Разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Другое
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

2,64 Мб
Опубликовано:

2014-09-24

Все дипломные работы по другим направлениям

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода

Введение

автоматизация управление программный технологический

Водород - это энергоноситель (как, например, электричество), а не основной источник энергии (как, например, угля). Использование водорода в качестве топлива положительно повлияет на энергетическую безопасность, экологию и экономический рост. Водород поможет улучшить энергетическую безопасность (т.е. независимость от стран-поставщиков), так как его можно получать из многих первичных источников энергии, в том числе и возобновляемых. Таким образом, водород может стать полноценной альтернативой нефти. Водород можно получать используя самые разнообразные природные ресурсы: газ, угля, органические отходы, биотопливо, отходы сельского хозяйства. Основная часть водорода, производится промышленностью, добывается из природного газа, но предполагается увеличение роли других источников. Для получения водорода можно использовать различные источники энергии: ископаемые ископаемые, ядерную энергию и возобновляемые технологии, такие как солнечная, ветровая, гидро-, био- и геотермальная энергии. Благодаря такому многообразию ресурсов и технологий, водород можно будет производить во всех регионах страны и во всем мире. Сегодня из более 50 млн тонн водорода, вырабатываемого половина получается путем конверсии водяного пара с природным газом (48%). Также водород добывают из нефти (30%), угля (18%) и воды (4%). В современной углеводородной энергетике транспортировки питается прежде нефтью. В результате сжигания углеводородного топлива выделяется диоксид углерода и другие загрязнители атмосферы. Фото экономически выгодных углеводородных ресурсов в мире ограничен, а спрос на углеводородное топливо растет, особенно в Китае, Индии и других развивающихся.

Сторонники будущего внедрения водородной энергетики в мировых масштабах утверждают, что водород может быть экологически чистым источником энергии для конечных потребителей, особенно в транспортной отрасли, в месте конечного использования выбросов загрязняющих веществ и твердых частиц или диоксида углерода не будет. В анализе, проведенном в 2004 году, утверждается, что "вся цепь водородного поставки высвобождает значительно меньше углекислого газа в атмосферу, чем бензин в гибридных автомобилях", и значительное сокращение объема выбросов двуокиси углерода был бы возможен, если бы в местах производства энергии и водорода были использованы методы поглощения или изоляции углерода.

Водород имеет высокую плотность энергии по весу. Цикл Отто в двигателе внутреннего сгорания, работающего на водороде, имеет максимальный КПД около 38%, что на 8% выше, чем в двигателе внутреннего сгорания на бензине. Сочетание топливного элемента и электрического двигателя в 2-3 раза эффективнее, чем двигатель внутреннего сгорания. Тем не менее, высокая цена топливного элемента - одно из главных препятствий его развития. Сейчас ученые ищут средства уменьшения использования платины, или ее замены на более дешевые аналоги. Лучшие модели двигателей на топливных элементах содержат 30 г платины. Этот фактор необходимо преодолеть до коммерциализации проекта. Другие технические препятствия, связанные с топливными элементами, - это обязательность чистоты водорода - в некоторых современных технологиях топливный элемент требует чистоты водорода не менее 99,999%. С другой стороны, использование водородных двигателей является экономически выгодным, чем применение топливных элементов.

1. Анализ объекта автоматизации и обоснование необходимости создания АСУТП

.1 Описание выбранной установки как объекта автоматизации

Установка по производству водорода предназначена для получения водорода (Н₂ - 99,99%) и обеспечения водородом установку изомеризации в полном объеме. Производительность установки 7030м³/час (5000т/год).

Сырьем установки получения водорода является сжиженное пропан бутановое топливо (СПБТ) и питательная вода. Процесс производства водорода с высокой концентрацией (Н₂ - 99,99%) основан на паровой конверсии сжиженного пропан бутанового топлива - СПБТ.

Сырьем станции дожима является водородсодержащий газ (ВСГ), поступающий с установок риформинга 35-11/300, 35-11/600, 35/6.

В состав установки входят:

) блок установки получения водорода (включая сырьевую насосную) фирмы «Mahler AGS» (Германия), включает в себя следующие процессы:

гидрирование и обессеривание исходного сырья;

паровой риформинг;

конверсия СО.

) блок КЦА фирмы «UOP» производства США, включающий в себя процесс концентрирования полученного водорода методом коротко-цикловой адсорбции загрязнителей (углеводородов, сероводорода и других примесей) и десорбции (удаление поглощенных веществ с поверхности адсорбента). Примеси адсорбируются при высоком давлении, а затем десорбируются при низком давлении.

) станция дожима предназначенная для повышения давления и концентрации водорода в ВГС установок риформинга для обеспечения установок 24/8С, 24/6, 24/7.

Производительность станции по 1 компрессору:

максимальная - 61215нм³/ч;

минимальная - 45206нм³/ч.

) аппаратный двор на площадке которого размещены:

постамент - с размещением на отм. 0,00 сырьевой насосной, на отм. 6,0 сырьевой емкости Е-1;

ресиверы воздуха КИП и азота Е-2, Е-3;

ресиверы пускового водорода Е-4;

сепаратор факельного газа С-2.

) деаэрационно-питательный блок предназначенный для приготовления питательной воды установки получения водорода. Производительность блока составляет 10,0 м³/ч.

) трассы тепломатериалопроводов связывают между собой блок получения водорода с блоком КЦА, станцию дожима, аппаратный двор, деаэрационно-питательный блок и подключают перечисленные объекты комплекса к сетям общезаводского хозяйства завода.

) насосная пенотушения предназначенная для автоматического локального тушения компрессоров ПК-1, ПК-2, расположенных в станции дожима ВСГ.

) отдельностоящая операторная во взрывозащищенном исполнении из которой осуществляется управление комплексом установки производства водорода с блоком КЦА.

Схема технологического процесса установки по производству водорода представлена на рисунке - 1.1.

Для хранения и бесперебойной подачи СПБТ - сырья водородной установки, принята к установке емкость Е-1. Сырье СПБТ от границы установки поступает в емкость Е-1, затем в сырьевой насосной разделяется на два потока.

Один поток пропаривается в испарителе И-101 и используется в качестве топлива для горелок риформера П-101. Другой поток сырья насосами Н-101/102 смешивается с небольшим рецикловым потоком водорода из вспомогательной водородной линии.

Далее, смесь сырья и рециклового потока водорода пропаривается и перегревается в нагревателе сырья Т-101 и подается на блок сероочистки. Блок сероочистки состоит из реактора Р-101 с катализатором гидрирования (CoMo), в котором нереактивные соединения серы гидрируются в H₂S, а также, гидрируются ненасыщенные углеводороды. Температура в реакторе повышается в соответствии с их содержанием в сырье.

Адсорбция сероводорода происходит на окиси цинка (катализаторе) в двух реакторах Р-102, Р-103. По истечении адсорбционной способности катализатора в одном реакторе, в работу включается катализатор другого реактора.

Обессеренное сырье смешивается с технологическим паром из дымогарного котла ДК-101, перегревается в нагревателях Т-103/А,В,С и поступает в печь парового риформинга П-101.

Смесь сырья и водяного пара риформируется в нагретых трубках риформера из высоколегированного сплава, заполненных катализатором на основе никеля.

Далее, газ охлаждается в охладителе газа Т-104 с генерированием насыщенного пара. Охладитель Т-104 интегрирован в дымогарный котел ДК-101. Точность температуры газа риформера на выходе, контролируется через внутренний байпас, что позволяет гарантировать оптимальные условия эксплуатации также при частичной нагрузке.

Риформированный газ проходит через высокотемпературный конвертер конверсии СО поз. Р-104. Реакция конверсии проводится на железо-хромовом катализаторе в конвертере. Большая часть окиси углерода вступает в реакцию с избыточным количеством водяного пара, который присутствует в конвертированном газе, для производства дополнительного водорода.

Рисунок 1.1- Схема технологического процесса установки по производству водорода

Тепло от конвертированного технологического газа утилизируется в серии теплообменников-утилизаторов:

в первом теплообменнике (нагревателе сырья) Т-101, тепло от конвертированного технологического газа утилизируется путем пропаривания и перегревания смеси сырья и рециклового потока водорода;

второй теплообменник Т-102 используется в качестве экономайзера;

конвертированный технологический газ окончательно охлаждается в концевом холодильнике Х-104.

В процессе охлаждения, избыточное количество пара в конвертированном технологическом газе конденсируется и отделяется в технологическом сепараторе С-103.

Конвертированный технологический газ подается в систему короткоцикловой адсорбции (блок КЦА).

В системе КЦА, из водорода удаляются такие примеси, как H₂O, CO, CO₂ и не участвовавший в реакции CH₄. Система КЦА включает 5 адсорберов А-101÷А-105, каждый из которых заполнен тремя типами адсорбентов. Примеси адсорбируются под тем же давлением, что и давление продукта. Регенерация адсорбентов осуществляется через понижение давления до низкого уровня и продувку.

Полный цикл, включает следующие стадии:

а) адсорбция:

на стадии адсорбции, технологический газ подается в адсорбер снизу. При подъеме вверх, примеси адсорбируются, что позволяет на выходе из адсорбера получить водород высокой чистоты. Давление в блоке КЦА держится на постоянном уровне, благодаря клапану регулирования давления в водородной линии. После того, как стадия адсорбции завершается, регенерированный ранее адсорбер автоматически переключается на адсорбцию, что обеспечивает непрерывность движения потока продукта;

б) регенерация:

регенерация отработанного адсорбера начинается со сброса давления до низкого уровня. На этой стадии, большая часть газа расходуется на восстановление давления и продувку остальных адсорберов, которые находятся в разной стадии регенерации. Отходящий декомпрессионный газ подается в резервуар продувочного газа Б-103;

в) продувка:

давление в адсорбере примерно такое же, что и давление внешней среды. Адсорбер продувается ВСГ из другого адсорбера. Продувочный газ отводится в резервуар продувочного;

г) восстановление давления:

после продувки, давление в адсорбере повышается до давления адсорбции. Это делается с помощью декомпрессионного газа, поступающего из другого адсорбера и, в конечном счете, рециклового потока водородного продукта. На этом, регенерация адсорбера заканчивается, и он переключается на адсорбцию.

В любое определенное время цикла, один из пяти адсорберов блока КЦА работает, в то время как другие адсорберы находятся на разных стадиях регенерации. Оптимальное управление блоком КЦА осуществляется с помощью автоматизированной системы программируемых логических контроллеров (ПЛК), что позволяет блоку КЦА работать с высокой эффективностью. Данная система автоматически подгоняет продолжительность цикла адсорберов, что позволяет, во всех случаях частичных нагрузок, достигать оптимального извлечения водорода.

Полученный водород поступает к границе установки.

В продувочном газе из блока КЦА содержатся примеси H₂O, CO₂, CO, CH₄ и некоторое количество H₂. Продувочный газ подается в буферный резервуар Б-103, который предназначен для некоторого «поддержания» с тем, чтобы свести к минимуму колебания в концентрации продувочного газа, теплоте сгорания и числе Воббе.

