребительские характеристики.

Система управления Centum CS3000 гарантировано прослужит срок 10 лет, также с точки зрения обслуживающего персонала она предоставляет все заложенные функции более доступно. Среди всех фирм, документация по системе управления Centum CS3000 наиболее полно и хорошо переведена на русский язык.

Распределенная система CENTUM CS3000R3 открывает новую эру в классе распределенных систем управления крупнотоннажными производствами.CS3000R3 продолжает линию распределенных систем управления CENTUM фирмы Yokogawa. Системы управления семейства CENTUM зарекомендовали себя как надежные, отказоустойчивые и удобные в эксплуатации и обслуживании системы.

Основные задачи, решаемые системами управления CENTUM:

§   безопасное ведение технологических процессов,

§   реализация решений задач оптимального управления,

§   обеспечение устойчивости процессов регулирования,

§   управление периодическими процессами,

§   взаимодействие с подсистемами верхнего и нижнего уровня,

§   сбор и накопление данных.

Система Centum CS3000R3 разработана для управления относительно большими производствами. CS3000R3 отличается от других систем управления семейства Centum тем, что она гибко масштабируема и организована по доменному принципу.

Основные достоинства системы:

§   Гибкая система резервирования, позволяющая резервировать:

§   элементы центрального процессора,

§   системные интерфейсы,

§   системные магистрали передачи данных

§   модули ввода/вывода

§   коммуникационные модули

§   модули Foundation Fieldbus.

§   Гибкая конфигурация каждого рабочего места оператора с возможностью независимого накопления исторической информации.

§   Доменный принцип организации позволяет организовать истинно распределенное управление.

§   Высокая плотность модулей ввода/вывода (64-х канальные модули дискретных сигналов)

§   Высокая скорость передачи данных по внутренней шине (шина ESB, скорость 128 Мбит/с)

§   Большой объем оперативной памяти контроллеров (до 32 Мбайт)

§   Возможно применение 2-х экранных консолей как с ЖК-дисплеями, так и с ЭЛТ-дисплеями.

§   Рабочее место оператора комплектуется сенсорной клавиатурой, позволяющей осуществить прямой доступ к любому технологическому окну путем нажатия функциональной клавиши.

Связь с подсистемами верхнего и нижнего уровней:

§   передача информации в общезаводскую сеть с использованием протокола OPC,

§   связь с подсистемами нижнего уровня (ПЛК, SCADA).

§   Функция виртуального тестирования, позволяющая выполнять отладку прикладного программного обеспечения

§   без подключения контроллеров, с подключением контроллеров.

Система ПАЗ ProSafe-RS

. Общие сведения

Настоящие ТУ содержат техническое описание системы ProSafe-RS и ее элементов. ProSafe-RS - измерительная система безопасности, аттестованная сертификационной организацией Technische Ueberwachungs-Verein (TUV) (Германия), и соответствующая требованиям Уровня 3 безопасности и работоспособности (Safety Integrity Level - SIL) по стандарту IEC 61508.

. Аппаратно-программное обеспечение

В состав системы ProSafe-RS входят Контроллер Системы Безопасности (SCS), Инженерная Станция Системы Безопасности (SENG) и шина управления в реальном времени V net, объединяющая системы SCS и SENG.

Контроллер SCS обеспечивает эксплуатационную безопасность, а станция SENG выполняет функции проектирования и текущего обслуживания контроллера SCS. Возможна интеграция системы ProSafe-RS с интегрированной системой управления производством CENTUM CS 3000 R3 (далее называемой "CS 3000").

Для управление контроллером SCS может использоваться Станция Оператора (HIS) системы CS 3000.

. Инженерная Станция Системы Безопасности (SENG)

Для настройки конфигурации системы ProSafe необходима установка пакета программного обеспечения CHS5100 Safety System Generation and Maintenance Package, предназначенного для формирования и обслуживания системы безопасности, на универсальном ПК (IBM PC/AT-совместимом компьютере). В данной конфигурации станция SENG выполняет функции проектирования и технического обслуживания.

Подробное описание функций SENG содержится в техническом описании (GS 32S04C10-01E) пакета программного обеспечения формирования и обслуживания системы безопасности - CHS5100 Safe System Generation and Maintenance Package. Станция SENG функционирует под ОС Microsoft Windows XP Professional.

По поводу вопросов совместимости программного обеспечения SENG и приложений от сторонних производителей и ограничений на их использование при работе в среде Windows обращайтесь в торговые представительства компании.

. Контроллер Системы Безопасности (SCS)

Контроллер SCS выполняет функции обеспечения эксплуатационной безопасности, регистрации последовательности событий (SOER), интеграции с системой CENTUM CS 3000, подключения к шине Modbus, обеспечивающей связь контроллера SCS с другими системами.

