Автоматизация стенда для испытаний гидроаккумулятора (ГА) на ресурс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Характеристика объекта управления и его состав

1.1 Краткая характеристика объекта управления

1.2 Состав объекта управления

2. Назначение стенда, его техническая характеристика и описание технологического процеса

2.1 Назначение стенда

2.2 Основные технические данные

2.3 Описание технологического процесса

3. Анализ используемой системы управления и преимущества SCADA-систем

3.1 Анализ используемой системы управления

3.2 SCADA-системы в распределенных системах управления

3.3 Цели и задачи дипломного проектирования

4. Описание разработанной системы управления

4.1 Системы контроля и регулирования

4.2 Обоснование выбора SCADA-системы

4.3 Система АСУ ТП на базе SCADA- системы TRACE MODE

4.4 Промышленный микроконтроллер ТКМ52

4.5 Выбор первичных преобразователей

4.6 Выводы и рекомендации по усовершенствованию. АСУ

5. Расчетная часть

5.1 Теоретическое обоснование выбора схемы регулирования

5.2 Расчёт основных элементов схемы регулирования

5.3 Выбор закона регулирования

5.4 Математический расчет настроечных параметров регулятора

5.5 Определение показателей и оценка качества регулирования

5.6 Построение переходного процесса системы регулирования

6. Безопасность труда

6.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

6.2 Расчет искусственного освещения

6.3 Возможные чрезвычайные ситуации

7. Экономическая часть

7.1 Технико-экономическое обоснование АСУТП

7.2 Расчет единовременных капитальных затрат

7.3 Расчет фонда оплаты труда

7.4 Расчет по содержанию и эксплуатации оборудования

7.5 Стоимости основных фондов

7.6 Расчет изменения затрат в результате автоматизации

7.7 Расчет эконом. эффективности автоматизации стенда по испытаниям

7.8 Расчет изменения затрат в результате автоматизации

Заключение

Приложение А

Приложение Б

Аннотация

Тема данного дипломного проекта “Автоматизация стенда для испытаний гидроаккумулятора (ГА) на ресурс ”, процесса испытаний ГА на ресурс срабатываний.

В общей части проекта проведен анализ технологического процесса и работы испытательного стенда цеха 33 ОАО ПО СТРЕЛА, проблемной ситуации в работе стенда и разработаны основные пункты технического задания на создание системы автоматизации и управления (САУ) стендом.

В проекте подробно рассмотрены технические решения: выбор структурной схемы САУ, SCADA - системы, промышленного микроконтроллера и первичных датчиков - преобразователей. В расчетной части проведен расчет АСР температуры рабочей среды в трубопроводе.

В разделе безопасность труда рассмотрен вопрос обеспечения безопасных условий труда при работе стенда, проведен расчет освещенности помещения операторной данного стенда. Описаны возможные чрезвычайные ситуации.

В экономической части проведен функционально-стоимостной анализ системы управления, расчет экономического эффекта и срока окупаемости при внедрении проекта.

Дипломный проект содержит 98 страницы, 13 рисунков, 24 таблиц, 9 чертежей формата А1.

Введение

Развитие современного машиностроения претерпевает фундаментальные изменения, связанные с новым качественно отличающимся этапом автоматизации машиностроительного производства.

Рыночная экономика подразумевает конкуренцию на рынке промышленных товаров. Быстрота, качество, приемлемость цены являются факторами роста предприятия. Автоматизация всех этапов производства позволит достичь желаемого результата.

Этап испытаний не является исключением, так как от него зависит качество продукции, а порой и жизнь человека. Поэтому необходимо свести к минимуму риск ошибки, то есть автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) являются решением данной задачи.

В комплект технических средств АСУ ТП входят:

средства локальной автоматики (датчики, преобразователи, измерительные приборы, исполнительные механизмы и другие) микропроцессорные управляющие контроллеры на базе процессоров Intell Pentium осуществляют сбор и предварительную обработку информации, выполняют функцию программно-логического управления и непрерывного регулирования, блокировок защит, аварийно-предупредительной сигнализации и тп. персональные компьютеры установка бесперебойного питания (УБП), осуществляющая поддержку питания всего программно-технического комплекса (ПТК), включающая средства локальной автоматики при кратковременном отключении энергии.станция оператора, обеспечивающая выполнение задач отображения информации, предупредительной и аварийной сигнализации, автоматического и дистанционного управления.

1. Характеристика объекта управления и его состав

1.1 Краткая характеристика объекта управления

Технологическим объектом управления (ТОУ) является испытательный стенд, предназначенный для испытаний гидроаккумулятора на ресурс срабатываний. Процесс ведется под воздействием высокого давления при температуре не более 90 ?С.

Предприятия машиностроения включают в себя множество разнообразных аппаратов, установок, участков и производств. Сточки зрения автоматизации и управления важно разделить их по типу и характеру технологического процесса, проводимого в аппаратах, по сложности ТОУ, а также по характеру параметров, участвующих в управлении.

Таким образом, чтобы дать наиболее полную характеристику обьекта проектирования необходимо проанализировать технологический процесс по следующим признакам:

- по типу технологического процесса технологический объект управления относится к физическому, в нем происходит испытание прочности диафрагмы ГА при помощи давления.

- по характеру технологического процесса объект управления относится к ТОУ с прерывным характером производства - перед испытанием каждого последующего ГА стенд полностью отключается.

- по сложности, по информационной ёмкости ТОУ, как объект автоматизации, характеризуется малой информационной ёмкостью.