Продувочный газ используется в качестве топлива в печи риформинга П-101. При обычном режиме эксплуатации, большая часть необходимого тепла в риформере обеспечивается за счет этого продувочного газа. Дополнительно необходимое тепло получается за счет сжигания СПБТ (топлива), поступающего из сырьевой насосной.

Утилизация тепла от горячего дымового газа с риформера осуществляется посредством:

перегревания сырья и технологического пара в нагревателях Т-103/А,В,С;

производства технологического пара в дымогарном котле ДК-101. Технологический пар смешивается с обессеренным сырьем;

предварительного нагрева воздуха горения в подогревателе воздуха горения Т-105.

Дымовой газ уходит с установки через дымосос Д-101 и дымовую трубу ДТ-101.

Холодильник риформированного газа Т-104 интегрирован в дымогарный котел. Точность температуры риформированного газа на выходе, контролируется через внутренний байпас, что позволяет гарантировать оптимальные условия эксплуатации также при частичной нагрузке.

Продуктовый водород от установки производства водорода поступает на установку изомеризации. Так же предусмотрена возможность перепуска продуктового водорода в приемную линию ВСГ на станции дожима.

1.2 Варианты совершенствования технологического процесса

Схема технологического процесса подачи водорода в ёмкость Е-4 представлена на рисунке - 1.2.

С установки ПГИ-ДИГ-250 (изомеризация) рецикловый водород поступает в буферную ёмкость Е-4. Эта ёмкость предназначена для приёма, хранения и подачи рециклового водорода далее в технологический процесс на установке. Небольшое количество рециклового водорода смешивается с СПБТ (сжиженное пропан бутановое топливо), которое подаётся с ёмкости Е-1. В ёмкость Е-1 СПБТ поступает с установки ГФУ. Далее сырьё и рецикловый водород пропаривается и перегревается в нагревателе сырья Т-101 и подаётся на блок сероочистки, который состоит из реактора Р-101.

Рисунок 1.2- Схема технологического процесса подачи водорода в ёмкость Е-4

Основным недостатком в работе системы подачи рецикла водорода в буферную ёмкость Е-4 установки по производству водорода, в настоящее время является отсутствие системы автоматического регулирования давления в ёмкости Е-4.

В исходном варианте регулирование давления осуществляется в ручном режиме, путём открытия или закрытия задвижки клиновой (ЗКЛ), которая установлена на линии подачи рецикла водорода с установки ПГИ-ДИГ-250 (изомеризация) в буферную ёмкость Е-4. Контроль за давлением рецикла водорода ведётся по показаниям датчика давления, установленного непосредственно на этой линии.

Ручное регулирование давления требует присутствия обслуживающего персонала для контроля параметров, что особенно затруднительно в условиях удаленной его установки.

Также ёмкость Е-4 не оснащена системой аварийной сигнализации и прерывания процесса подачи рецикла водорода в ёмкость, что может привести к возникновению аварийных ситуаций, созданию условий для возникновения пожаров.

Устранение вышеперечисленных недостатков возможно за счет создания автоматизированной системы автоматического регулирования давления в буферной емкости Е-4 установки по производству водорода. Эта система позволит контролировать и регулировать основные параметры процесса (давление рецикла водорода), путем воздействия на исполнительные устройства с электромеханическими (электромагнитными) приводами, выполнять алгоритмы защиты и аварийной блокировки оборудования, а также реализовать удаленный диспетчерский контроль и управление за счет создания автоматизированного рабочего места оператора установки, что позволит вывести оператора из зоны негативных экологического, температурного и вибрационного воздействия, сделав условия труда более комфортными.

1.3 Техническое задание на разработку АСУТП

Постановка цели и задач проектирования

Целью дипломного проекта является разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода с применением программируемого логического контроллера (PLC) и автоматизированного рабочего места оператора (АРМ).

В связи с вышесказанным, в рамках данного дипломного проекта ставятся следующие задачи:

сформулировать требования к выдерживаемым параметрам технологического процесса, оборудованию (средства измерения, контроллер, исполнительные устройства) и его монтажу;

разработать структурную схему комплекса технических средств и произвести расчет и выбор необходимого оборудования (средства измерения, контроллер, исполнительные устройства);

определить пути повышения надежности автоматизированной системы управления и обосновать их;

произвести расчет системы автоматического управления (регулирования) давления водорода в емкости Е-4, включая параметры настройки регулятора и проанализировать показатели качества спроектированной системы на компьютерной модели;

произвести разработку прикладного программного обеспечения автоматизированной системы управления: алгоритмов программ контроля и управления, программного кода программ, человеко-машинного интерфейса оператора и настройку каналов обмена данными;

разработать мероприятия по охране труда и технике безопасности;

привести технико-экономическое обоснование целесообразности предлагаемых в проекте действий.

Основными целями автоматизации являются:

обеспечение автоматического регулирования давления водорода в буферной ёмкости Е-4;

реализация системы удаленного диспетчерского контроля и управления, а также мониторинга аварийных ситуаций посредством SCADA-системы и их предотвращения;

улучшение условий труда оператора, за счёт уменьшения времени нахождения оператора в зоне негативных экологических, температурных и виброакустических воздействий;

повышение оперативности действий технологического персонала.

В результате модернизации система должна обеспечивать выполнение следующих функций:

представление информации о состоянии технологического процесса и его параметрах (давление водорода в буферной ёмкости Е-4 и состоянии исполнительных устройств) оператору диспетчерского пункта в удобном для восприятия виде в качестве мнемосхемы процесса, анимации, графиков, гистограмм и др.

автоматическое регулирование давления водорода в буферной ёмкости в соответствии с заданием оператора установки;

автоматическую обработку, регистрацию и архивирование поступающих значений технологических параметров;

Требования к параметрам технологического процесса на рассматриваемом участке

Основным параметром технологического процесса, является давление рецикла водорода. Требования к параметрам технологического процесса представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Требования к параметрам технологического процесса

Наименование	Значение
Рабочее давление в Е-4	30 кгс/см²
Температура в Е-4: Расчётная Рабочая	100^оС 40^оС
Давление СПБТ	20-23 кгс/см²
Расход СПБТ	40-66 м³/ч

Требования к технологическому оборудованию рассматриваемого узла

Требования к буферной ёмкости Е-4 представлены в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Требования к буферной ёмкости Е-4

Наименование	Характеристика технологического оборудования
Высота, мм	10145
Диаметр, мм	2400
Материал	09Г2С
Давление: Расчётное, кгс/см² Рабочее, кгс/см²	45 39
Температура: Расчётная, ^оС Рабочая, ^оС	100 40
Номинальный объем, м³	40
Рабочая среда	Водород

Требования к средствам измерения и информационным каналам разрабатываемой системы

Поскольку основным параметром технологического процесса является давление, сформулируем требования к соответствующему датчику. Требования к датчику давления представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 - Требования к датчику давления

Характеристика	Значение
Измеряемая среда	газ
Диапазон измерения давления, кгс/см²	0-40
Температура: Окружающей среды, °С Измеряемой среды, °С	от -40 до 85°С от -40 до 121°С
Предел допускаемой основной приведенной погрешности при измерении,%	±0,5
Выходной сигнал	4…20 мА
Категория защиты	IP65
Взрывобезопасность	1ExdIIAT4

Требования к устройствам контроля и управления

Сформулируем требования к контроллеру. Основные из них представлены в таблице 1.4

Таблица 1.4 - Требуемые характеристики контроллера

Наименование	Значение
Напряжение питания, В	10-30 DC
Степень пыле - влагозащищенности	IP20
Температурный режим эксплуатации (при внутришкафном монтаже), °С	5…40
Каналы ввода-вывода: - аналоговые входные (датчик давления, положение рабочего органа клапана - 1 шт.) - аналоговые выходные (задание регулирующему клапану - 1шт.) - дискретные входные - дискретные выходные	2 - 2 2
Необходимые поддерживаемые интерфейсы и протоколы передачи данных	Ethernet (ModBus TCP) RS-485 (ModBus RTU)
Операционная система	+

Регулирование давления в буферной ёмкости Е-4 вертикального исполнения осуществляется клапаном, который установлен на трубопроводе линии подачи рецикла водорода с установки ПГИ-ДИГ-250 (изомеризация) в ёмкость Е-4.

Требования к исполнительным устройствам

Исполнительным устройством является клапан с электроприводом. Требования к клапану с электроприводом представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Требования к клапану с электроприводом

Наименование	Значение
Рабочая среда	газ
Давление рабочей среды, кгс/см², не менее	25
Вид статической характеристики клапана	Линейная
Ход шпинделя, мм	16
Пропускная способность Kv (при рабочих условиях), не менее, м³/ч	0,2
Время полного открытия/закрытия клапана, с, не более	36
Тип датчика сигнализации положения	токовый, 4…20 мА
Материал корпуса клапана	сталь
Температура рабочей среды, не менее, °С	30
Вид климатического исполнения клапана	УХЛ.1
Вид климатического исполнения электропривода	УХЛ.1
Степень защиты клапана	IP65
Степень защиты электропривода	IP65
Питание электропривода	220В 50 Гц
Взрывозащита электропривода	1ExdIIAT4

2. Расчет и выбор элементов комплекса технических средств автоматизации

2.1 Структурная схема комплекса технических средств

Разрабатываемая система автоматического регулирования давления рецикла водорода в ёмкости Е-4 будет представлять собой многоуровневую распределенную систему автоматизации с выделением уровня технологического оборудования, контроллерного уровня и уровня диспетчерского управления. Структурная схема комплекса технических средств системы представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема комплекса технических средств

К аналоговым входам (AI) контроллера, расположенного в шкафу управления, посредством унифицированных токовых сигналов 4…20 мА осуществляется подключение датчика давления, а также аналогового датчика положения (П) рабочего органа клапана с токовым выходным сигналом.

Для приема сигналов от концевых выключателей по положению (КПВ - верхнего, КПН - нижнего) рабочих органов клапанов типа «сухой контакт» применяется модуль дискретного ввода (DI) соответствующего типа.

Управление бесконтактным реверсивным пускателем (ПБР), используемым для управления электроприводом клапана (М), регулирующим давление водорода в ёмкости Е-4, осуществляется дискретными сигналами 24В DC, формируемыми модулем дискретного вывода (DO). Подключение производится по схеме с открытым коллектором (ОК).

Обмен данными с АРМ оператора, установленным в диспетчерском пункте, осуществляется по сети Ethernet протоколу Modbus TCP.

2.2 Выбор технических элементов информационно - измерительной системы

Выбор датчика давления

В соответствии с требованиями, предъявленными в п.п. 1.6, произведем выбор датчика давления.

Рассмотрим датчик давления Yokogawa Electric EJX530А. Датчик представлен на рисунке 2.2.

Преобразователи (датчики) давления серии EJX обладают всеми функциями современных интеллектуальных датчиков. Отличительной особенностью преобразователей серии EJX является принцип измерения давления: в качестве чувствительного элемента в них используется кремниевый механический резонатор - уникальная разработка фирмы Иокогава.