Контроллер SCS состоит из Модуля Системы Безопасности (SCU) (узел ЦПУ) и Модулей Узлов Безопасности (узел в/в). Существует два типа узлов ЦПУ: основной модуль системы безопасности и температурно-адаптивный модуль системы безопасности (оснащенный вентилятором).

Для подключения узла ЦПУ к узлу в/в может использоваться шина ESB.

Допускается монтаж модуля в/в как в узле ЦПУ, так и в узле в/в.

. Основной типS-S (модель): Основной модуль системы безопасности (монтируемый в стойке)D-S (модель): Дублированный модуль системы безопасности (монтируемый в стойке)

. Применимые стандарты

Элементы аппаратного обеспечения системы ProSafe-RS соответствуют перечисленным ниже стандартам. Однако различные элементы соответствуют различным стандартам, поэтому для получения информации о соответствии стандартам необходимо использовать соответствующую документацию, содержащую техническое описание.

Стандарт PLC61131-2

Стандарт функциональной безопасности61508

Стандарты безопасности

[CSA]C22.2 № 1010.1 (для ТУ, предусматривающих источник питания переменного тока 100-120 В)

[Маркировка CE] Директива для низковольтного оборудования (Low Voltage Directive)61010-1 (ТУ, предусматривающие источник питания 220-240 В переменного тока и 24 В постоянного тока)

Операторский уровень. Аппаратная обеспеченность.

В качестве пульта оператора выбираем ЭВМ, реализованную на процессоре Intel Pentium Core2Duo, 2,26 ГГц.

Конфигурация ЭВМ:

·   процессор Intel Pentium Core2Duo;

·   материнская плата с шиной PCI, со встроенным контроллером последовательного асинхронного порта COM и параллельного порта LPT, с котроллером жестких дисков, контроллером клавиатуры и платой Vnet;

·   ОЗУ 2048 Mb;

·   жесткий диск ёмкостью 250 Гб;

·   видеокарта c видеопамятью 256 Mb;

·   монитор 21 дюйм по диагонали;

·   принтер для печати отчетов;

·   мышь.

Связь с контроллером осуществляется с помощью интерфейса Vnet, данные с которого поступают на процессор Intel Pentium Core2Duo. Процессор в соответствии с программным алгоритмом производит дальнейшую обработку принятых данных, визуализацию процесса, накопление данных на внешнем носителе, вывод отчетов.

Рабочую станцию и контроллер предлагаю оснастить источниками бесперебойного питания Liedert UPStation GXT3000RT, что обеспечивает защиту при посадке напряжения в сети и дает возможность безопасной остановки системы в случае полного отключения питания.

Уровень MES.

MES (Manufacturing Execution System) - это автоматизированная система управления и оптимизации производственной деятельности, которая в режиме реального времени инициирует, отслеживает, оптимизирует, документирует производственные процессы от начала выполнения заказа до выпуска готовой продукции.

Международная ассоциация производителей систем управления производством (MESA) определила одиннадцать типовых обобщенных функций MES систем:

. Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS) - Управление ресурсами производства (технологическим оборудованием, материалами, персоналом, документацией, инструментами, методиками работ);

. Оперативное/Детальное планирование (ODS) - Расчет производственных расписаний, основанный на приоритетах, атрибутах, характеристиках и способах, связанных со спецификой изделий и технологией производства;

. Диспетчеризация производства (DPU) - Управление потоком изготавливаемых деталей по операциям, заказам, партиям, сериям, посредством рабочих нарядов;

. Управление документами (DOC) - Контроль содержания и прохождения документов, сопровождающих изготовление продукции, ведение плановой и отчетной цеховой документации;

. Сбор и хранение данных (DCA) - Взаимодействие информационных подсистем в целях получения, накопления и передачи технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия;

. Управление персоналом (LM) - Обеспечение возможности управления персоналом в ежеминутном режиме;

. Управление качеством продукции (QM) - Анализ данных измерений качества продукции в режиме реального времени на основе информации поступающей с производственного уровня, обеспечение должного контроля качества, выявление критических точек и проблем, требующих особого внимания;

. Управление производственными процессами (PM) - Мониторинг производственных процессов, автоматическая корректировка либо диалоговая поддержка решений оператора;

. Управление техобслуживанием и ремонтом (MM) - Управление техническим обслуживанием, плановым и оперативным ремонтом оборудования и инструментов для обеспечения их эксплуатационной готовности;

. Отслеживание истории продукта (PTG) - Визуализация информации о месте и времени выполнения работ по каждому изделию. Информация может включать отчеты об исполнителях, технологических маршрутах, комплектующих, материалах, партионных и серийных номерах, произведенных переделках, текущих условиях производства и т.п.;

. Анализ производительности (PA) - Предоставление подробных отчетов о реальных результатах производственных операций. Сравнение плановых и фактических показателей.