- по характеру параметров управления ТОУ относится к ТОУ с распределенными параметрами - это ТОУ, регулируемые параметры которого неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени.

Способность объекта приходить после возмущения в новое установившееся состояние без вмешательства управляющего устройства, называется самовыравниванием объекта, такие объекты называются объектами с самовыравниванием или статическими.

Самовыравнивание является следствием наличия отрицательной внутренней обратной связи в устойчивом объекте.

Данный технологический объект относится к объекту, не обладающему самовыравниванием, то есть после внесенного возмущения объект сам не способен приходить в установившееся состояние без вмешательства, управляющего устройства.

Во многих ТОУ выходная величина изменяется не сразу после изменения входного сигнала, а по истечении времени - это называется запаздыванием. Существует два фактора влияющие на выходную величину:

- геометрические размеры самого объекта, т.е. если изменение выходной величины связанно с преодолением какого-то расстояния, то время, затраченное на преодоление, носит название транспортного запаздывания.

- запаздывание, связанное с происхождением входного потока через гидравлические сопротивления носит название ёмкостного запаздывания.

В данном случае ТОУ включает в себя два этих запаздывания, при прохождении входного сигнала расстояния и гидравлического сопротивления на это тратится некоторое время и поэтому выходной сигнал имеет запаздывание.

1.2 Состав объекта управления

Данный стенд испытательный стенд состоит из:

- емкостей с рабочей жидкостью;

- системы охлаждения;

- насосной установки;

- трубопроводной магистрали;

- системы датчиков.

- термокамера, обеспечивающая температуру (минус 25±5) ?С и (от минус 50 до минус 60);

- стойка гидравлическая, в которой размещены элементы гидросистемы. Органы управления и приборы контроля размещены на панели управления.

- Генератор сигналов специальной формы Г 6-15 для выдачи прямоугольных импульсов необходимой частоты на клапан КЭ3 через устройство коммутации для загрузки испытуемого изделия по типу “Б” в режиме автоматической работы по времени.

- Электропульт управления с органами дистанционного управления и приборами контроля:

Переключатели:

- “питание = 27В”-для питания клапанов КЭ1 - КЭ4 и сигнализации;

- “питание ~ 220В” - для питания приборов;

- “откр.-закр.” “КЭ - КЭ4” в ручном режиме;

- “режим работы”, “по времени - по давлению”- для выбора принципа регулирования процесса типа “Б” - в автоматическом режиме;

- “режим работы” “автомат.-ручной”.

Сигнализация: включения питания =27В, ~220В; открытия КЭ1, КЭ2; переключения КЭ3,КЭ4.

- Прибор КСМ4: контроль и запись температуры с датчика ДТ1.

- Прибор А650М: контроль, запись давления в испытуемом ГА с датчика ДД2, выдача сигналов позиционного регулирующего устройства “макс.”, “миним.” для переключения КЭ3 в автоматическом режиме при загрузке ГА в режиме “Б”.

Комплекс осциллографический К121 в комплекте с индикатором ИД-2И для записи давления с датчика ДД1.

Генератор Г5-16 для подачи сигналов на переключение клапана КЭ3 при работе в автоматическом режиме «по времени».

Комплект реле К1, К2, К3 для формирования команд на переключение КЭ3с и КЭ3п по сигналам с регулирующего устройства А650М в автоматическом режиме.

Устройство коммутации - усилители постоянного тока и тиристорные переключатели для переключения КЭ3с и КЭ3п по командам с А650М или Г6-15.

2. Назначение стенда, его техническая характеристика и описание технологического процесса

2.1 Назначение стенда

Рассматриваемый в данном проекте стенд предназначен для проведения ресурсных испытаний ГА по заданной программе.

Проведение ресурсных испытаний регламентируется ГОСТом РВ 15.307-2002 “Военная техника. Испытания и приемка серийных изделий” [лист1]. Настоящий стандарт устанавливает:

- основные категории испытаний;

- цели проведения;

- порядок предъявления изделий на испытания или приемку;

- порядок проведения испытаний и принятие решений о приёмке изделий по результатам испытаний.

Для контроля качества и приёмки готовой продукции устанавливают следующие основные категории испытаний:

- квалификационные (КИ);

- приёмосдаточные (ПСИ);

- периодические (ПИ);

- предъявительские (ПрИ);

- типовые (ТИ).

На рассматриваемом стенде проводятся квалификационные, приёмосдаточные, предъявительские испытания.

Приёмосдаточные мероприятия - контрольные испытания изготовленной продукции, по результатам которых принимается решение о её пригодности к поставкам и (или) использованию (ГОСТ 16.504).

Предъявительские испытания - контрольные испытания изготовленной продукции, проводимые службой технического контроля изготовителя перед предъявлением её заказчику, потребителю или другим органам приёмки (ГОСТ 16.504).

Квалификационные - контрольные испытания изделия, проводимые при поставке на производство изделия, с целью оценки готовности предприятия к производству (ГОСТ 15.301).

Результаты считать отрицательными, а изделие не выдерживающим испытания, если установлено несоответствие изделия хотя бы одному требованию ТУ для данной категории испытаний.