Рисунок 2.2 - Внешний вид Yokogawa Electric EJX530А

Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. При изготовлении чувствительных элементов применяются самые современные технологи роста кристаллов, благодаря чему вся эта сложная структура получается с единой монокристаллической решеткой.

Принцип работы кремниевого резонатора: в зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления.

Беспроводной датчик избыточного давления EJX530A предназначен для измерения избыточного давления различных сред: жидкости, газа и пара. Датчик работает от внутреннего блока батарей, вследствие чего стоимость установки датчика давления может быть снижена в сравнение с проводным методом соединения. Беспроводная связь с 128 битным шифрованием обеспечивает безопасное использование и многочисленные функции, включая мониторинг состояния устройств, расширенные возможности диагностики и регулировку параметров устройства.

Рабочие характеристики: калиброванная шкала с отсчетом нуля, линейный выход. Внешняя регулировка нуля может осуществляться плавно с дискретностью 0,01% от шкалы. Установка шкалы может выполняться по месту с помощью встроенного ЖК индикатора с переключателем диапазона.

Влияние положения при монтаже: вращение в плоскости диафрагмы не оказывает влияния. Наклон на 90° вызывает сдвиг нуля до 0,4 кПа, который может быть устранен подстройкой нуля.

Выходной сигнал 2-х проводной 4-20 мА с цифровой связью по HART протоколу. Цифровой сигнал накладывается на аналоговый 4-20 мА.

Корпус усилителя литой из алюминиевого сплава с низким содержанием меди и с полиуретановым покрытием.

Характеристики датчика давления Yokogawa Electric EJX530А представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Характеристики датчика давления Yokogawa Electric EJX530А

Характеристика датчика	Yokogawa Electric EJX530А
Измеряемый параметр	Избыточное давление
Измеряемая среда	Газ
Диапазон измерения, кПа	0,1-10000
Предел допустимой погрешности,%	±0,2
Диапазон окружающих температур,°С	- 30..+80
Температура измеряемой среды,°С	- 40…+120
Выходной сигнал	4..20mA/HART, Foundation Fieldbus
Питание	10,5 - 42 VDC
Вид защиты от внешних воздействий	IP 67
Взрывозащищенность	ExdIICТ5

Далее рассмотрим датчик давления Rosemount 3051CG. Датчик представлен на рисунке 2.3.

В датчиках на базе емкостного сенсора давление процесса через разделительные мембраны (мембрану в датчиках избыточного давления) и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под воздействием измеряемого давления мембрана прогибается в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора.

Рисунок 2.3 - Внешний вид Rosemount 3051CG

Сенсорный модуль датчиков 3051 имеет встроенный термометр для коррекции и учета температурных эффектов. Во время процедуры характеризации на заводе все сенсоры подвергаются воздействию температур и давления во всем рабочем диапазоне. В результате характеризации коэффициенты коррекции заносятся в ПЗУ, и используются для коррекции выходного сигнала при работе датчика в условиях эксплуатации.

Схема электронного преобразователя позволяет быстро и удобно производить тестирование и конфигурирование датчика с помощью коммуникатора моделей 475, 375, Метран-650. Двухсекционная конструкция электронного блока позволяет выполнить подключение к клеммам без нарушения целостности электронных схем. Выходной блок электронной платы преобразует сигналы измерительной информации в выходной сигнал. Стандартным аналоговым выходным сигналом является выход 4-20 мА; экономичный датчик имеет вольтовый выходной сигнал 1-5 В (или 0,8-3,2 В в датчиках 3051). По заказу может быть установлен ЖК-индикатор, который выводит цифровые значения сигнала в физических единицах или процентах от диапазона измерений. Данные конфигурации хранятся в энергонезависимой памяти электронного модуля датчика. Эти данные остаются в датчике даже при отключенном электропитании, поэтому при включении питания датчик сразу готов к работе.

Конфигурирование датчика легко осуществить с помощью портативного коммуникатора 375. Конфигурирование устанавливает рабочие параметры датчика: давление в точках 4 и 20 мА; значение времени демпфирования (от 0 до 36 с - по выбору пользователя); вид физических единиц; тэг: 8 алфавитно-цифровых знаков; дескриптор: 16 алфавитно-цифровых знаков; сообщение: 32 алфавитно-цифровых знака; дата и др. параметры. Кроме этих конфигурационных параметров в программном обеспечении датчика содержится информация, которая не может быть изменена пользователем: тип датчика, пределы сенсора, минимальная шкала, заполняющая жидкость, изоляционные материалы, серийный номер модуля и номер версии программного обеспечения.

Датчики устойчивы к воздействию температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне от минус 40 до плюс 85°С. Температура технологического процесса в датчике от минус 40 до плюс 121°С. Также датчики устойчивы к воздействию относительной влажности окружающего воздуха до 100% при температуре 35°С и более низких с конденсацией влаги.

Датчик проводит непрерывную самодиагностику. При возникновении неисправности датчик активизирует аналоговый предупредительный сигнал, выбираемый пользователем. Коммуникатор HART или система управления могут затем запросить датчик о характере неисправности. Датчик выдает информацию для выполнений корректирующих действий. Если оператор считает, что неисправность возникла в цепи, датчик может быть настроен на выдачу специального выходного сигнала для тестирования цепи.

Рабочие характеристики выходят на заданный уровень менее, чем за 2,0 с (10,0 с для протокола Profibus) после включения питания.

Датчик 3051 имеет электронное демпфирование выходного сигнала, которое позволяет сгладить выходной сигнал при быстром изменении выходного сигнала. Время демпфирования устанавливается от 0 до 36 с.

Характеристики датчика давления Yokogawa Electric EJX530А представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Характеристики датчика давления Rosemount 3051CG

Характеристика датчикаRosemount 3051CG
Измеряемый параметр	Избыточное давление
Измеряемая среда	Газ
Диапазон измерения, кПа	101-13790
Предел допустимой погрешности,%	±0,15
Диапазон окружающих температур,°С	- 40..+85
Температура измеряемой среды,°С	- 40…+121
Выходной сигнал	4..20 mA/HART
Питание	24 VDC
Вид защиты от внешних воздействий	IP 67
Взрывозащищенность	ExdIICТ5

Далее рассмотрим датчик давления Метран-150CG. Датчик представлен на рисунке 2.4.

Датчик состоит из сенсорного модуля и электронного преобразователя. Cенсор состоит из измерительного блока и платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала.

Рисунок 2.4 - Внешний вид Метран-150CG

Измерительный блок датчиков этих моделей состоит из корпуса и емкостной измерительной ячейки Rosemount. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от измеряемой и окружающей сред. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны и разделительную жидкость к измерительной мембране, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны, что приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Разность емкостей измеряется АЦП и преобразуется электронным преобразователем в выходной сигнал.

Датчики в том числе с установленным ЖКИ (опция М5), устойчивы к воздействию температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне от минус 40 до плюс 80°С.

Датчики устойчивы к воздействию относительной влажности окружающего воздуха 100% при температуре 35°С и более низких температурах с конденсацией влаги.

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP66.

Температура технологического процесса на входе в датчик -40…149°С в зависимости от модели. Для снижения температуры измеряемой среды в рабочей полости датчика рекомендуется использовать специальные устройства (удлиненные импульсные линии, разделительные сосуды и т.д.).

Датчики имеют встроенный блок защиты от переходных процессов в линии связи, вызванных разрядами молний, работой сварочного оборудования. Датчики устойчивы к электромагнитным помехам.

Настройка датчика Метран-150CG с кодом выходного сигнала А (4-20 мА с HART) осуществляется по цифровому каналу связи с помощью управляющих устройств, поддерживающих HART-протокол (HART-коммуникатор, HART-модем, HART-мультиплексор и др.) и конфигурационных программ или с помощью встроенного ЖКИ и клавиатуры (опция М5), расположенных под крышкой электронного преобразователя, по символам режимов настройки в соответствии с «Руководством по эксплуатации».

Цифровой сигнал от датчиков Метран-150 (код выходного сигнала А) может приниматься и обрабатываться любым HART-устройством, поддерживающим HART-протокол в объеме универсальных и общих команд.

Для датчиков Метран-150CG реализованы специальные команды: команда калибровки сенсора, команда чтения уникальных параметров датчика, ввод пароля, чтение состояния вывода на дисплей, запись состояния вывода на дисплей.коммуникатор Метран-650 и 475, а также конфигурационная программа HART-Master и AMS взаимодействуют с датчиками Метран-150 в полном объеме команд (все команды HART-протокола можно разделить на 3 группы: "универсальные", "общие" и "специальные"; универсальные и общие команды поддерживаются всеми HART-совместимыми устройствами).

Характеристики датчика давления Yokogawa Electric EJX530А представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Характеристики датчика давления Метран 150CG

Характеристика датчикаМетран 150CG
Измеряемый параметр	Избыточное давление
Измеряемая среда	Газ
Диапазон измерения, кПа	200-10000
Предел допустимой погрешности,%	±0,2
Диапазон окружающих температур,°С	- 40..+80
Температура измеряемой среды,°С	- 40…+149
Выходной сигнал	4..20mA/HART
Питание	12 - 42 VDC
Вид защиты от внешних воздействий	IP 66
Взрывозащищенность	ExdIICT5

Сведем данные по удовлетворяющим требованиям датчикам в единую таблицу и выберем из них наилучший вариант для решения задач измерения давления в данном дипломном проекте. Обобщенные данные представлены в таблице 2.4. Учитывая, что параметры датчиков варьируются в пределах модельного ряда, в таблице представлены конкретные модели, отобранные на предыдущем этапе.

Таблица 2.4 - Обобщённые данные по рассмотренным датчикам давления

Характеристика датчика	Yokogawa Electric EJX530А	Rosemount 3051CG	Метран 150CG
Измеряемый параметр	Избыточное давление	Избыточное давление	Избыточное давление
Измеряемая среда	Газ	Газ	Газ
Диапазон измерения, кПа	0,1-10000	101-13790	200-10000
Предел допустимой погрешности,%	±0,2	±0,15	±0,2
Диапазон окружающих температур,°С	- 30..+80	- 40..+85	- 40..+80
Температура измеряемой среды,°С	- 40…+120	- 40…+121	- 40…+149
Выходной сигнал	4..20mA/HART, Foundation Fieldbus	4..20mA/HART
Питание	10,5 - 42 VDC	24 VDC	12 - 42 VDC
Вид защиты от внешних воздействий	IP 67	IP 67	IP 66
Взрывозащищенность	ExdIICТ5	ExdIICТ5	ExdIICT5

Из таблицы 2.4 следует, что все типы датчиков давления удовлетворяют предъявленным требованиям. Однако датчик давления Rosemount 3051CG имеет наименьшую погрешность (по сравнению с другими датчиками), конфигурирование датчика легко осуществляется с помощью портативного коммуникатора 375, а также датчик давления Rosemount 3051CG широко распространен на производстве ОАО «СНПЗ» и имеет положительный опыт эксплуатации.