Сервер собирает и хранит данные производственных процессов с полным разрешением и предоставляет данные реального времени и архивные данные вместе с данными конфигурации, событий, сводок и связанные с ними данные продукции для клиентских приложений на рабочих станциях.

.3 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации ТОУ

Установление параметров контроля, регулирования и управления, пределов их изменений и требуемой точности измерения. Функциональная схема является основным проектным документом, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса, проектируемого объекта и оснащение его приборами и средствами автоматизации. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, органы управления, приборы и средства автоматизации, и другие агрегатные комплексы с указанием связи между приборами и средствами автоматизации. После анализа технологического процесса устанавливаются следующие параметры контроля, регулирования, сигнализации, блокировки.

Таблица 3 - Параметры контроля (индикации)

Таблица 4 - Параметры регулирования

Таблица 5 - Параметры сигнализации

Для качественного регулирования параметров процесса в схеме регулирования используем ПИ- и ПИД-законы регулирования.

Для предупреждения возникновения аварийных ситуаций технологический процесс оснащен системой предупредительной и аварийной сигнализации и системой противоаварийной защиты.

Схема технологической сигнализации должна обеспечивать одновременную подачу светового и звукового сигналов; съем звукового сигнала, нажатием кнопочного выключателя; повторность срабатывания исполнительного устройства звуковой сигнализации (при вторичном отклонении параметра после его отключения нажатием кнопочного выключателя); проверку исполнительных устройств сигнализаторов (световых и звуковых) от одного кнопочного выключателя.

. Математическое обеспечение

.1 Построение математической модели

Возьмем некоторый контур регулирования из рассматриваемой системы, наиболее влияющий на происходящий в системе процесс. Одним из таких контуров является контур регулирования температуры в верху колонны К-336 расходом флегмы на орошение (рис.4.1).

Рис. 4.1 Контур регулирования расхода с коррекцией по температуре

Для построения математической модели необходимо снять кривые разгона по основному и по вспомогательному контуру. Для этого на каждый контур поочередно нужно подать единичное ступенчатое воздействие. Кривые разгона для основного и вспомогательного контура показаны на рис. 4.2 и рис. 4.3:

Рис. 4.2 Кривая разгона основного контура (регулирование температуры)

Рис. 4.3 Кривая разгона вспомогательного контура (регулирование расхода флегмы)

Пусть передаточные характеристики по каналу регулирования и по каналу возмущения таковы:

 (5)

Расчет каскадной АСР предполагает определение настроек основного и вспомогательного регуляторов при заданных динамических характеристиках объекта по основному и вспомогательному каналам. Поскольку настройки основного и вспомогательного регуляторов взамозависимы, расчет их проводят методом итераций. На каждом шаге итерации рассчитывают приведенную одноконтурную АСР, в которой один из регуляторов условно относится к эквивалентному варианту.

Рис. 4.4 Структурные схемы эквивалентной одноконтурной системе регулирования с основным и вспомогательным регулятором

Расчет начинают с основного регулятора. На первом шаге принимают допущение о том, что рабочая частота основного контура намного меньше, чем вспомогательного. Тогда в первом приближении настройка регулятора:

. (6)

На втором шаге рассчитывают настройки вспомогательного регулятора для эквивалентного объекта (рис. 4.4) с передаточной функцией

 (7)

В случае приближенных расчетов ограничиваются первыми двумя шагами. При точных расчетах их продолжают до тех пор, пока настройки, найденные в двух последних итерациях не совпадут с заданной точностью.

.2 Расчет и исследование автоматической системы регулирования

Расчет настроек регулятора методом расширенных характеристик

Расчет настроек П-регулятора.

Найдем расширенные амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики:

 (8)

 (9)

 (10)

 (11)

>> [num,den]=pade(9,2)

>> z=tf([num],[den])

>> w1=tf([0.8],[1,1])

>> w2=tf([1],[5,1])

>> w=w1*w2*z

>> wp=1,1497

>> step(feedback(w*wp,1))

Показатели качества:

) у_ст=1-0.47=0.33

) у_дин=0.779-0.478=0.301

) Тпп=67,1 с

)

)

Рис.4.5 Переходный процесс системы с П-регулятором

Расчет настроек ПИ - регулятора

Построим плоскость с1, с0 и найдем оптимальные настройки ПИ-регулятора.

(12)

.(13)

Рис.4.6 Кривая равной колебательности системы с ПИ-регулятором

>> wpi=tf([0.924,0.139],[1,0])

>> step(feedback(w*wpi,1));

Показатели качества:

) у_ст=1-1=0

) у_дин=1.6-1=0.6

) Т_ПП=111 с

)

)

Рис.4.7 Переходный процесс системы с ПИ-регулятором

Расчет настроек ПИД - регулятора

Для того, чтобы найти с2, мы найдем АЧХ и ФЧХ методом незатухающих колебаний:

;(14)

;(15)

;(16)

(17)

;

=1,7125; ;  =0,152

=6,85; ; =0,173

Рис.4.6 Кривые равной колебательности системы с ПИД-регулятором при различных настройках С₂

Таким образом получаем три набора настроек ПИД-регулятора. Строим переходные процессы.