2.2 Основные технические данные

Таблица 1 - Основные технические данные

Название параметра	Показатель параметра
1	2
Рабочая среда	Масло АМГ-10 ГОСТ 6794-75
Максимальное рабочее давление, Па	0,9
Температура рабочей жидкости, оС	Минус 60 - плюс 90
Тонкость фильтрации, мкм	16
Температура окружающей среды для испыту емого изделия, оС	Минус 50 - плюс 60 Минус 25 ± 5 Плюс 25 ± 10
Давление наддува расходного бака, Па	0,2 ± 0,03
Время работы в автоматическом режиме (одного цикла), час	1
Граничная частота процесса циклической загрузки, Гц	Не более 10
Режимы работы приставки	“А”- ручной “Б”- автоматический
Регулирование процесса по типу “Б”	По давлению в ГА По времени роста и сброса давления в ГА
Подача рабочей жидкости в испытуемый гидроаккумулятор	Насосом НП 131 Насосом НП 25-9 и НП 25-5

2.3 Описание технологического процесса

Установить испытуемый, заряженный азотом гидроаккумулятор в узел обвязки и поместить в термокамеру.

Подстыковать к гидроаккумулятору трубопроводы гидросистемы согласно схеме приставки.

Создать с помощью термокамеры температуру окружающей среды для испытуемого ГА и проведите выдержку согласно техпроцесса.

Открыть кран КН2 и произвести наддув бака Б1 стенда давлением азота

2 ± 0,3 кгс/см2 .

Включить электропитание стенда и запустить систему смазки насоса Н1.

Открыть вентиль ВД3 подачи охлаждающей воды на холодильники АТ3 - АТ11.

Включить электропитание приставки, контроль по сигнальным лампочкам. Включить приборы П1, П2. Если в автоматическом режиме регулирование процесса загрузки будет производиться по времени, то включить генератор сигналов ГС (Г6 - 15).

Запустить привод насоса Н1 и, постепенно увеличивая обороты, установить 10000±150 об/мин.

Постепенно закрывая вентиль ВН2, установите давление за насосом Н1 равное 4,0 - 4,5 Па. Контроль по манометру МН1.

Открыть вентили ВН1 и ВН3 для прокачки магистралей гидросистемы и удаления воздуха.

Открыть клапан КЭ1, переключить клапан КЭ3 в положение “Подача” и произвести прокачку в течении 1 минуты.

Закрыть клапан КЭ1 и вентиль ВН3.

Включить запись давления и температуры на приборах П1и П2. Если в автоматическом режиме регулирование процесса загрузки будет производиться повремени, то установить переключатель режима работ в положение “По времени”.

Вентилем ВН2 установить давление за насосом 0,9 Па. Контроль по манометру МН1.

Для загрузки ГА по типу “А” в ручном режиме открыть клапан КЭ1. Контроль повышения давления в изделии по манометру МН2 и по прибору П1.

При достижении давления 0,8 Па переключите клапан КЭ3 в положение “Слив”. Контроль понижения давления по манометру МН2 и прибору П1.

При снижении давления до давления наддува расходного бака 0,2 ±0,003 переключите клапан КЭ3 в положение “Подача”.

При повышении давления до 0,8 Па переключить клапан КЭ3 в положение “Слив”.

При снижении давления до 0,02 ± 0,003 Па переключите клапан КЭ3 в положение “Подача” и затем переключить кран КЭ4 в положение “ДР4”.

Для загрузки ГА по типу “Б” в автоматическом режиме при достижении давления 0,7 Па переключатель режима работ установить в положение “Автомат”. При достижении давления 0,8 Па клапан КЭ3 должен автоматически переключиться в положение “Слив”.

В период снижения давления от 0,8 Па до 0,65 Па закрыть клапан КЭ1 и открыть клапан КЭ2.

При снижении давления до 0,65 Па клапан КЭ3 должен автоматически переключиться в положение “Подача”.

По ручному секундомеру или часам определить время начала автоматической загрузки ГА по типу ”Б”, которая производится в течение 1 часа согласно программы.

Осциллографирование процесса производится в течение небольших промежутков времени при необходимости уточнения графика загрузки.

По истечении 1 часа автоматической загрузки по типу “Б” на последнем промежутке времени роста давления от 0,65 Па до 0,8 Па переключить клапан КЭ3 в положение “ДР3”, а клапан КЭ3 в положение “Слив”. При достижении давления 0,8 Па установить переключатель режима работ в положение “Ручной”.

Во время снижения давления от 0,8 до 0,02 Па закрыть клапан КЭ2 и открыть КЭ1.

При снижении давления до 0,02 Па переключить клапан КЭ3 в положение “Подача”.

При достижении давления 0,8 Па переключить клапан КЭ3 в положение “Слив”.

При снижении давления до 0,02 Па переключить клапан КЭ3 в положение “Подача”.

При повышении давления до 0,8 Па переключить клапан КЭ3 в положение “Слив”.

При понижении давления до 0,02 Па закрыть клапан КЭ1, закончив загрузку ГА в течение одного цикла.

Для проведения очередного часового цикла загрузки ГА выполнить вновь работы по пунктам [лист 2].

3. Анализ используемой системы управления и преимущества SCADA-систем

3.1 Анализ используемой системы управления

При анализе данного управления технологическим процессом можно заметить ряд “пробелов” в его разработке. Практически все операции выполняются вручную, даже автоматический режим работы в большинстве своем выполняется оператором. При работе по данному техпроцессу оператор “привязан” к рабочему месту. Статистика показывает ненадежность управления человеком по сравнению с машиной, тоесть ЭВМ. Человеческий фактор может привести к неправильному выполнению поставленной задачи вплоть до аварийной ситуации. Кроме того, контроль и сигнализация осуществляются приборами давно устаревшими и являющимися не надёжными в процессе эксплуатации.

Данный анализ приводит к выводу необходимости усовершенствования данного управления технологическим процессом путем внедрения нового комплекта оборудования и системам управления, контроля, сигнализации.