2.3 Расчёт и выбор исполнительных устройств

В данном дипломном проекте исполнительным устройством является регулирующий клапан с электроприводом. Произведём выбор регулирующего клапана с электроприводом.

Рассмотрим клапан регулирующий КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM. Клапан представлен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Внешний вид регулирующего клапана КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM

Клапаны регулирующие с электроприводом предназначены для автоматического регулирования расхода и перекрытия жидких и газообразных сред, изготавливаются с условным проходом от 10 до 200 мм с условной пропускной способностью от 0,006 до 630 м³/ч на условное давление 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0 и 16,0 МПа, в том числе новая конструкция клапанов КМР.Э до Dу 125 мм и Kvy от 0,006 до 200 м³/ч. Указанные клапаны применяются на трубопроводах с Dу до 400 мм. Корпуса клапанов изготавливаются из стали 20, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т, хладостойких углеродистых сталей или других материалов по специальному заказу. Дроссельная пара изготавливается из сталей 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т или специальных материалов.

Клапаны изготавливаются как во взрывозащищенном исполнении с маркировкой взрывозащиты 1ExdIIAT4, так и без взрывозащиты. Привод Auma обеспечивает большую гибкость при выборе комплектации клапана: от самых простых - Auma NORM, до приводов, управляемых по цифровому интерфейсу, через позиционер с сигналом 4÷20 мА, со встроенным PID-регулятором и сборщиком операционных данных, с интегрированным интерфейсом PROFIBUS и т.д.

Основные параметры:

cкорость перемещения штока - выбирается Заказчиком при заказе.

Напряжение питания:

- 220В (для клапанов с электроприводом без взрывозащиты);

380В (для клапанов с электроприводом с взрывозащитой);

выходной сигнал датчика положения штока - постоянный ток, в диапазоне 4÷20 мА;

ход штока - задается в ходе эксплуатации или по заказу;

Усилие на ручном дублере - не более 5 кг;

Размеры привода позволяют устанавливать его на клапанах с Dу от 25 до 200 мм;

диапазон рабочих температур окружающей среды: от минус 25 до плюс 70°С, от минус 50 до плюс 70°С, от минус 60 до плюс 70°С, в зависимости от комплектации;

степень взрывозащиты - взрывонепроницаемая оболочка (маркировка 1ExdIIAT4 по ГОСТ 12.2.020-76);

- Степень защиты от воздействия окружающей среды - IP68 по ГОСТ 14254-80.

Привод может комплектоваться дополнительным модулем со встроенными пускателями и местными кнопками управления. Вся индикация выводится на табло, расположенное на приводе. Привод имеет защиту от перегрузки мотора. При этом клапан с электроприводом управляется входным сигналом 4÷20 мА через встроенный позиционер. Дополнительный блок может располагаться как на приводе, так и устанавливаться отдельно от привода в операторской, иметь как общепромышленное исполнение, так и изготавливаться во взрывозащищенном варианте.

Технические характеристики клапана КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Характеристика клапана КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM

Характеристика	Значение
Рабочая среда	Газ
Диаметр условного прохода, мм	25
Температура окружающей среды,°С	От - 50 до +70
Тип клапана	Регулирующий
Пропускная характеристика	Линейная
Материал корпуса клапана	Сталь 20
Пропускная способность Kv (при рабочих условиях), не менее, м³/ч	0,25
Тип датчика сигнализации положения	токовый, 4…20 мА
Тип привода	Электрический
Вид климатического исполнения клапана	УХЛ 1
Вид климатического исполнения электропривода	УХЛ 1
Степень защиты клапана	IP 68
Степень защиты электропривода	IP 68
Питание электропривода	220В 50 Гц
Взрывозащита электропривода	1ExdIIAT5

Далее рассмотрим клапан регулирующий КР-1 с электроприводом Regada ST mini. Клапан представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Внешний вид регулирующего клапана КР-1 с электроприводом Regada ST mini

Клапаны регулирующие электрическим приводом КР-1 предназначены для регулирования расхода жидких, паро- и газообразных сред, неагрессивных к материалам клапана.

Регулирующий клапан КР-1 состоит из корпуса со стандартизованным фланцевым соединением, внутри которого смонтирован регулирующий орган и исполнительный механизм. Исполнительный механизм включает электродвигатель, редуктор, обеспечивающий ручной привод, и реечный блок. На входе клапанов КР-1 обычно устанавливаются сетчатые фильтры, обеспечивающие их защиту от преждевременного выхода из строя.

Клапаны регулирующие КР-1 имеют исполнительные механизмы, обеспечивающие их функционирование в ручном и, при наличии блока автоматики, в автоматическом режимах. Для привода исполнительного механизма кранов применяется электропривод Regada ST mini (Словакия) или. Управление электроприводом осуществляется от переменного напряжения однофазной сети 220 В (50 Гц). Регулирование расхода циркулирующей среды осуществляется за счет перемещения в нужном направлении штока на номинальное значение с помощью электродвигателя привода.

Клапаны регулирующие КР-1 имеют, как правило, большое число конструктивных исполнений в зависимости от функционального предназначения. При этом детали корпусов изготавливаются из чугуна, стали или нержавеющей стали. Клапан обычно изготавливается из стали коррозионно-стойкой 20×13, а стакан из бронзы ОЗЦ7С5Н1. Типы фланцевых соединений и материалы прокладок определяются коррозионными свойствами циркулирующей среды, рабочим давлением и температурой от 0 до 180 °С при температуре окружающего воздуха от минус 10 до 50 °С.

Технические характеристики клапана КР-1 с электроприводом Regada ST mini приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Характеристика клапана КР-1 с электроприводом Regada ST mini

Характеристика	Значение
Рабочая среда	Газ
Диаметр условного прохода, мм	25
Температура окружающей среды,°С	От - 10 до +50
Тип клапана	Регулирующий
Пропускная характеристика	Линейная
Материал корпуса клапана	Сталь 20Л
Пропускная способность Kv (при рабочих условиях), не менее, м³/ч	0,25
Тип датчика сигнализации положения	токовый, 4…20 мА
Тип привода	Электрический
Вид климатического исполнения клапана	УХЛ 1
Вид климатического исполнения электропривода	УХЛ 1
Степень защиты клапана	IP 66
Степень защиты электропривода	IP 67
Питание электропривода	220В 50 Гц
Взрывозащита электропривода	1ExdIIAT4

Следующим рассмотрим регулирующий клапан РУСТ 520-2 с электроприводом AUMA SARExC 07.1. Клапан представлен на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Внешний вид регулирующего клапана РУСТ 520-2 с электроприводом AUMA SARExC 07.1

Данные клапаны комплектуются электроприводами как отечественных, так и зарубежных производителей: «AUMA» (Германия), «Schiebel» (Австрия), «Rotork» (Великобритания), BIFFI (Италия), «ЗЭиМ» (Россия, г.Чебоксары), «Сибирский машиностроитель» (Россия, г.Томск), «Томская электронная компания» (Россия, г.Томск) и др. Электроприводы предназначены для управления с заданными параметрами движения рабочими органами клапанов, эксплуатируемых на объектах нефтяной и газовой промышленности, а также нефтехимических, химических и других производствах, в том числе во взрывоопасных зонах.

Электроприводы обеспечивают выполнение следующих функций:

- открытие-закрытие с автоматическим отключением по концевым или моментным датчикам;

локальное управление клапаном с местного пульта или при помощи ручного дублера;

автоматическое выключение ручного дублера при запуске электродвигателя;

указание положения выходного звена на местном механическом указателе положения.

температурная защита электродвигателя;

работа при низких температурах с подогревом элементной базы приводного модуля электропривода при помощи обогревателя и других средств;

автоматическое отключение электродвигателя по сигналам устройства ограничения усилия при превышении допустимых нагрузок на выходном звене электропривода в любом промежуточном положении запорного устройства арматуры и при его достижении крайних положений;

контроль положения выходного звена электропривода при помощи датчика положения;

формирование унифицированного токового сигнала 4-20 мА от датчика положения выходного звена электропривода;

сохранение положения клапана при потере электропитания;

режим НО, НЗ или сохранение положения клапана при потере сигнала управления.

Рассматриваемой моделью является РУСТ 520-2 Ду 15 с электроприводом AUMA SARExC 07.1.

Таблица 2.7 - Характеристика клапана РУСТ 520-2 с электроприводом AUMA SARExC 07.1

Характеристика	Значение
Рабочая среда	Газ
Диаметр условного прохода, мм	25
Температура окружающей среды,°С	От - 30 до +70
Тип клапана	Регулирующий
Пропускная характеристика	Линейная
Материал корпуса клапана	Сталь 20
Пропускная способность Kv (при рабочих условиях), не менее, м³/ч	0,25
Тип датчика сигнализации положения	токовый, 4…20 мА
Тип привода	Электрический
Вид климатического исполнения клапана	УХЛ 1
Вид климатического исполнения электропривода	УХЛ 1
Степень защиты клапана	IP 66
Степень защиты электропривода	IP 67
Питание электропривода	220В 50 Гц
Взрывозащита электропривода	1ExdIIAT4

Сведем данные по удовлетворяющим требованиям регулирующим клапанам в единую таблицу и выберем из них наилучший вариант для решения задач в данном дипломном проекте. Обобщенные данные представлены в Таблице 2.8. Учитывая, что параметры регулирующих клапанов варьируются в пределах модельного ряда, в таблице представлены конкретные модели, отобранные на предыдущем этапе.

Таблица 2.8 - Обобщенные данные по рассмотренным регулирующим клапанам

Характеристика	КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM		КР-1 с электроприводом Regada ST mini		РУСТ 520-2 с электроприводом AUMA SARExC 07.1
Рабочая среда	Газ		Газ		Газ
Диаметр условного прохода, мм	25		25		25
Температура окружающей среды,°С	От - 50 до +70		От - 10 до +50		От - 30 до +70
Тип клапана		Регулирующий		Регулирующий	Регулирующий
Пропускная характеристика		Линейная		Линейная	Линейная
Материал корпуса клапана		Сталь 20		Сталь 20Л	Сталь 20
Пропускная способность Kv (при рабочих условиях), не менее, м³/ч		0,25		0,25	0,25
Тип датчика сигнализации положения		токовый, 4…20 мА		токовый, 4…20 мА	токовый, 4…20 мА
Тип привода		Электрический		Электрический	Электрический
Вид климатического исполнения клапана		УХЛ 1		УХЛ 1	УХЛ 1
Вид климатического исполнения электропривода		УХЛ 1		УХЛ 1	УХЛ 1
Степень защиты клапана		IP 68		IP 66	IP 66
Степень защиты электропривода		IP 68		IP 67	IP 67
Питание электропривода		220В 50 Гц		220В 50 Гц	220В 50 Гц
Взрывозащита электропривода		1ExdIIAT5		1ExdIIAT4	1ExdIIAT4

По данным таблицы 2.8 видно, что все выбранные клапаны удовлетворяют требования, однако клапан КМР-Э с электроприводом фирмы AUMA NORM рассчитан на эксплуатацию при более низкой температуре окружающей среды по сравнению с остальными клапанами. Также у этого клапана лучшая степень защиты от попадания пыли и влаги (IP68) и он обладает лучшей взрывозащитой электропривода в отличие от двух других клапанов.