>>wp1=tf([0.7013,0.967,0.75],[1,0])

>> w1=feedback(w*wp1,1)

>> p2=tf([0.5,0.874,0.551],[1,0])

>> w2=feedback(w*wp2,1)

>> wp3=tf([1,1.115,1.1435],[1,0])

>> w3=feedback(w*wp3,1)

>> step(w1,w2,w3)

Показатели качества:

) у_ст=1-1=0

) у_дин=1.46-1=0.46

) Т_ПП=47,6 с

)

)

Рис.4.7 Переходные процессы системы при различных настройках С₂

Как видно из графиков переходных процессов, оптимальным набором настроек для ПИД - регулятора являются настройки, при с2=3.425.

Рис.4.8 Переходные процессы системы оптимальных настройках С₂

Расчет каскадной системы автоматического регулирования

.(18)

Для расчета одноконтурных АСР используем метод Циглера-Никольса.

Сначала определим приближенные настройки основного ПИ-регулятора регулятора. Находим передаточную функцию эквивалентного объекта:

; (19)

и его частотные характеристики:

;(20)

; (21)

.

Критическую настройку регулятора и критическую частоту находим из системы уравнений:

.

Рабочие настройки ПИ-регулятора принимаем равными:

; = 5,443;  = 0,45*= 0,45*5,443 = 2,449; = 0,08** = 0,08*5,443*0,288 = 0,1254.

Проводим расчет приближенных настроек вспомогательного П-регулятора.

=;

его частотные характеристики:

;

;

.

; = 1,167;  = 0,5*= 0,5*1,167 = 0,5835.

Проводим уточнение настроек регуляторов. Для этого создаем LTI-объект с передаточной функцией

,где W_p1(p) =

>> [num,den]=pade(9,2)

>> e=tf([num],[den])

>> Wob=tf([0.8],[5,6,1])*e

>> [num,den]=pade(1,2)

>> e2=tf([num],[den])

>> Wob1=tf([2.6],[1.5,1])*e2

>> Wekv=(0.5835/(1-Wob1*0.5835))*Wob

Частотные характеристики эквивалентного объекта находим графическим способом. Для этого с помощью команды nyquist строим годограф АФХ и определяем критическую частоту и соответствующее ей значение АЧХ

Рис.4.9 Годограф системы с ПИ-регулятором

Критическая частота соответствует точке пересечения годографа с отрицательной действительной полуосью. После чего уточняем настроечные параметры ПИ-регулятора. Уточненные настройки ПИ-регулятора: = 1,4625;= 0,075. Теперь создаем LTI-объект с передаточной функцией

, где

>> Wpi=tf([2.449,0.1254],[1,0])

>> Wekv1=Wob1-Wob*Wpi

>> nyquist(Wekv1)

Рис.4.10 Годограф системы с П-регулятором

Аналогично получаем уточненные настройки П-регулятора: =0,5944

Строим переходные процессы в одноконтурной АСР:

>> Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])

>> W=Wob*Wpi

>> step(feedback(W,1))

Рис.4.11 Переходный процесс в одноконтурной системе

в каскадной АСР:

>> Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])

>> WW=feedback(0.5944,Wob1)

>> Wkaskad=feedback(Wpi*WW*Wob,1)

>> step(Wkaskad)

Рис.4.11 Переходный процесс в каскадной системе

Рис.4.12 Сравнение переходных процессов в одноконтурной и каскадной системе

Расчет цифровой системы регулирования

Проведем расчет цифровой системы регулирования в несколько этапов.

) Расчет цифрового П-регулятора, адаптированного для аналоговых расчетов

(22)

Расчет значений параметров методом расширенных частотных характеристик также проводится по расширенным амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристикам объекта регулирования, где .

При цифровой реализации П-алгоритма расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ) определяется выражением:

.(23)

После замены , получаем следующую зависимость:

;(24)

;(25)

.(26)

>> [num,den]=pade(1,2)C1=1.101

>> e=tf([num],[den])

>> W1=1-e

>> W2=tf([1.101],[1,0])

>> W3=W1*W2

>> Wcif=W3*Wob

>> Wcifp=feedback(Wcif,1)

>> step(Wcifp)

Рис.4.13 Переходный процесс системы с цифровым П-регулятором, адаптированным для аналоговых расчетов.