3.2 SCADA-системы в распределенных системах управления

Современные распределенные системы управления (РСУ) характеризуются территориальной и функциональной распределенностью систем сбора данных и управления.Контроль хода технологического процесса и управление низовой автоматикой осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места оператора или операторской станции, состоящей, как правило, из цветного графического дисплея с клавиатурой, установленных в операторском помещении. При необходимости установки АРМ-оператора в цеху используются промышленные рабочие станции со встроенной клавиатурой или выполненной в пыле- влагозащищенном исполнении. Представление данных в реальном масштабе времени о ходе технологического процесса, визуализация процесса в виде схем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и другие функции осуществляются с помощью специального программного обеспечения SCADА-систем.

SCADA-система (Supervisory Control And Date Acquisition - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) разрабатывалась, как универсальное многофункциональное программное обеспечение систем верхнего уровня, позволяющее оперативному персоналу наиболее эффективно управлять технологическим процессом. По мере развития программных и аппаратных средств наблюдается применение SCADA-систем на нижнем, контроллерном уровнях. Основные функции, выполняемые практически любой представленных на рынке промышленной автоматизации SCADA - систем приведены ниже.

Сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственно от датчиков и иснолнительных устройств (значения температуры, давления и др. параметров, положение клапана или вала исполнительного механизма).

Обработка и хранение (архивирование) полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования, линеаризации и др. для приведения данных к нужному формату.

Графическое представление в цифровой, символьной или иной форме информации о ходе технологического процесса. Это может быть динамизация значений переменных, представление значений переменных в виде графиков в функции времени (трендов), гистограмм и др.

Сигнализация изменений хода технологического процесса, особенно в предаварийных и аварийных ситуациях в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация действий обслуживающего персонала в аварийных ситуациях.

Формирование сводок, журналов и др. отчетных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах.

Формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режима работы контроллеров, исполнительных устройств (пуск-останов, открытие-закрытие и другие функции).

Автоматическое управление технологическим процессом в соответсвии с имеющимися в SCADA-системах алгоритмами управления (ПИ-, ПИД-регулиро-вание, позиционное, нечеткое регулирована и другие. Данные функции рекомендуется использовать для решения задач невысокого быстродействия.Таким образом, SCADA-системы являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП. При этом от разработчика не требуется больших знаний в области программирования на языках высокого уровня. Требования пользователя при выборе SCADA-системы заключаются в выявлении соответствия функциональных возможностей SCADA-системы.

Наиболее распространенные на сегодняшний день SCADA-системы для РСУ представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Программные продукты класса SCADA

Наименование	Фирма- производитель
1	2
In Touch	"Wonder ware", США
Genesis 32	"Iconics", США
1FIX	"Intellution", США
Trace Mode	AdAstra, Россия
Real Flex	"BJ Software Systems (BJSS)", США
Cimpliciti	"СЕ Fanuc", США - Япония
WinCC	"Siemens", Германия
Citect	"CI Technology", Австралия
IMAGE	"Numpha Soft", Финляндия-Россия
Master SCADA	ИнСАТ, Россия
VNS	ИнСАТ, Россия
КРУГ 2000	КРУГ, Россия
СКАТ-М	"Центрпрограммсистем", Россия
VIORDmicroScada	"ФИОРД", Россия
Phocus	"Jade Software",CШA
МИКСИС	"МИФИ", Россия
MOSCAD	"Motorola", США
Elipse Windows	"Elipse Software LTDA", Бразилия
Genie 3.0	"Advantech", Тайвань
Wiz Factory	"PC Soft International Inc.", США- Израиль

Требованиям проекта, характеристик инструментальной среды разработки БД, графического редактора (палитра, тренды, алармы), скриптового языка, а также характеристик исполнительской среды, платформы ПК, экрана, диагностики, защиты от несанкционированного доступа, резервирования. Немаловажным является сопровождение проекта, обучение, полнота документации (наличие Help) и ее русификация.

Развитие SCADA-систем идет по пути обязательного наличия интерфейса ОРС, применения языка VBA, расширения коммуникационных возможностей и функций на уровне операторских станций, повышения гибкости и открытости пакета, бесплатной среды разработки, модульности пакета, портирования SCADA-системы в память контроллера.

3.3 Цели и задачи дипломного проектирования

В настоящее время во многих отраслях промышленности все большее применение находят автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), которые обеспечивают высокую точность регулирования процесса и повышение производительности труда.

Целью данного проекта является создание распределенной АСУ процессом испытаний ГА. Создаваемая АСУ ТП должна соответствовать ГОСТ 24.104-85 ЕСС АСУ “Автоматизированные Системы Управления. Общие требования”, с учетом требований ПБ 09-540-03, ПБ 09-563-03 и другим действующим нормативным документам.

Произвести оценку имеющейся системы управления, автоматизации технологического процесса (модернизация SCADA - системы). Установка контроллеров позволяет поддерживать и изменять технологические параметры по заданному алгоритму. Контроль за параметрами на дисплее ЭВМ [лист 4].

Задачи:

- повысить производительность и улучшить условия труда;

- управлять и контролировать технологический процесс;

- облегчение обслуживания технологического оборудования;

- произвести экономическую эффективность.

Внедрение ТРАСЕ MODE в данном проекте позволяет определять и поддерживать на заданном уровне технологические параметры, вносить изменения без длительной остановки всего технологического процесса. За счет внедрения показатели температуры, уровня, влажности и другие, поддерживаются на оптимально заданном уровне, что необходимо для нормального ведения технологического процесса, увеличение годового объема производства планируется за счет уменьшения брака продукции.