2.4 Выбор устройств контроля и управления

Учитывая многообразие возможных вариантов реализации управления, рассмотрим три варианта с использованием контроллеров различных производителей, позволяющих построить различные по сложности, перспективам расширения и количеству дополнительного оборудования системы управления.

Принимая во внимание малое количество каналов ввода-вывода, выбор будем производить среди контроллеров для малых систем автоматизации.

Рассмотрим контроллер ADVANTECH серии ADAM-5000. Контроллеры ADVANTECH серии ADAM-5000 предназначены для построения территориально-распределенных систем сбора данных и управления. Рассмотрим из этой серии контроллер ADAM-5000L/TCP. Учитывая, что необходимые в дипломном проекте средства коммуникации расположены в самом базовом модуле, произведем выбор модуля ввода аналоговых сигналов, модуля ввода дискретных сигналов и модуля вывода дискретных сигналов.

Внешний вид контроллера ADAM-5000L/TCP с модулями ADAM-5017 и ADAM-5050 показан на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Внешний вид контроллера ADAM-5000L/TCP с модулями ADAM-5017 и ADAM-5050

В качестве данных модулей выберем ADAM-5017 (8-ми канальный модуль аналогового ввода) и ADAM-5050 (модуль дискретного ввода/вывода, 16 универсальных каналов).

Технически характеристики контроллера ADAM-5000L/TCP с модулями ADAM-5017 и ADAM-5050 приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Технические характеристики контроллера ADAM-5000L/TCP

Техническая характеристика		Значение
Напряжение питания, В		24 DC
Степень защиты корпуса		IP20
Температурный режим эксплуатации, ºС		-10…70
Центральный процессор		32-х разрядный RISC процессор
Операционная система		Real-time OS
Объем оперативной памяти		4 МБ
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ		512 кБ
Количество аналоговых входов (модуль ADAM-5017), шт.	8
Количество дискретных входов/выходов (модуль ADAM-5050), шт.	16 (универсальных каналов)
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	1хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	ModBus RTU/ TCP

Далее рассмотрим контроллер WinPAC 8441. Модульный программируемый контроллер на базе ОС Windows CE 5.0 с 4 слотами расширения для модулей серий I-8K/I-87K. Учитывая, что необходимые в дипломном проекте средства коммуникации расположены в самом базовом модуле, произведем выбор модуля ввода аналоговых сигналов, модуля ввода дискретных сигналов и модуля вывода дискретных сигналов.

В качестве данных модулей выберем I-8017 (4-канальный модуль аналогового вывода) и I-8054 (модуль дискретного 8-канального ввода и 8-канального вывода).

Внешний вид контроллера WP - 8441 с модулями I-8017 и I-8054 показан на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Внешний вид контроллера WP - 8441 с модулями I-8017 и I-8054

Технически характеристики контроллера WP - 8441 с модулями I-8017 и I-8054 приведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 - Технические характеристики контроллера WP - 8441 с модулями I-8024 и I-8054

Техническая характеристика	Значение
Напряжение питания, В	24 DC
Степень защиты корпуса	IP20
Температурный режим эксплуатации, ºС	-25…75
Центральный процессор	32-х разрядный PXA270 520 МГц
Операционная система	Windows CE
Объем оперативной памяти	128 МБ
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ	96 Мб + 1 Гб внешней
Количество аналоговых входов (модуль I-8017), шт.	4
Количество дискретных входов/выходов (модуль I-8054), шт.	8 каналов ввода и 8 каналов вывода
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	2хEthernet 100BaseT, 1хUSB1.1, 2хRS-232, 1хRS-232/485, 1хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	Modbus RTU/ASCII/TCP

Последним рассмотрим контроллер МФК1500. МФК1500 в линейке оборудования ТЕКОН позиционируется как контроллер среднего класса. Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов среднего и высокого уровня сложности и может применяться как в составе централизованных, так и распределенных систем управления.

МФК1500 имеет распределенную архитектуру и модульную конструкцию. Один контроллер может включать несколько шасси на 4, 8 и 16 посадочных мест. В составе одного контроллера могут использоваться до 64 модулей ввода/вывода. Архитектура контроллера МФК1500 имеет дублированную систему питания, состоящую из двух шин, подключенных к двум источникам питания. Источники питания могут быть подключены к сети переменного тока напряжением от 93 до 240 В или постоянного тока напряжением от 100 до 240 В. Таким образом можно обеспечить питание контроллера от двух фидеров питания как переменного, так и постоянного тока. Выход из строя любого источника питания или короткое замыкание одной из шин 24 В не приводит к отказу контроллера, равно как и короткое замыкание питания на модуле.

Дублированная внутренняя шина данных МФК1500 разрешает многомастерную работу. Это позволяет при фиксированном цикле опроса всех модулей выделять отдельные сигналы в особый тип инициативных сообщений. При изменении таких сигналов модули УСО сами передают в ЦП данные измененных каналов, что позволяет повысить быстродействие системы защит при сохранении общего цикла опроса модулей УСО. Протокол обмена обеспечивает гарантированное время доставки как инициативных сообщений от модулей ввода/вывода к ЦП, так и сообщений от ЦП к самим модулям УСО. Любой модуль может передавать инициативные сообщения как по результатам диагностики, так и по факту изменения входного сигнала. Гарантированное время доставки инициативных сообщений зависит от общего количества модулей и составляет от 1 мс до 6 мс (6 мс - для контроллера, состоящего из 64 модулей).

Базовым СПО контроллеров ТЕКОН является СПО TeNIX®, включающее ядро многозадачной ОС Linux с драйверами и файловой системой, а также подсистему ввода/вывода, взаимодействующую со встроенным программным обеспечением модулей УСО. СПО TeNIX® контроллеров МФК1500 имеет удобное встроенное средство конфигурирования, тестирования, и мониторинга состояния ресурсов контроллера - программу TUNER (рис. 5). Программа TUNER имеет пользовательский Web-интерфейс. Доступ к программе TUNER осуществляется по протоколу TCP/IP при использовании любого графического Internet браузера современных операционных систем: Internet Explorer, Opera, Netscape, Mozilla, Google Chrome и т.д.

Учитывая, что необходимые в дипломном проекте средства коммуникации расположены в самом базовом модуле, произведем выбор модуля ввода аналоговых сигналов, модуля ввода дискретных сигналов и модуля вывода дискретных сигналов.

В качестве данных модулей выберем AI4 (4-канальный модуль аналогового вывода), DI16 (16-канальный модуль ввода дискретных сигналов) и DO16 (16-канальный модуль вывода дискретных сигналов).

Внешний вид контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16 показан на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Внешний вид контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16

Технические характеристики контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16 в таблице 2.12.

Таблица 2.11 - Технические характеристики контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16

Техническая характеристика	Значение
Напряжение питания, В	24 DC, 220 AC
Степень защиты корпуса	IP20
Температурный режим эксплуатации, ºС	-40…60
Центральный процессор	INTEL XScale® 533 МГц
Операционная система	ОС Linux
Объем оперативной памяти	64 Мб
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ	32 Мб
Количество аналоговых входов (модуль AI4), шт.	4
Количество дискретных входов (модуль DI16), шт.	16
Количество дискретных выходов (модуль DO16), шт.	16
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	2хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	Modbus TCP/RTU/ASCI

Сведем данные по удовлетворяющим требованиям к контроллерам в единую таблицу и выберем из них наилучший вариант для решения задач в данном дипломном проекте. Обобщенные данные по рассмотренным контроллерам представлены в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Обобщенные данные по рассмотренным контроллерам

Техническая характеристика	ADAM-5000L/TCP	МФК1500
Напряжение питания, В	24 DC	24 DC	24 DC, 220 AC
Степень защиты корпуса	IP20	IP20	IP20
Температурный режим эксплуатации, ºС	-10…70	-25…75	-40…60
Центральный процессор	32-х разрядный RISC процессор	32-х разрядный PXA270 520 МГц	INTEL XScale® 533 МГц
Операционная система	Real-time OS	Windows CE	ОС Linux
Объем оперативной памяти	4 МБ	128 МБ	64 Мб
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ	512 кБ	96 Мб + 1 Гб внешней	32 Мб
Количество аналоговых входов (модуль AI4), шт.	8	4	4
Количество дискретных входов (модуль DI16), шт.	16 (универсальных каналов)	8	16
Количество дискретных выходов (модуль DO16), шт.		8	16
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт	сухой контакт	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор	24 DC, открытый коллектор	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	1хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485	2хEthernet 100BaseT, 1хUSB1.1, 2хRS-232, 1хRS-232/485, 1хRS-485	2хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	ModBus RTU/ TCP	Modbus RTU/ASCII/TCP	Modbus TCP/RTU/ASCI

По данным таблицы 2.12 видно, что все выбранные контроллеры удовлетворяют требованиям, но я выбрал контроллер WinPAC 8441, потому что у него имеется большее количество поддерживаемых интерфейсов, имеется USB-интерфейс, у других контроллеров его нет, также у него больший объём оперативной памяти и энергонезависимой памяти, по сравнению с другими выбранными контроллерами.

2.5 Обоснование и выбор способа повышения надёжности АСУТП

Надежность является одним из важнейших требований к системам АСУ ТП и АСУП. Надежность - это свойства сохранять во времени значения всех параметров и выполнять требуемые функции в заданных условиях применения.

Обеспечение необходимого уровня надежности требует проведения специального комплекса работ, выполняемых на разных стадиях создания и эксплуатации АСУ ТП.

Для обеспечения уровня надежности АСУ ТП необходимо учитывать следующие особенности:

АСУ ТП является многофункциональной системой, функции которой имеют различную значимость и, соответственно, характеризуются разным уровнем требований надежности их выполнения;

в работе АСУ ТП участвуют различные виды обеспечения, в том числе так называемый «человеческий фактор», который может в существенной степени влиять на уровень надежности в АСУ ТП;

в состав АСУ ТП входит большое количество разнородных элементов (включая технологический и эксплуатационный персонал).

Эффективным методом повышения надежности является диагностический и эксплуатационный методы, которые позволяет предупреждать отказы оборудования, основываясь на прогнозировании моментов их появления. Для этого используют резервирование.

Резервирование - метод повышения надёжности технических устройств или систем. Основной целью резервирования в АСУТП является обеспечение высокого коэффициента готовности системы, т.е. вероятности того, что она окажется работоспособной в произвольный момент времени, кроме запланированных периодов регламентированного обслуживания.

В основе метода резервирования лежит очевидная идея замены отказавшего элемента исправным, находящимся в резерве. Для реализации идеи необходимо обеспечить минимальное время перехода на резерв и минимальную стоимость оборудования при заданной вероятности безотказной работы в течение определенного времени (наработки). Наработкой называется продолжительность работы объекта, выражаемая в единицу времени или количества циклов. Различают наработку до отказа (MTTF, англ. Mean time to failure) от начала эксплуатации до первого отказа и наработку между отказами (MTBF, англ.Mean time between failures) от начала работы после ремонта до очередного отказа. Используют среднее значение этих величин. Среднюю наработку между отказами называют наработкой на отказ.