) Расчет цифрового ПИ-регулятора, адаптированного для аналоговых расчетов

Рассчитаем цифровой ПИ-регулятор вручную:

Проведем замену  и добавим передаточную функция демодулятора. Поскольку в качестве демодулятора используется фиксирующая цепь нулевого порядка с передаточной функцией:

(28)

то передаточные функции ПИ-регулятора со взаимозависимыми настройками при цифровой реализации алгоритмов определяются по формулам:

 (29)

Расчет значений параметров методом расширенных частотных характеристик также проводится по расширенным амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристикам объекта регулирования. Линия m = const строится в области положительных значений настроек С1 и С0, где

,.

При цифровой реализации ПИ-алгоритма расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ) в соответствии с выражением определяется выражением:

.

После замены , получаем следующую зависимость:

.

После преобразований, аналогичных выполненным для аналогового ПИ-регулятора, получаются формулы для расчета линий m = const в плоскости параметров настройки цифрового регулятора при в заданном интервале квантования сигналов по времени Т:

 (30)

С1=0,693; С0=0,136

>> Ti=C1/C0

>> w11=0.5/Ti+W1

>> w22=tf([C1],[0.5,0])

>> Wcifpi=w11*w22

>> Wcifpiz=feedback(Wcifpi,1)

>> step(Wcifpiz)

Рис.4.14 Переходный процесс системы с цифровым ПИ-регулятором, адаптированным для аналоговых расчетов

) Получение цифрового П-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

>> Wp=tf([1.1497],[1])

>> Wdp=c2d(Wp,0.5,'tustin') time: 0,5

Рис.4.15 Структурная схема одноконтурной системы регулирования

Рис.4.16 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.17 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды

4) Получение цифрового ПИ-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

>> Wpi=tf([0.924,0.139],[1,0])

>> Wdpi=c2d(Wpi,2,'tustin')function: Sampling time: 2

Рис.4.18 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.19 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды

4) Получение цифрового ПИД-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

Wpid=tf([3.425,1.345,0.159],[1,0])=c2d(Wpid,2,'tustin')function: Sampling time: 2

Рис.4.20 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.21 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды

6) Получение цифровой каскадной системы автоматического регулирования с помощью встроенной функции MatLab

Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])=c2d(Wpi,2,'tustin')function: Sampling time: 2

Рис.4.22 Структурная схема каскадной системы регулирования

Рис.4.23 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.24 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды

5. Описание информационного обеспечения

.1 Перечень входных и выходных сигналов РСУ

Перечень входных и выходных сигналов РСУ представлен в приложении №2.

.2 Описание информационного обеспечения системы

Основой информационного обеспечения системы является базы данных (БД). БД состоит из внутримашинной и внемашинной базы данных.

Внемашинная БД содержит информацию, находящуюся вне поля деятельности вычислительных средств, и содержится на переносных носителях информации, а также в виде печатных документов.

Внутримашинная БД содержится в оперативных и постоянных запоминающих устройствах вычислительных комплексов, на дисковых устройствах хранения информации. Внутримашинная БД имеет распределенную по узлам системы организацию и состоит из базы данных реального времени, архивной БД и БД конфигурации.

Система оперирует со следующими основными потоками информации:

·   информация о состоянии объекта управления;

·   команды системы управления, поступающие на ИМ;

·   сигнализация, автоматически выводимая на рабочие станции;

·   информация о состоянии объекта управления;

·   ограничения и задания по ведению технологического процесса, вводимые диспетчерским персоналом системы;

·   информация, формируемая системой в автоматическом режиме в виде отчетных документов;

·   информация, передаваемая между уровнями системы;

·   информация, записываемая в базу данных системы.

Внутримашинная база данных включает в себя:

·   база данных конфигурации СО и СИ;

·   база данных конфигурации контроллеров;

·   архив данных, формируемый системой за текущий месяц;

·   протоколы сообщений о событиях в системе и о действиях оператора, формируемые за текущий месяц.

Внемашинная база данных включает в себя:

альбом форм документов и кадров видеограмм;

перечни входных и выходных сигналов и данных;

распечатки баз данных конфигурации;

дистрибутивные носители с программным обеспечением и базами данных;

распечатки отчетных документов или файлы с отчетными документами на внешних носителях информации;

копии архива данных за текущий год, обновляемые ежемесячно, и копия архивных данных системы за предшествующий год.

.3 Описание массивов исторических данных (архивов)

В системе Centum CS 3000 есть возможность сохранения исторических данных с последующей возможностью их вывода в виде исторических трендов. Архив создается на каждый день в отдельном файле. Имя файла соответствует дате создания в формате мм.дд.гг. расширением *.lgh. Данные в файл записываются каждый час или при выходе значения параметра за мертвую зону. Приблизительный размер архива может составлять 40Мб в день, плюс-минус 5Мб.

Данные хранятся в специальном формате, и чтобы их посмотреть, нужно воспользоваться историческими трендами или специальной программой Hist Data, которая передает архивные данные за определенный период времени в файл с расширением *.csv, который можно просмотреть в Microsoft Excel.