4. Описание разработанной системы управления

4.1 Системы контроля и регулирования

Современная АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему уп-равления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Концепция SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития свойств управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-тех-нологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора обработки, передачи, хранения и отображения информации. В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA применяется в сложных машиностроительных объектах, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожном транспорте, транспорте нефти и газа и другие.

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами.

Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой. Нижний урівень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным програмируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции: сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса, управление электроприводами и другими исполнительными механизмами, решение задач автоматического логического управления и другие. Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи [лист 5].

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки, и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Функции контроллеров верхнего уровня: сбор и обработка данных с локальных контроллеров, включая масштабирование, поддержание единого времени в системе, синхронизация работы подсистем, организация архивов по выбранным параметрам, обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем, работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем, резервирование каналов передачи данных.

Верхний уровень -диспетчерский пункт (ДП)-включает в себя, одну или несколь- ко станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалиста. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления . Эти задачи и призваны решать SCADA - системы SCADA - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Подавляющее большинство SCADA-систем реализовано на MS Windows платформах. Для обеспечения функционирования SCADA-систем необходимы каналы связи. В этом качестве в современных системах используются телефонные каналы общего пользования (ТФОП), кабельные коммуникации, сотовая связь, радиорелейная связь, УКВ - связь и другие [6]. Принцип реконструкции заключается в следующем:

- во первых, в улучшении качества технологического проекта, т. е. замена старых приборов на более совершенные и точные приборы, что позволит улучшить качество выпускаемой продукции, использование промышленных микроконтроллеров и SCADA-системы даст возможность оперативно управлять технологическим процессом, вести точный контроль и учет используемого сырья, конечной продукции, материальных ресурсов, что имеет большое значение в условиях постоянного подорожания энергоресурсов и сырья;

- во вторых, в улучшении культуры производства, т. е. рабочему персоналу будет легче обслуживать технологическое оборудование, что позволит уменьшить производственные травмы и профессиональные заболевания, и следовательно улучшение техники безопасности.

Автоматизация стенда по испытаниям ГА состоит из двух этапов:

- на первом этапе производится замена старых пневматических приборов и регуляторов на более совершенные электронные измерительные приборы типа “САПФИР 22 Д” или их аналогов “МЕТРАН 43, 44-Ех”;

- на втором этапе вводится в действие двухуровневая АСУ ТП на базе SCADA-системы ТРАСЕ MODE с использованием технологических моноблочных контроллеров ТКМ 52 фирмы “TEKОH”.

4.2 Обоснование выбора SCADA-системы

Сегодня уже не приходится доказывать преимущества применения АСУТП. Создание АСУТП позволяет переложить на машину часть ответственных операций, требующих точности исполнения, тем самым повысить качество выпускаемой продукции, продлить срок службы производственного оборудования, в среднем на 5-10 лет, увеличить объем; и гибкость производства, снизить расход сырья, энергии и материалов, улучшить условия труда.

Большинство производителей SCADA-систем, предлагающие свой продукт, не в полной мере могут обеспечить разработку проекта с учетом всех особенностей. Характерным для современных продуктов можно считать следующее:

- применение технологий, не оптимизированных для использования в задачах АСУТП, приводит к снижению надежности и производительности систем;

- невысокие возможности резервирования;

- невысокая степень автоматизации процесса разработки, - все это требует большого количества ручных операций при создании информационной базы, что приводит к росту числа ошибок. В среднем на 10 ручных операций приходится одна ошибка клавиатурного ввода, выбора из списка и так далее.

Перед руководителями предприятия встают проблемы выбора. Один вариант это купить готовую SCADA-систему, и на её базе создать необходимую АСУ ТП. Второй - нанять программистов для разработки заказной системы.

Рассмотрим вариант разработки заказной АСУ ТП силами группы программистов.

Подсчитано, что для создания самой функционально примитивной системы на 1000 точек ввода / вывода требуется по самым скромным подсчетам: 3 человека / года - написание версии, 0,5 чел / год - создание документации, тестирование исправление ошибок потребует не менее 4 человек / лет. В результате получаем, что даже при современной невысокой оплате интеллектуального труда в России (от 3000 руб до 15000 руб) для написания первой версии потребуется 720000 руб и примерно 1 год. Около 300000 руб уйдет на налоги с фонда заработной платы. И так самая минимальная стоимость проекта составит 10800000 руб. Полученный продукт - это не универсальная SCADA, а частное решение. Ее адаптация для других задач потребует расходов в размере 10 - 20 % от первоначальных. Таким образом, начальные затраты при разработке заказной АСУ - 10800000 руб, расходы на инсталляцию системы на других участках от 108000 руб до 216000 руб на участок.

При использовании ТРАСЕ MODE для разработки проекта потребуется закупить инструментальное программное обеспечение и исполнительный модуль. Разработка может осуществляться силами одного технолога 0,6 человека / года. Применение ТРАСЕ MODE позволяет сократить начальные расходы и расходы на развитие системы - в 3 - 6 раз по сравнению с заказными разработками.

Решив купить готовый продукт, руководитель предприятия сталкивается с ситуацией, когда ему приходится выбирать что-то одно из множества предлагаемого.