Резервирование может быть как общим, когда резервируется вся система в целом, так и раздельным (поэлементным). Для повышения надежности АСУ, разрабатываемой в данном дипломном проекте, целесообразно применить раздельное резервирование в силу его меньшей затратности, а также большему снижению вероятности отказа всей системы по сравнению с общим (маловероятно, что откажут одновременно и основной элемент, и его резерв).

Резервировать следует элементы, имеющие либо самую низкую надежность (наименьшую вероятность безотказной работы P(t) или наибольшую интенсивность отказов ), либо элементы, чей отказ наиболее критичен для выполнения системой своих функций. В соответствии с требованиями международного стандарта МЭК 61508, посвященного вопросам функциональной безопасности программируемых электронных систем, в обязательном порядке выполняется резервирование процессорного модуля с модулями ввода-вывода (контроллера), блока питания контроллера, а также промышленных сетей.

Резервирование будем производить с кратностью 1:1, т.е. осуществим дублирование, поскольку кратность 2:1 (троирование) является излишним для обсуживаемых систем, где целью является обеспечение непрерывности управления или увеличение коэффициента готовности, а не собственно увеличение вероятности безотказной работы.

Использование резервного контроллера целесообразно производить в качестве нагруженного («горячего») резерва.

Для обеспечения безотказной работы системы управления предусмотреть необходимый уровень резервирования элементов:

100% резервирование контроллеров подсистемы контроля и управления;

100% резервирование логических контроллеров подсистемы ПАЗ;

100% резервирование блоков питания в шкафах подсистемы контроля и управления;

100% резервирование блоков питания в шкафах подсистемы ПАЗ;

100% резервирование входов/выходов ПАЗ;

два раздельных ввода питания 220 В, 50 Гц для каждого шкафа АСУТП.

Система должна сохранять возможность выполнения основных функций при выходе из строя отдельных элементов и их замене в горячем режиме (on-line) без отключения всей системы и без остановки технологического процесса. Автоматическое переключение на резервные устройства должно быть безударным.

Отказы основного контроллера выявляются в процессе постоянного тестирования и обмена информацией с АРМ оператора. Тестирование заключается в выполнении программы самодиагностики на каждом программном цикле. Тестированию подлежат следующие компоненты и функции:

ядро центрального процессора (математические операции АЛУ);

ОЗУ контроллера (ошибки четности и контрольной суммы);

флэш-память и целостность программ в ней (контрольная сумма программы);

шины ввода/вывода.

При обнаружении любых неисправностей, выходы основного контроллера (и модуля вывода по его команде) переводятся в безопасное состояние. Далее происходит запуск и инициализация резервного контроллера и далее управление осуществляется им, неисправный контроллер отключается и подлежит замене (ремонту).

Обнаружение ошибок при диагностике и переход на резервный контроллер фиксируется в журнале операций и выводится на АРМ оператора. Дополнительная безопасность обеспечивается модулем вывода, который при обнаружении отсутствия связи с контроллером управления в течение некоторого времени также переводит свои выходы в безопасное состояние.

Под безопасным состоянием подразумевается состояние выходов контроллера, при котором подключенные к ним исполнительные механизмы находятся в состоянии, наиболее безопасном для объекта управления, не приводящим к его поломке. Регулирующие и отсечные клапаны при исчезновении (отключении) управляющего сигнала должны занимать безопасное для технологического процесса положение в соответствии с требованиями технологического регламента.

При отказе в работе измерительного преобразователя, участвующего в контуре регулирования и характеризующегося недостоверным сигналом, поступающим в систему, должно быть предусмотрено удержание выходного сигнала на исполнительный механизм на предыдущем уровне.

В системе должна быть предусмотрена возможность хранения базы данных и файлов конфигурации системы на внешнем носителе информации и оперативной загрузки их в Систему.

Надежность технических средств и программного обеспечения, предназначенных для реализации каждой из функций системы, должна обеспечивать в совокупности выполнение требований по надежности функций:

среднее время безотказной работы не менее 40 000;

среднее время восстановления не более 0,2 часа.

Вероятность безотказной работы программного обеспечения переключения (драйвер резервирования) и шины обмена данными будем считать равными единице (абсолютно надежными).

Следует отметить, что дублирование контроллера подразумевает также и дублирование его блока питания.

Надежность выполнения функций на стадиях проектирования оценивается расчетным методом по характеристикам элементов, участвующих в реализации функций. На стадии внедрения надежность оценивается по фактическим статистическим данным по сбоям и отказам функций системы.

Требуемый уровень надежности некоторых элементов системы можно добиться, своевременно проводя техническое обслуживание, ремонт оборудования и сетей, а также поверку средств измерений.

В процессе технического обслуживания выполняются следующие работы: внешний осмотр, соблюдение условий эксплуатации, целостность оборудования и подключенных к ним кабелей, наличие заземления, наличие пломб, производится удаление загрязнений (пыль, грязь), проверка работоспособности оборудования, проверка сопротивления изоляции кабелей.

Ремонт оборудования совмещают с планово-предупредительным ремонтом (ППР) технологической установки. В ходе ремонта производится разборка оборудования, замена деталей и узлов оборудования, выработавших свой ресурс, (например замена чувствительных элементов датчиков, замена литиевых батареек), чистка клапанов, протяжка всех клеммных соединений (в датчиках, клеммных коробках, клапанах, в операторной в шкафах управления), замена металлорукава на всех кабелях находящихся на территории технологической установки. Также во время ремонта должны быть проделаны все работы, которые осуществляются в процессе технического обслуживания.

Для повышения надежности работы приборов и датчиков применяют конструктивно-технологические методы.

Конструктивно-технологические методы повышения надежности включают в себя следующее:

ослабление механических напряжений в наиболее нагруженных элементах конструкции (упругих элементах, опорах, шарнирах и т. п.). С целью увеличения запасов прочности расчет механических напряжений должен вестись с учетом инерционных сил, возникающих при воздействиях вибрации, ударов и т. п. Если нагрузка носит периодический характер, то особое, внимание нужно обратить на исключение резонансных явлений, так как механический резонанс деталей часто приводит к их поломке;

ослабление режимов работы электрических элементов (сопротивлений, конденсаторов, полупроводников и др.). Это достигается недогрузкой элементов по рассеиваемой мощности, по падению напряжения, по силе тока по сравнению с номинальными значениями, установленными для данного элемента. Применение ослабленных режимов является одним из наиболее эффективных способов повышения надежности электрических элементов. Выигрыш в надежности определяется степенью снижения эксплуатационных коэффициентов;

ослабление тепловых режимов работы как механических, так и электрических элементов. В электрических элементах высокие температуры способствуют уменьшению сопротивления изоляции, возникновению пробоя и изменению физических характеристик. Ослабление тепловых режимов электрических элементов достигается ослаблением режимов их работы и тем самым уменьшением количества тепла, выделяемого самими элементами;

разгрузка мест пайки. Многие приборы и датчики содержат электронные схемы с большим числом соединений. Соединения, выполняемые посредством пайки или сварки, являются одним из слабых мест и при вибрации могут разрушаться. Необходимо разгружать места пайки путем укрепления проводников; наилучший результат дает закрепление проводника в непосредственной близости от места пайки. Надежность пайки существенно повышается при переходе на печатные схемы. Еще больший эффект дает замена паяных соединений сварными, но так же, как и при пайке, необходимо место сварки разгружать. Одним из современных способов разгрузки мест пайки и сварки является заливка электронных узлов изоляционным материалом (пенполиуретаном или др.);

защита от воздействия пониженного давления, влаги, песка, пыли. Наиболее эффективным способом защиты, широко применяемых в современных приборах и датчиках, является герметизация корпуса. Особенно эффективна герметизация в сочетании с заполнением внутренней полости инертным газом или жидкостью.

3. Расчет системы автоматического управления

3.1 Разработка функциональной и структурной схемы системы автоматизации

Регулирование давления водорода осуществляется за счет изменения положения штока клапана с плунжером.

В состав системы регулирования давления водорода входят: ИП - интеллектуальный позиционер в составе блока управления электроприводом клапана, МР - мотор-редуктор (электропривод с редуктором), Ш - шток, КЛ - клапан регулирования давления.

Рассмотрим параметры процесса для конкретного технологического режима. Параметры приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры технологического режима

Параметр	Значение
Давление водорода, кг/см2 - максимальный - условно-номинальный	36 30
Положение (ход) штока, мм - при максимальном давлении - при условно-номинальном давлении	16 13,33
Время полного хода штока (на 16 мм), с	36

Таким образом, функциональную схему объекта управления можно представить как показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема объекта управления

Выходным сигналом интеллектуального позиционера (ИП) является заданное положение штока клапана G_sp, выраженное в миллиметрах пропорциональное амплитуде управляющего сигнала (u): максимальному уровню управляющего сигнала 10В (входное значение) соответствует заданное положение (перемещение) штока (G_sp) на 16 мм.

Выходной координатой мотор-редуктора МР является скорость вращения вала s червячной передачи, приводимой в движение мотор-редуктором. Поскольку определяющее значение имеет положение штока с плунжером, определяемое имеющимся люфтом и шагом передачи при номинальных оборотах, данный элемент в структурной схеме учитывает инерционность электропривода и выборку люфта при разгоне именно до номинальных оборотов (условно принятых за единицу), а не конкретное значение скорости вращения.

Выходной координатой штока (Ш), приводимого в движение мотор-редуктором (МР), является фактическое положение штока в миллиметрах (G_pv).

Выходной координатой клапана является давление водорода (Р), пропорциональный открытию клапана, т.е. фактическому положению штока с плунжером (G_pv).

Поскольку интеллектуальный позиционер представляет собой, по сути, вычислительное устройство, предназначенное для формирования задания по положению штока в зависимости от входного сигнала управления, он может быть описан передаточной функцией безынерционного звена W(s)=K.

Произведем расчет параметров передаточной функции интеллектуального позиционера. Коэффициент передачи (передаточную функцию) определим по формуле (3.1).

(3.1)

где G_sp - заданное положение штока в процентах;

u - управляющий сигнал (напряжение).

Передаточную функцию мотор-редуктора, равно как и передаточные функции клапана представим как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида (3.2).

(3.2)

где K - коэффициент передачи объекта;

Т - постоянная времени объекта.

Рассчитаем параметры передаточной функции мотор-редуктора. Как было отмечено выше, данный элемент учитывает инерционность электропривода и выборку люфта при разгоне именно до номинальных оборотов (условно принятых за единицу), а не конкретное значение скорости вращения вала. Таким образом, K_мр=1. Постоянную времени мотор-редуктора можно определить приблизительно как треть времени выхода на номинальные обороты с данной нагрузкой. Отсюда Т_мр=0,11с.