.4 Состав выходных данных (сигнализация и сообщения)

В системе Centum CS 3000 действуют следующие оповещения:

-сообщения о текущем состоянии объекта;

сообщения о нарушениях в процессе;

системные сообщения о нарушениях в аппаратном и программном обеспечении системы;

руководящие сообщения оператору.

Сообщения о текущем состоянии объекта используются для анализа состояния процесса в текущий момент времени.

Сообщения о нарушениях в процессе представляют собой сигналы тревоги и служат для сообщения оператору места и причины сигнала тревоги, возникшей в результате аварии в процессе. Максимально возможное число сообщений 200.

Системные сообщения предназначены для выдачи информации о неисправности в аппаратном обеспечении системы, например модулях ввода\вывода, об ошибках вычисления, возникающих в вычислительных выражениях, определенных пользователем, нарушения в функциональных блоках и т.п. С данным сообщением, как правило, работает инженер, обслуживающий систему управления.

Руководящие сообщения оператору представляют собой программу действий оператору, которую он должен выполнить при определенной ситуации в ходе технологического процесса, либо сведения, которые он должен знать для осуществления успешного контроля.

. Описание стандартного программного обеспечения.

.1 Операционная система

В качестве системного программного обеспечения на рабочих и инженерных станциях выбрана операционная система Microsoft Windows XP Professional. Выбор данной операционной системы обусловлен требованиями, предъявляемыми программным обеспечением Centum CS3000.

Windows XP - эта операционная система является прямым наследником Windows2000, и продолжателями линейки WindowsNT. Этот факт и определяет основные особенности WindowsXP. Это полностью 32-разрядная ОС с приоритетной многозадачностью. В её основе лежат те же принципы, на которых базировались все NT. Это:

-        Совместимость. Система может иметь привычный интерфейс ОС семейства Windows, с некоторыми добавлениями и расширениями, поддержку файловых систем NTFS, FAT16 и FAT32. Большинство приложений, написанных под MSDOS, W9x, NT4, а также некоторые программы под OS/2 и POSIX, запускаются и функционируют без проблем. При проектировании NT учитывалась возможность работы системы в различных сетевых средах, поэтому в поставку входят средства для работы в Unix- и Novell-сетях.

-        Переносимость. Система работает на различных процессорах семейства x86 производства Intel и AMD. Уже существует 64-битная версия для поддержки новейших процессоров семейства Intel.

-        Масштабируемость. В WindowsXP реализована поддержка технологии SMP.

-        Система безопасности. Реализована привычная для NT система безопасности на уровне пользователей.

-        Распределённая обработка. WindowsXP имеет встроенные в систему сетевые возможности, что обеспечивает возможность связи с различными типами компьютеров-хостов благодаря наличию разнообразных транспортных протоколов и технологии "клиент-сервер".

-        Надёжность и отказоустойчивость. Архитектура ОС защищает приложения от повреждения друг другом и самой операционной системой. При этом используется отказоустойчивая структурированная обработка особых ситуаций на всех архитектурных уровнях, которая включает восстанавливаемую файловую систему.

-        Локализация. Система предоставляет возможности для работы во многих странах мира на национальных языках, что достигается применением стандарта ISO Unicode.

-        Расширяемость. Благодаря модульному построению системы становится возможно добавление новых модулей на различные архитектурные уровни ОС.

Минимальные системные требования к рабочей станции с ОС Windows XP Professional:

-        Минимальная частота процессора 233 МГц;

-        ОЗУ 64 Мб;

-        Накопитель типа жесткий/магнитный диск 1,5 Гб.

Рекомендуемая конфигурация для DeltaV 7.4:

-        Pentium 4 с частотой 1.4 ГГц;

-        ОЗУ 512 Мб;

-        Накопитель типа жесткий/магнитный диск 40 Гб.

.2 Структура программного обеспечения

Инженерная станция. На станцию инженера устанавливается SCADA-система CENTUM CS3000 фирмы Yokogawa. В конфигурацию системы включены среда разработки и среда исполнения.

Проект создается в среде разработки и представляется в виде двух частей: визуализация процесса и конфигурирование контроллера.

Визуализация процесса осуществляется с помощью графического редактора - Graphic Builder и построителя трендов Trend Acquisition Pen Assignment Builder. В графическом редакторе производится создание мнемосхем и групп управления.

Контроллер конфигурируется с помощью следующих основных программных средств:

-IOM Builder, посредством него определяются характеристики модулей и каналов ввода/вывода;

Control Drawing - средство для создания схем управления с возможностью детального конфигурирования каждого функционального блока.

Также предоставлена возможность виртуального тестирования работы контроллера.

Среда исполнения на инженерной станции аналогична среде исполнения на станции оператора.