Как выбрать необходимое и не запутаться? На рынке в настоящее время имеется большой выбор SCADA-систем как современных, вышедших в свет совсем не давно, так и систем старого поколения, работающих под операционной-системой DOS. Особенностью западного рынка автоматизации является то, что основная доля потребителей - малые и средние предприятия. В России ситуация прямо противоположная. Основная часть потребителей это крупные и особо крупные предприятия. Учитывая особенности, местные рынки производят свои продукты (SCADA-пакеты). Лучше то, что можно использовать без адаптации под местные условия рынка. Зачем нужен адаптированный продукт? Ни одна западная система не имеет такой полной поддержки широко использующихся в России контроллеров. Не редко приходится сталкиваться с ситуацией, когда на одном предприятии используется одновременно несколько марок контроллерэв, используя современные контроллеры, оставляют еще работающие советские. Кто захочет выбрасывать работающее оборудование и тратиться на новые дорогие контроллеры? Этого можно избежать. В SCADA системе ТРАСЕ MODE осуществляется современная поддержка как старых советских, так и современных контроллеров Российского и зарубежного производства. Причем, одновременно несколько марок контроллеров могут работать с одной операторской станцией. Существенным является тот факт, что большинство распространенных контроллеров в России, в этой системе поддерживается бесплатно. Потребитель получает набор драйверов вместе со средой разработки. Среди современных систем под ОС Windows в России уже давно лидирует фирма AdAstra research Group, Ltd с продуктом ТРАСЕ MODE.

Этот пакет отличается не только превосходной надежностью в эксплуатации и объективной, не завышенной ценой. В SCADA-системе ТРАСЕ MODE реализован ряд функций и технологий, не имеющих аналогов в мире, что выгодно отличает этот пакет от конкурирующих.

Внедрение ТРАСЕ MODE в данном проекте позволяет определять и поддерживать на заданном уровне технологические параметры, вносить изменения без длительной остановки всего технологического процесса. За счет внедрения показатели температуры, уровня, влажности и другие., поддерживаются на оптимально заданном уровне, что необходимо для нормального ведения технологического процесса, увеличение годового объема производства планируется за счет уменьшения брака продукции.

4.3 Система АСУ ТП на базе SCADA- системы TRACE MODE

Система АСУ ТП предназначена для сбора и обработки в аагоматизированном режиме информации обо всех текущих параметрах технологического процесса и обеспечивает автоматизированный коммерческий учет, а также оперативный контроль и регулирование основных технологических параметров. Система АСУ ТП на базе TRACE MODE состоит из трех уровней: полевого, контроллерного и операторского. На полевом уровне используется датчиковая апаратура (датчики физических параметров, счетчики электроэнергии, расходомеры и другие), предназначенная для сбора первичной информации о ходе контролируемого процесса, а также исполнительные механизмы для непосредственного управления процессом, расчет расходов: вода, водяной пар, любой газ известного состава (воздух, природный газ), нефть и нефтепродукты.

На полевом уровне в системе АСУ ТП могут использоваться как традициионные датчики, так и интеллектуальные с микропроцессорной обработкой сигнала и двунаправленной цифровой связью.

Функции системы:

а) формирование архивов по всем измеряемым величинам;

б) формирование контрольных архивов, защищенных от редактирования;

в) формирование отчетов на бумажном носителе в соответствии с требованиями нормативной документации;

г) визуализация подконтрольного процесса;

д) оперативный контроль за функционированием объекта;

е) формирование сигналов тревоги при выходе контролируемых параметров за допустимые границы;

ж) самодиагностика;

з) интеграция в локальную сеть предприятия.

Традиционные датчики: датчики температуры с естественным выходным сигналом ТСМ/ТСП, ТХК/ТХА, ТПП/ТВР; датчики давления с токовым унифицированным выходным сигналом серий “МЕТРАН - 22”, “МЕТРАН - 43”,“МЕТРАН - 44”, “МЕТРАН - 45”, “МЕТРАН - 49”, “МЕТРАН - 55”, “САПФИР - 22д”; расходомеры с токоимпульсным выходные сигналом (“МЕТРАН - 300 ПР”) и с частотным выходным сигналом (СВА) и другие.

Интеллектуальные датчики:

- датчики давления фирмы Fisher-Rosemount, массовые расходомеры Micro-Motion и другие, которые передают информацию, как в виде токового сигнала, так и в виде сигнала с цифровым кодом на базе HART-протокола.

При использовании на полевом уровне интеллектуальных датчиков давления SCADA-система позволяет в полной мере использовать их преимущества: дистанционную самодиагностику; широкий диапазон перенастройки; перенастройку датчиков без снятия с объекта; измерение одним датчиком нескольких параметров; доступ к дополнительным возможностям при помощи HART- коммуникатора.

Операторский уровень предназначен для визуализации контролируемого технологического процесса, ведения архивов, оперативного вмешательства в ход технологического процесса и формирования отчетов о технологическом процессе. Операторский уровень состоит из четырех подсистем: диспетчерского обмена, лей (ТЭП), управления технологическим процессом и предназначен для выполне коммерческого и технологического учета, расчета технико-экономических показате-ния следующих функций:

а) визуализации параметров энергосбережения и данных коммерческого учета;

б) визуализации параметров технологического процесса;

в) дистанционного и супервизорного управления оборудованием и технологическим процессом;

г) ведения архивной базы данных и расчетных математических задач;

д) автоматической поддержки системной и технологической сигнализации;

е) расчета ТЭП;

ж) выполнения инжиниринговых операций по конфигурированию системы и программированию контроллерного уровня системы и операторских станций;

з) диспетчеризации сетевого обмена между компонентами системы.