В результате передаточная функция мотор-редуктора примет вид (3.3)

(3.3)

Рассчитаем параметры передаточной функции штока. Данный элемент может быть описан передаточной функцией идеального интегрирующего звена вида (3.4).

(3.4)

где Т_ш - постоянная времени штока, определяемая из паспортного значения времени полного хода штока.

Поскольку Т_ш=36с (см. табл. 3.1), передаточная функция штока примет вид (3.5).

(3.5)

Рассчитаем параметры передаточной функции клапана. Коэффициент передачи определим по формуле (3.6).

(3.6)

где Р - давление на выходе клапана;

G_pv - положение штока в миллиметрах.

Принимая постоянную времени клапана равной 8 секундам, получим передаточную функцию данного элемента (3.7).

(3.7)

На основании функциональной схемы (рисунок 3.1) построим структурную схему (рисунок 3.2), содержащую все функциональные элементы системы регулирования давления водорода в рабочей емкости

Рисунок 3.2 - Структурная схема объекта управления

На основании структурной схемы разработаем модель в приложении Siumulink пакета MatLab (рисунок 3.3) и произведем ее исследование.

Рисунок 3.3 - Модель разомкнутой системы в MatLab

Рисунок 3.4 - Настройка блока Saturation

Графики переходных процессов элементов системы показаны на рисунках 3.5 - 3.6. Для проверки работы модели в определенных регламентом технологических режимах введем ограничение (Saturation) по положению штока клапана в виде 13,33 мм (рисунок 3.4), соответствующее номинальному давлению водорода 30 кг/см2 (см. таблицу 3.1).

По графикам переходных процессов (рисунок 3.5-3.6) можно сделать вывод о том, что все параметры технологического процесса и полученная нами модель эквивалентны объекту автоматизации и его технологическим режимам. Удаление ограничения приводит к отклонению давления водорода, т.е. система нуждается в регуляторах, обеспечивающих стабилизацию технологических параметров в соответствии с заданием.

Рисунок 3.5 - Переходный процесс по перемещению штока клапана

Рисунок 3.6 - Переходный процесс по давлению водорода

3.2 Описание методики и расчет параметров настройки регулятора

В состав системы регулирования входят два контура:

контур регулирования положения штока клапана с плунжером;

контур регулирования давления водорода в рабочей емкости.

Как показывает практика построения систем автоматического регулирования, для систем, содержащих несколько контуров регулирования, целесообразно применение подчиненного регулирования координат.

Применение подчиненного регулирования координат в рассматриваемом случае позволит повысить надежность системы, поскольку при разрыве внутреннего контура, например, вследствие обрыва кабель-трассы датчика, регулятор внешнего контура сыграет роль компенсатора и не позволит переходному процессу выйти из-под контроля. Кроме того, применение каскадного регулирования улучшает динамические показатели системы за счет превентивной отработки возмущений по положению штока, не допуская влияния их на давление водорода.

Проведём синтез регуляторов с подчиненным регулированием координат, и будем настраивать контуры регулирования на желаемый вид апериодического звена. При настройке на апериодическое звено перерегулирование должно отсутствовать.

Предварительно определим значения коэффициентов перегрузки, учитывая данные по номинальных и максимальным значениям выходных координат контуров, представленным в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Коэффициенты перегрузки и данные для их расчета

	Положение штока, мм	Давление водорода, кг/см²
Номинальное значение	13,33	30
Максимальное значение	16	36
Коэффициент перегрузки,%	20%	20%

Контур регулирования положения штока клапана включает в себя интеллектуальный позиционер, мотор-редуктор и шток. Выходной координатой у этого контура является положение штока в миллиметрах.

Номинальное задающее напряжение равно (3.8).

(3.8)

Произведём расчет регулятора для контура положения штока клапана. Схема контура регулирования положения штока клапана показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема контура регулирования положения штока

Коэффициент обратной связи контура регулирования положения штока равен (3.9).

(3.9)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования положения штока равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (3.10).

, (3.10)

(3.11)

где с.

, (3.12)

, (3.13)

(3.14)

Исходя из формулы (3.10) находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования положения штока с плунжером (3.15).

(3.15)

Поскольку порядок числителя больше порядка знаменателя, домножим знаменатель на скобку (0,001s+1). В результате передаточная функция регулятора для контура регулирования положения штока с плунжером (3.16).

(3.16)

Рассчитаем регулятор для контура регулирования давления водорода. Данный контур включает в себя интеллектуальный позиционер, шток, приводимый в движение мотор-редуктором и клапан. Выходной координатой контура является давление водорода.

Номинальное задающее напряжение равно (3.17).

(3.17)

Схема контура регулирования давления водорода показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Схема контура регулирования давления водорода

Коэффициент обратной связи контура регулирования давления водорода равен (3.18).

(3.18)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования давления водорода равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (3.19).

, (3.19)

(3.20)

где с.

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

Применяя формулу (3.22) находим исходную передаточную функцию контура регулирования давления водорода (3.25).

(3.25)

Отсюда по формуле (3.19) находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования давления водорода (3.26).

(3.26)

Проведем эксперимент на основе полученных расчетных данных. Для этого соберем модели замкнутых контуров системы автоматического управления в Simulink и определим соответствие показателей качества процесса начальным требованиям.

Модель замкнутого контура регулирования положения штока представлена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Модель замкнутого контура регулирования положения штока

Поскольку в контуре присутствует регулятор, ограничитель хода штока можно убрать.

Рисунок 3.10 - График переходного процесса по контуру регулирования положения штока

Из графика переходного процесса (рисунок 3.10) видно, что установившееся значение равно 13,33 мм. Перерегулирование, как и следует, отсутствует.

Модель замкнутого контура регулирования давления водорода представлена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Модель замкнутого контура регулирования давления водорода

Рисунок 3.12 - График переходного процесса по контуру регулирования давления водорода

График переходного процесса по контуру регулирования давления представлен на рисунке 3.12. Из графика переходного процесса видно, что установившееся значение равно 30кг/см². Перерегулирование, как и следует при настройке на апериодическое звено, отсутствует. Как видно из графика, регулятор успешно отрабатывает возмущения.

Задача синтеза регулятора успешно решена.

4. Разработка прикладного программного обеспечения АСУТП

.1 Алгоритмы программ контроля и управления

Разработаем алгоритмы основных программ контроля и управления технологическим процессом. Алгоритм программы регулирования давления водорода в ёмкости Е-4 регулирующим клапаном с электроприводом приведен на рисунке 4.1.

В соответствии с алгоритмом, программа функционирует следующим образом. Входными данными для работы программы являются задание давления водорода (P_SP), параметры настройки ПИД-регулятора (KP, KI, KD) и параметризуемая зона нечувствительности клапана (DB). В качестве входных данных от измерительных преобразователей используются измеренное значение давления водорода (P_PV), и обратная связь по положению штока клапана (POS_PV).

Первоначально определяется рассогласование (∆P) между заданным (P_SP) и измеренным (P_PV) значением давления водорода. Вычисленное значение рассогласования по давлению водорода используется подпрограммой для расчета по ПИД-закону задания по положению штока клапана (POS_SP), т.е. реализовано каскадное регулирование.

По вычисленному на следующем шаге рассогласованию по положению штока клапана (∆POS) как разности между рассчитанным на предыдущем шаге заданном положении (POS_SP) и полученным с датчика положения штока клапана значении (POS_PV), определяется необходимость включения электропривода и направление вращения его ротора, т.е. перемещения штока (OPN, CLS), с учетом зоны нечувствительности привода (DB). В случае если рассогласование по положению штока меньше зоны нечувствительности клапана, включения электропривода не происходит (OPN=0, CLS=0). В противном случае при отрицательном рассогласовании происходит закрытие клапана (OPN=0, CLS=1), а при положительном - открытие (OPN=1, CLS=0).

Таким образом, выходными сигналами программы являются команды управления электроприводом клапана OPN (открытие) и CLS (закрытие), т.е. реализуется трехпозиционное управление исполнительным устройством.

4.2 Разработка человеко-машинного интерфейса

Человеко-машинный интерфейс (HMI, ЧМИ) является средством организации взаимодействия между человеком и АСУТП. Главными требованиями к интерфейсу являются простота, информативность, защита от несанкционированных действий (авторизация доступа), а также выдача запросов подтверждения на действия потенциально опасного характера.

В большинстве своем человеко-машинный интерфейс содержит стандартные графически элементы: тренды, ползунки, кнопки, статические и динамические текстовые элементы и т.д.

В разработанном проекте человеко-машинный интерфейс представлен одним экраном (рисунок 4.2), на котором изображены: основная мнемосхема процесса регулирования давления водорода в ёмкости Е-4, уставка по давлению водорода и тренд (график изменения давления водорода в ёмкости Е-4).

На экране отображается мнемосхема процесса, его основные параметры и состояние устройств. Мнемосхема снабжена поясняющей анимацией.

Состояние исполнительных устройств отображается с помощью динамизации цветом. Для этого задается свойство «Базовый цвет» с видом индикации «Arg=Конст» и константой «1».

Для выполнения статических надписей и отображения численных значений параметров используется ГЭ «Текст» с настраиваемым одноимённым свойством. В последнем случае указывается вид индикации «Значение» и выполняется привязка к соответствующему аргументу.

Рисунок 4.1 - Основная мнемосхема процесса регулирования давления водорода в ёмкости Е-4

Сигнализация отклонения от уставки по давлению водорода выполняется анимационным клипом типа «Сигнальная лампа».

На экране параметров настройки регулятора имеются статические и динамические элементы «Текст», куда можно ввести соответствующие значения уставок по давлению водорода в ёмкости Е-4. Введенные значения отображаются в этих же графических элементах.

Для ГЭ «Текст», служащего для ввода значений, настраивается свойство «mousePressed», для которого задается тип передачи «Ввести и передать» с привязкой к соответствующему аргументу.

Экран «Тренд» содержит одноименный графический элемент, предназначенный для визуализации динамики изменения давления водорода в ёмкости Е-4.

Основными настраиваемыми свойствами данного ГЭ являются свойства кривых на одноименной вкладке, а именно цвет, толщина линии, а остальные свойства остаются без изменений.

4.3 Написание пользовательских программ управления

В составе прикладного программного обеспечения разрабатываемой САР можно выделить программу регулирования давления водорода в ёмкости Е-4 по ПИД-закону клапаном с электроприводом по трехпозиционному закону путем выдачи управляющих сигналов OPN (открытие) и CLS (закрытие) для соответствующего канала управления (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Программа регулирования давления водорода в ёмкости Е-4

Программа функционирует следующим образом. Блок вычитания «X-Y» служит для вычисления рассогласования по давлению водорода в ёмкости Е-4 как заданного (P1_SP) и измеренного его (P1_PV) значений.

Затем, по вычисленному значению рассогласования, блоком ПИД-регулятора «PID» по ПИД закону (4.1) с заданными коэффициентами пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выполняется расчет требуемого положения штока клапана. По умолчанию, выходной сигнал формируется в процентах, поэтому ограничения выходного сигнала: MAX - на максимальное и MIN - на минимальное, в данном случае не задаются.