.3 Функции частей программного обеспечения

Программное обеспечение станции оператора построено таким образом, что оно обеспечивает систему управления следующими функциями:

-отображение информации о ходе технологического процесса в виде цветных графических мнемосхем;

оперативное управление технологическим процессом с функциональной клавиатуры, с защитой от несанкционированного доступа;

вывод на дисплей и регистрация на внешнем носителе аварийных, технологических и системных сообщений;

сбор информации об истории процесса;

обмен данными по сети Ethernet c ЭВМ верхнего уровня, ведение архива на сервере.

Программное обеспечение инженерной станции обеспечивает систему разработки проекта следующими функциями:

определение общих свойств проекта (константы, защита, приоритеты сигнализации);

определение управляющих функций (характеристики станции управления участком, модулей ввода/вывода, схем управления);

определение функций управления и контроля (характеристики станции оператора, графических окон, трендов, назначения функциональных клавиш и комбинации панелей управления);

виртуальное тестирование созданного проекта. При выполнении виртуального теста вместо реальной FCS используется программа-имитатор FCS, выполняемая на персональном компьютере для имитации функций и операций FCS.

.4 Методы и средства разработки программного обеспечения

Программное обеспечение контроллеров представлено совокупностью алгоритмов, написанных на одном из четырех языков программирования: язык функциональных блоков (FB); язык структурированного текста (ST); язык диаграмм функциональных последовательностей (SFC); язык ступенчатой логики (LL). Все алгоритмы реализуются в виде программных модулей, которые создаются, а затем закладываются в контроллеры. В контроллере одновременно могут выполняться программы на всех этих языках, и результаты одних программ могут быть переданы для работы другим программам.

С помощью языка ступенчатой логики и диаграмм последовательного управления в основном строятся алгоритмы блокировок и срабатывания системы ПАЗ, а также управления исполнительными механизмами.

Исходя из требований к разрабатываемой системе, технической структуры системы и предлагаемого метода решения задачи можно разработать следующий алгоритм решения задачи:

-анализ объекта автоматизации: параметры процесса, требующие обработки системой; параметры регулирования, параметры контроля; параметры сигнализации и блокировки;

построение схемы управления технологическим процессом станцией управления;

создание интерфейса оператора;

тестирование и отладка работы разработанного программного обеспечения без использования оборудования, применяя виртуальную станцию управления;

тестирование с использованием реальной станции управления участком;

настройка системы в целом на реальный объект.

Исходя из алгоритма решения задачи и особенностей системы программирования CENTUM СS 3000, можно выделить следующие этапы создания новой системы:

Утверждение проекта.

На данном этапе создаем новый проект и определяем общую и детальную информацию о проекте. Общая информация включает в себя: модель системы управления, имя пользователя, наименование организации/предприятия, общие сведения о проекте. Детальная информация содержит имя проекта, место расположения файла с данным проектом на диске, комментарий к проекту.

Определение общих элементов системы.

Определение общих элементов системы включает создание папки FCS и папки HIS.

При создании папки FCS указывается тип станции управления участком, тип базы данных, адрес станции в сети, комментарий. Кроме того, указываются константы FCS, определяющие работу станции: ширина импульса, интервал последовательности запуска, тип действия оператора Sebol, режим работы станции MLD-SW.

Создание папки HIS заключается в задании типа станции, ее адреса, число компонент, комментарий. После этого осуществляется установка HIS на сети.

Определение функций управления.

Данный этап включает определение ввода/вывода сигналов и построение схемы управления для станции управления FCS.

Определение ввода/вывода осуществляется с помощью IOM Definition Builder. В папке IOM создаем новое модульное гнездо. При создании модульного гнезда указываем категорию и тип модульного гнезда. Для каждого терминала (клеммы в гнезде) записываем модель аналогового модуля (входные и выходные аналоговые модули AMN11) и дискретные модули (выходные дискретные модули АDM51T).

Построение схемы управления технологическим процессом станцией управления FCS.

Схему управления процессом строят с помощью Control Drawing Builder на основе анализа объекта автоматизации, определения параметров процесса, требующих обработки системой, параметров регулирования, параметров контроля, параметров сигнализации и блокировки. На основании функциональной схемы автоматизации строится схема управления процессом станцией управления FCS.

Схема управления задает последовательность обработки входных сигналов и выработки управляющих воздействий станцией управления FCS.

Функции управления технологическими процессами станцией FCS базируются на двухуровневой иерархии, что существенно облегчает модернизацию схем управления и процедуру инжиниринга. На нижнем уровне иерархии используется самый маленький элемент управления - функциональный блок. На верхнем уровне используется чертеж схемы управления, объединяющий функциональные блоки в соответствующую проекту схему автоматического управления (каскадную, по возмущению, взаимосвязанную и т. д.).