Операторский уровень строится на основе IBM совместимых компьютеров, которые объединены в сеть, и включает в себя следующие типы станций:

станция оператора-технолога (станция наблюдения и управления);

станция расчетных задач (центральное вычислительное устройство);

инженерная станция;

шлюзовая станция.

Допускается реализация станций оператора-технолога, инженера, расчетных задач и шлюзовой станции, как на отдельных компьютерах, так и на одном. В целом для системы: общее количество датчиков в системе до 5000 шт; время реакции системы на событие от 250 миллисекунд до 3 секунд; подключение отдельных контроллеров по "витой паре" или по телефонному/радиоканалу через модем.

Прикладное программное обеспечение операторского уровня включает в себя: операторскую (диспетчерскую) станцию (несколько равноправных); инженерную станцию (конфигурирование системы); архивную станцию (на файл-сервере или рабочей станции); станцию расчетных задач, шлюзовую станцию.

Программное обеспечение операторского уровня системы АСУТП на базе TRACE MODE должно быть выполнено для работы на IBM-совместимом компьютере промышленного или офисного исполнения с хорошими характеристиками. Существует возможность динамического обмена информацией с другими приложениями MS Windows: MS Excel, MS Access.

Таблица 4.1 - Характеристика программного обеспечения операторского уровня системы АСУТП на базе TRACE MODE

Наименование	Для работы в ОС	Для работы в ОС Windows NT
1	2	3
Оперативная память	640 кБ	32 MБ
Занимаемое место на жестком диске, включая архивы	1 Гб	1 Гб
Процессор	Intel 486 и выше	Intel 486 и выше

Контроллерный уровень обеспечивает: сбор и первичную обработку данных от датчиковой аппаратуры; математическую обработку исходных данных процесса; логико-программное управление; технологическую сигнализацию; предварительное архивирование расчетных и исходных данных.

Для организации контроллерного уровня используются контроллеры общего или специального назначения, объединение которых в сеть возможно на основе интефейсов: Brtbus со скоростью обмена до 375 Кбт и RS232C/485 с использованием протоколов Ве11202 или Modbus со скоростью - до 19,6 Кбт.

На каждом из уровней системы (полевом, контроллерном, операторском) возможны различные варианты комплектации оборудованием, различающимся по характеристикам в зависимости от технических требований. Используемые технологические контроллеры - “ТКМ - 52, “ROC 364”, IBM-совместимый контроллер, максимальное количество контроллеров в локальной сети: “ТКМ-51” - 256 шт (с использованием ретрансляторов); “ROC 364” - 156 шт.; "Мастер" - 256 шт.

Таблица 4.2 - Краткие технические характеристики контроллеров

Наименование	Количество входов (выходов)
	ТКМ-52	ROC364	IBM совместимый
2	3	4	5
Аналоговые входы	48	64	300
Аналоговые выходы	32	64	300
Дискретные входы и/или выходы	192	64	500
Расчетные расходы	6	12	50
Расчетные тепловые потоки	б	12	50

В качестве основного УСОД (устройства сбора и обработки данных) на контроллерном уровне применен отечественный контроллер “ТКМ - 52”. Этот контроллер решает задачи как коммерческого, так и технологического учета, управления и регулирования. “ТКМ-52” может содержать от 1 до 4-х плат ввода - вывода с количеством входов - выходов от 8 до 48. Большое число входов позволяет значительно уменьшить удельную стоимость учета по сравнению с другими контроллерами. При использовании интеллектуальных датчиков с HART-выходом в качестве контроллера применяются контроллеры семейства ROC XXX.

4.4 Промышленный микроконтроллер “ТКМ - 52”

Режимы применения “ТКМ - 52” в АСУ ТП

Контроллер “ТКМ - 52” предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействий на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485(MODBUS). Контроллер может использоваться:

а) как автономное устройство управления небольшими объектами;

б) как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;

в) одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.

Контроллер в дублированном режиме рассчитан на применение в высоконадежных системах управления. В контроллер, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или Системное Программное Обеспечение (СПО) на базе OS LINUX. В первом случае МФК можно осуществлять посредствам универсальных средств программирования с помощью программы TRA - CE MODE.

В автономном применении контроллер решает задачи средней информационной емкости (50 - 200 каналов). К нему можно подключить периферийные различные устройства по последовательным (RS - 232, HRS - 485) и параллельному интерфейсу, а также по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться встроенный блок клавиатуры и индикатора V03.

В режиме применения удаленного терминала связи с объектом, управляющая программа исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на IBM PC), соединенному с контроллером по последовательному каналу (RS - 232 или RS - 485. По протоколу Modbus), либо по сети Ethernet, а контроллер обеспечивает сбор информации и выдачу управляющих воздействий на объект.

Применение в смешанном режиме (в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП) управление объектом производится прикладной программой,

хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии, иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его клавиатура и индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода.

Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера “ТКМ 52”, и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем.

Состав и характеристики контроллера

Контроллер “ТКМ - 52” является проектно-компонуемым изделием, состав которого определяется при заказе. Контроллер состоит из базовой части,блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4) . Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM423L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.

Корпус контроллера металлический, состоит из секций, соединенных между собой с помощью специальных винтов. В задней секции размещается блок питания и процессорный модуль. В остальных секциях размещаются модули ввода-вывода. В передней секции всегда размещается блок клавиатуры и индикации VОЗ. В зависимости от количества секций для модулей ввода-вывода различаются следующие комплектации базовой части контроллера:

Контроллер “ТКМ - 52” работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В, потребляемая мощьность 130 Вт.