(4.1)

где i - текущий такт пересчета;, KD и KI - соответственно коэффициенты при пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих;

∆t - период пересчета блока в секундах (длительность такта).

Поскольку блок управления клапаном «KLP» в качестве задания воспринимает процент закрытия клапана, а на выходе регулятора - процент открытия, выполним с помощью блока вычитания «X-Y» расчет задания по проценту закрытия клапана как разности 100% и рассчитанного процента открытия, т.е. рассчитаем заданное положение штока клапана.

Блок KLP предназначен для управления устройством типа «регулирующий клапан». Блок анализирует следующие цифровые сигналы (0 или 1): сигналы концевых выключателей открытия и закрытия, сигнал электрической части (привода) и сигнал о наличии электрического напряжения. Кроме того, блок анализирует аналоговый сигнал в диапазоне 0-100, показывающий реальное положение клапана (0 - полностью открыт, 100 - полностью закрыт).

Вход CMD задает направление движения клапана: положительная величина - открытие, отрицательная - закрытие. При выполнении этих команд на выходе OPN формируется сигнал открытия (значение 1), на выходе CLS - сигнал закрытия (значение 1). В режиме отслеживания неотрицательное значение входа CMD (0-100) задает положение, которое должен занять клапан.

Вход PT используется для задания времени хода клапана (в секундах). Если контроль положения клапана блокирован, блок вычисляет текущее положение клапана и выводит полученное значение на выход Q%L (аналогично ZDV).

На вход CDI подается реальное положение клапана (аналоговый сигнал в диапазоне 0-100, соответствующий проценту закрытия).

На вход IOP подаются следующие сигналы:

бит 0 (0x1) - сигнал концевого выключателя открытия (1 - открыто полностью, 0 - закрыто или открыто не полностью);

бит 3 или 8 (0x8 или 0x100) - сигнал электрической части (привода) (0 - не работает, 1 - работает);

бит 2 или 9 (0x4 или 0x200) - сигнал о наличии напряжения: 0 - норма, 1 - авария).

На вход ICL подаются следующие сигналы:

бит 0 (0x1) - сигнал концевого выключателя закрытия (1 - закрыто полностью, 0 - открыто или закрыто не полностью);

биты 3 и 8 (0x8 и 0x100) - аналоги битов 3 и 8 IOP;

бит 2 или 9 (0x4 или 0x200) - аналоги битов 2 и 9 IOP.

Если на ICL ничего не подано, то ICL = IOP & 6.

Аналогично ZDV, сигналы концевых выключателей имеют более высокий приоритет по сравнению с данными о положении клапана (как вычисленными, так и полученными от устройства).

Таким образом, в программе блок работает в режиме отслеживания - на вход CMD подается требуемый процент закрытия клапана (положение штока). Блок сопоставляет задание с сигналом датчика положения штока GT, подаваемого на вход CDI и сигналами концевых выключателей по положению штока (IOP - клапан открыт, ICL - клапан закрыт) и формирует, исходя из результата, сигналы управления электроприводом клапана - OPN=1 на открытие и CLS=1 - на закрытие. При OPN=1 CLS=0 и наоборот.

Программа сигнализации по отклонению давления водорода в ёмкости Е-4 от задания представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Программа сигнализации по отклонению давления водорода в ёмкости Е-4 от задания

Описание блока больше (>). Если измеренное значение давления водорода в ёмкости больше, чем заданное значение давления водорода, срабатывает сигнализация по превышению - Давление_высокое =1. Если же за допустимые границы значение давления не вышло, данная сигнализация не активна - Давление_высокое =0.

Описание блока меньше (<). Если измеренное значение давления водорода меньше, чем заданное значение давления водорода, срабатывает соответствующая сигнализация - Давление_низкое =1. Если же за допустимые границы значение давления не вышло, данная сигнализация не активна - Давление_низкое =0.

4.4 Конфигурирование информационных потоков

Конфигурирование информационных потоков начнем с создания узлов: RTM - для АРМ оператора и EmbeddedRTM - для PC-based контроллера.

В слое Источники/приемники создадим группу PC-based_контроллеры и затем ОЕМ_WinPAC(WinCon). Переименуем ее в WinPAC-8441. Произведем «установку» в слоты контроллера (рисунок 4.10) модулей I-8017H для приема аналоговых сигналов от датчика давления (PT) и датчика положения штока клапана (GT) и модуль дискретного ввода/вывода I-8054 для приема дискретных входных сигналов от датчиков концевого положения; выдачи дискретных сигналов управления пускателем электропривода клапана и нереверсивным пускателем электродвигателя насоса.

Выполним настройку данных аппаратных тегов в соответствии с документацией и перенесем данные группы тегов в соответствующие узлы, что приведет к созданию в них каналов с привязкой к аппаратным тегам.

Каналы, используемые для обмена данными между контроллером и АРМ оператора (передача уставок, порогов сигнализации и т.д.) создадим методом автопостроения по аргументам экранов и программ.

Аргументы программ с привязками к каналам показаны на рисунке 4.5; аргументы экрана с привязками к каналам - на рисунке 4.6. Порядок сохранен тем же, в котором данные программы и экраны рассматривались в пояснительной записке. Вид навигатора проекта в результате всех выполненных действий показан на рисунке 4.7.

Рисунок 4.4 - Аргументы программ с привязками к каналам

Рисунок 4.5 - Аргументы экранов с привязками к каналам

Рисунок 4.6 - Навигатор проекта

Рисунок 4.7 - Навигатор проекта

Прикладное программное обеспечение разработано. Перейдем к рассмотрению вопросов охраны труда и окружающей среды.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта было осуществлено тщательное изучение технологического процесса подачи рецикла водорода в буферную ёмкость Е-4 установки по производству водорода. Проведенное исследование показало, что в настоящий момент отсутствует регулирование давления водорода в ёмкости Е-4, в связи с чем, было предложено врезать регулирующий клапан с электроприводом, который способен обеспечить надежное, качественное, безопасное и эффективное поддержание требуемых технологических параметров процесса.

Математической основой разработки САР явилось моделирование исходной системы и оценка показателей качества ее функционирования. Учитывая полученные результаты, в дипломном проекте методом подчиненного регулирования был произведен синтез регуляторов для каждого контура и произведен компьютерный эксперимент с моделью скорректированной системы, доказавший эффективность произведенной коррекции.

Для качественного выбора оборудования АСУТП в проекте были сформулированы требования к технологическому оборудованию, а также средствам измерения и управления и на их основе выбраны соответствующие средства автоматизации: датчик давления, управляющий контроллер и регулирующий клапан с электроприводом. Кроме того, с целью повышения надежности функционирования системы было произведено аппаратное резервирование (дублирование) контроллерного оборудования, а именно центрального процессора модулей ввода - вывода, блоков питания и т.д.

Для реализации спроектированной системой функций контроля, управления и регулирования было разработано соответствующее программное обеспечение (проект) в SCADA-системе Trace Mode 6. По предварительно разработанному алгоритму функционирования на языке FBD международного стандарта МЭК 61131-3 были созданы управляющие и регулирующие программы. Диспетчерский контроль и управление были реализованы в виде экрана оператора с мнемосхемой процесса, средствами задания и отображения текущих параметров (и их трендов) и визуализацией аварийных ситуаций. Произведено конфигурирование сетевых параметров и настройка аппаратных ресурсов.

Также в дипломном проекте рассмотрен вопрос охраны труда и окружающей среды. В результате оценки труда оператора АСУ ТП по степени тяжести и напряженности были предложены меры по снижению монотонности труда.

В завершение проекта был произведён расчет экономической эффективности внедрения описанной выше системы, а так же сроки окупаемости. Проведённый расчёт показал экономическую целесообразность внедрения АСУ ТП, представленной в данном дипломном проекте.

Список использованных источников

1. Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. - Уфа. Гилем, 2002. - 672с.

. Абросимов А. А. Экология переработки углеводородных систем: Учебник для вузов по химико-технологическим специальностям. - М.: Химия, 2002. - 608 с. - ISBN 5-7245-0098-3.

. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ воздухе рабочей зоны» (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27 апреля 2003 г.)

. Гигиенические нормативы ГН 1.1.725-98 Перечень веществ, продуктов, производственных процессов, бытовых и природных факторов, канцерогенных для человека. (утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 23 декабря 1998 г. N 32)

. ГОСТ 24.701 - 86. Надёжность автоматизированных систем управления. Основные положения. - Введение 1987.07.01. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

. ГОСТ 19.002-80 Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения. - Введ. 1981.07.01. - М.: Изд-во стандартов, 1981.

. ГОСТ Р 12.4.209-99 Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органа слуха. Вкладыши. - Введение 1999.12.28 №765 - ст.

. ГОСТ Р 12.4.191-99 Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Полумаски, фильтрующие для защиты от аэрозолей. - Введение 1999.12.28 № 731 - ст.

. ГОСТ Р 50949-2001 Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров и параметров безопасности. - Введение 2001.12.25 №576 - ст.

. ГОСТ 50923 - 96. Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения. - Введение 1996.07.10 №451.

. Методические указания к выполнению экономической части дипломного проекта по специальности 220301. / Сост. В.В. Сухинина, В.Д. Чичкина. - Самара; Сама. Гос. Техн. Ун-т., 2010.

. ПБ 08-622-03 Правила безопасности для нефтеперерабатывающих заводов и производств. - Утв. 05.06.2003 №54.

. Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» (утв. Главным государственным санитарным врачом России 29.07.05)

. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.

. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 6 апреля 2003 г.)

. Сингеев С.А. С 38 Охрана труда и окружающей среды: учеб. -метод. пособие / С.А. Сингеев, Б.М.Маврин, А.А. Прозоров. Самара: Самар. гос. Ун-т, 2009. -56с.

. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы. - Введ. 1996.10.31 №36.

. Технологический регламент установки по производству водорода цеха № 15 ОАО «Сызранский НПЗ».

. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30 декабря 2001 г. N 197-ФЗ.

. Федеральный закон Российской Федерации от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»

. ARMTORG.RU Портал трубопроводной арматуры., 2006 - 2012. - Режим доступа: WWW. URL: http://armtorg.ru/ - 03.06.2012

. in SAT Интеллектуальные системы автоматизации технологии. 2002-2012.- Режим доступа: WWW. URL: http://www.insat.ru/prices/info.php?pid=4644 - 02.06.2012

. Metra Tech Управление процессом начинается с измерений. Расчет системы автоматического управления. Интернет-журнал,2007-2010.-Режим доступа: WWW. URL: http://metratech.ru/pages.php?id=159 - 02.06.2012

Разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода

Разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода

2.1 Структурная схема комплекса технических средств

3. Расчет системы автоматического управления

3.1 Разработка функциональной и структурной схемы системы автоматизации

3.2 Описание методики и расчет параметров настройки регулятора

Похожие работы на - Разработка системы автоматического регулирования давления рецикла водорода в буферной ёмкости Е-4 установки по производству водорода