Схемы управления состоят из двух или более функциональных блоков управления. Они предназначены для упрощения инженерных работ и работы по техническому обслуживанию за счет группировки отдельных функций управления технологическим оборудованием в схему управления. Схема управления дает пользователю задавать мониторинг производства в целом и по отдельным фазам, а также определять системы управления по типу оборудования.

В состав функции управления технологическими процессами станцией FCS входят:

-функции автоматического регулирования;

вычислительные функции;

функции управления очередностью.

Каждому типу функций соответствует свой тип функциональных блоков. Библиотека функциональных блоков включает блоки аналогового и логического управления, вычислительные блоки, блоки лицевых панелей и блоки приборов. Эти функции могут компоноваться друг с другом и с другими компьютерными функциями для создания дополнительных модернизированных функций.

. Описание прикладного программного обеспечения

.1 Описание алгоритмов (проектных процедур)

Процесс ректификации углеводородов является непрерывным, поэтому для управления им разработан алгоритм на языке функциональных блоковых диаграмм (FBD). Для каждого из контуров регулирования был создан модуль с функциональным блоком PID.

Рис.7.1. Алгоритм управления одноконтурной схемой регулирования

Рис.7.2. Алгоритм управления каскадной схемой регулирования (внутренний контур)

Рис.7.3. Алгоритм управления каскадной схемой регулирования (внешний контур)

Модуль управления включает следующие функциональные блоки:

-        Аналоговый вход (AI) - обеспечивает доступ к одной измеряемой аналоговой величине со статусом, получаемой из канала в/в:

-        IO_IN - определяет ТПУ входа канала, используемого для PV;

-        OUT - значение и статус аналогового выхода блока;

-        ПИД (PID) - в этом функциональном блоке объединены все алгоритмы, необходимые для обработки входного аналогового канала, пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования и обработки выходного аналогового канала:

-        BKCAL_IN - значение аналогового входа от BKCAL_OUT блока AO;

-        BKCAL_OUT - значение, передаваемое на блок AO для обеспечения безударного перехода при замыкании контура;

-        CAS_IN - значение задания SP от другого PID блока при каскадной схеме регулирования;

-        CONTROL_OPTS - позволяет указать варианты стратегии управления;

-        IN - подключение переменной процесса PV от выхода AI блока;

-        OUT - значение и статус аналогового выхода;

-        Аналоговый выход (AO) - назначает аналоговое выходное значение устройству КИПиА по указанному каналу ввода/вывода:

-        CAS_IN - значение удаленного задания от PID блока;

-        BKCAL_OUT - значение, необходимые входу BKCAL_IN PID блока для обеспечения безударного перехода при замыкании контура управления;

-        OUT - значение и статус выхода блока;

-        IO_OUT - определяет ТПУ выходного канала.

Модуль управления каскадной схемой регулирования включает аналогичные модули, но при этом выходной сигнал корректирующего контура является уставкой для стабилизирующего контура.

.2 Интерфейс оператора

Для реализации человеко-машинного интерфейса применяется ПО DeltaV. Для взаимодействия технолога-оператора с системой используются следующие окна.

Окно общего обзора. Предназначено для контроля за работой всего производства в целом и для получения доступа к более подробным окнам. В этом окне отображается весь процесс целиком.

Графические окна. Относятся к наиболее важным типам операционных панелей. Представляют собой графическое изображение основного технологического оборудования, средств КИП, и отображают структуру алгоритмов управления, и их состояние.

Рис.7.4. Интерфейс оператора

Окно настройки. Содержит всю информацию необходимую для настойки регулятора и клапана. Текущее значение параметра, задание, выход регулятора, коэффициенты регулятора. Также есть возможность ручного управления.

Рис.7.5. Окно настройки регулятора

Окно регистрации хода процесса. Отображают данные о ходе процесса во времени. В проекте используется два окна трендов: тренды реального времени и архивные тренды.

Рис.7.6 Окно трендов модуля

Рис.7.7 Окно истории процесса

Окно регистрации пользователей. Позволяет осуществить вход пользователей в систему и произвести конфигурацию пользователей, с установлением прав доступа.

Рис.7.8 Окно регистрации пользователей

Заключение

В данном дипломном проекте рассмотрена модернизация системы управления процессом выделения фракции ароматических углеводородов из бензола на базе современных технических средств автоматизации.

Для обеспечения высокого качества управления предложена система управления Centum CS3000 фирмы Yokogawa, использующая современные технические средства автоматизации, которые позволяют реализовать:

на верхнем уровне - управляющий модуль на базе контроллера;

конфигурирование с помощью инженерной станции;

контроль и ручное управление с помощью рабочей станции.

Разработанная система достаточно проста в использовании и надежна. Она позволяет значительно улучшить и облегчить работу оператора, обеспечить качественное управление процессом, более полно и экономично использовать ресурсы.

Эта система соответствует всем требованиям по обеспечению безопасности производства и экологии.