Контроллер “ТКМ - 52” рассчитан на непрерывную круглосуточную работу.

Диапазон рабочих температур окружающей контроллер среды от плюс 5 до плюс 50 С. Контролер имеет пылебрызгозащищенное исполнение IP42.

Основные характеристики процессорного модуля:

а) процессор: FAMD DX-133(5x86-133);

б) системное ОЗУ-8Мбайт, в зависимости от установки модуля памяти может расширяться до 32 Мбайт;

в) FLASH - память системных и прикладных программ-4 Мб (может расширяться до 144 Мб;

г) последовательные порты: СОМ1 RS232, COM2 RS232/RS485 совместимы UART 16550, параллельный порт LPT1: поддерживает режимы SPP/EPP/ECP;

д) Ethernet интерфейс: контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместим NE2000;

е) таймер аппаратного сброса WatchDog, астрономический календарь-таймер с питанием от встроенной батареи , питание - 5 В ± 5 %, 2 А.

4.5 Выбор первичных преобразователей

Выбор датчиков уровня

Волновой уровнемер серии 3300. Измеряемая среда: нефть, вода, жидкости с высокой химической активностью. Исполнения: обыкновенное; взрывозащищенное Ех, Вн. Выходной сигнал: 4 - 20 мА с цифровым сигналом на базе HART - протокола.

Степень защиты от воздействия пыли и воды 1Р66.

Межпроверочный интервал - 1 год. Гарантийный срок эксплуатации 1 год. Внесен в Госреестр средств измерений под № 25547 - 03, сертификат № 15816. Датчик предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования, управления и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в унифицированный токовый сигнал.

Достоинства:

- точность измерений не зависит от диэлектрической проницаемости, плотнос-

ти, температуры, давления и рН;

- различные типы зондов позволяют применять датчик в резервуарах с внутрен-

ними конструкциями, турбулентностью и пеной;

- надежное измерение сыпучих веществ;

- простота установки;

- низкая стоимость кабелей;

- простота замены датчиков используемых ранее; возможно использование существующих конструкционных приспособлений от буйкового уровнемера;

- значительное сокращение эксплуатационных затрат.

Работа датчика.

Принцип его действия основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением. Микроволновые радиоимпульсу малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, из-за разности коэффициентов происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды.

Выбор датчиков давления

Датчики давления “МЕТРАН - 43”

Измеряемые среды: жидкость, пар, газ, в т.ч. газообразный кислород и ки-слородосодержащие среды при давлении не выше 1,6 МПа.

Исполнения: обыкновенное; взрывозащищенное Ех, Вн. Выходной сигнал:

0 - 5, 4 - 20, 0 - 20, 5 - 0, 20 - 4, 20 - 0 мА. Климатическое исполнение: УХЛ3.1, У 2, ТЗ. Степень защиты от воздействия пыли и воды: 1Р65.

Датчики давления серии “МЕТРАН - 43” предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в аналоговый унифицированный сигнал. Датчики работают с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, воспринимающими стандартный токовый сигнал. Датчики “МЕТРАН - 43”с микропроцессорным преобразователем имеют преимущества перед аналогичными датчиками с аналоговым преобразователем по всем показателям: метрологическим, функциональным, эксплуатационным.

Выбор датчиков температуры

Преобразователи термоэлектрические ТХА “МЕТРАН-241” и ТХК “М-242” Назначение: для измерения температуры жидких, твердых и газообразных продуктов. Количество чувствительных элементов: НСХ: ХА (К) - для ТХА.

“МЕТРАН - 241”; ХК (Ц) - для ТХК “МЕТРАН - 242”. Класс допуска: диапазон измеряемых температур: от минус 50 до минус 200°С. Рабочий спай: изолированный. Материал головки пластик АБС. Длину удлинительных проводов выбирать из ряда: 120, 250, 500, 800, 1000, 1600, 2000, 2500, 3150 мм.

4.6 Выводы и рекомендации по усовершенствованию. АСУ

Принцип модернизации заключается в следующем:

- во- первых, в улучшении качества технологического проекта, замена старых приборов на более совершенные и точные приборы, что позволит улучшить качество выпускаемой продукции, использование промышленных микроконтроллеров и SCADA-системы даст возможность оперативно управлять технологическим процессом, вести точный контроль и учет используемого сырья, конечной продукции, материальных ресурсов, что имеет большое значение в условиях постоянного повышения стоимости энергоресурсов и сырья;

- во - вторых, в улучшении культуры производства, рабочему персоналу будет легче обслуживать технологическое оборудование, что позволит уменьшить производственные травмы и профессиональные заболевания, и, следовательно, улучшение техники безопасности. Реконструкцию АСУТП блока ЭЛОУ следует провести в два этапа:

а) на первом этапе производится замена пневматических приборов и регулято-

ров на более совершенные электронные измерительные приборы типа “САПФИР 22 Д” или их аналогов “МЕТРАН 43, 44-Ех”.

б) на втором этапе вводится в действие двухуровневая АСУТП на базе SCADA - системы ТРАСЕ МО с использованием технологических моноблочных контроллеров ТКМ - 52 фирмы “ТЕКОН”.

5. Расчетная часть

5.1 Теоретическое обоснование выбора схемы регулирования

Система автоматического регулирования технологического процесса - это совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора взаимодействующих между собой.

В зависимости от характера информации о ходе технологического процесса используемой для целей управления, система автоматического регулирования подразделяется на следующие виды: по отклонению системы комбинированного регулирования; с использованием промежуточных регулируемых величин системы многосвязанного регулирования.