Модуль системы противоаварийной автоматической защиты цеха по получению литейных смол

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра электронного машиностроения

Расчетно-графическая работа №2

по дисциплине «Проектирование автоматизированных систем»

Модуль системы противоаварийной автоматической защиты цеха

по получению литейных смол

Екатеринбург

2011

Техническое задание

Техническое задание на разработку модуля системы противоаварийной автоматической защиты является основным документом, определяющим требования и порядок создания модуля, в соответствии с которым производится разработка модуля и его приемка при вводе в действие. Техническое задание разрабатывается на модуль в целом, который предназначен для работы в составе системы противоаварийной защиты. Согласно действующему законодательству техническое задание выполнено в соответствии с ГОСТ 34.602-89.

1. Обоснование параметров и требований

Автоматизация технологических процессов направлена помимо всего прочего и на обеспечение промышленной безопасности, предупреждение аварий, случаев производственного травматизма и т.п. на опасных производственных объектах. Объектом автоматизации данного проекта является химический реактор для получения литейных смол. Различные химические вещества согласно технологии изготовления подаются в реактор через соответствующие клапана, которые управляются основной системой автоматического управления (САУ) цеха. Связи с высокой категорией взрывоопасности и взрывопожароопасности (определено по ПУЭ) данная система регламентируется Федеральным законом №116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (см. ПБ 09-540-03). Следовательно, требуется на всех ответственных узлах, согласно ТУ, разработать систему автоматизированной защиты (ПАЗ), которая отвечает всем требованиям безопасности и надежности. В рамках данного проекта необходимо разработать модуль системы противоаварийной защиты, который будет контролировать изменение температуры в реакторе 1.Р1 и в случае аварийной ситуации выполнить перечень действий указанных в технических условиях для предотвращения аварии.

Контроль за состоянием клапанов и температурой в реакторе в текущей системе осуществляет основной системой автоматического управления (САУ) цеха. С точки зрения структурной логической схемы надежности САУ цеха является системой с последовательным соединением элементов (рис.1). При сбое в этой системе противоаварийная защита может не сработать, т.к. вероятность безотказной работы (ВБР) всей системы определяется как произведение ВБР ее элементов.

(1.1)

Из формул (1.1) очевидно, что даже при высокой надежности элементов надежность системы при последовательном соединении оказывается тем более низкой, чем больше число элементов (например, при р = 0.95 и n =10 имеем Р = 0.60, при n=15 Р =0.46, а при n = 20 P = 0.36). Кроме того, поскольку все сомножители в правой части выражения (1.1) не превышают единицы, вероятность безотказной работы ТС при последовательном соединении не может быть выше вероятности безотказной работы самого ненадежного из ее элементов (принцип “хуже худшего”) и из малонадежных элементов нельзя создать высоконадежной ТС с последовательным соединением.

В соответствии с п. 6.3.3 ПБ 09-540-03 «Нарушение работы системы управления не должно влиять на работу системы ПАЗ». Следовательно, необходимо разработать такую систему ПАЗ, которая независимо от сбоев САУ цеха в случае аварийной ситуации выполнить перечень действий указанных в ТУ для предотвращения аварии.

Рисунок 1. Структурнологическая схема надежности.

Разработка способа обеспечения безопасности, разделения модуля на отдельные блоки, его аппаратное оформление, выбор типа отключающих устройств и мест их установки, средств контроля и управления при обоснованной технологической и экономической целесообразности должны обеспечивать минимальный уровень взрывоопасности технологических блоков(реактора, клапанов и т.п.), входящих в технологическую систему. На этапе проектирования производится энергетическая оценка каждого технологического блока , дается обоснование эффективности и надежности мер и технических средств защиты, их способа обеспечивать взрывобезопасность данного блока и в целом всей технологической системы.

Также должно быть исключено срабатывание модуля от случайных и кратковременных сигналов нарушения нормального хода технологического процесса, в том числе и при переключении на резервный или аварийный источник электропитания. В случае отключения электроэнергии для питания систем контроля и управления модуля необходимо обеспечить перевод клапанов в безопасное состояние (открыть). Необходимо также исключить возможность произвольных переключений при восстановлении питания. Возврат технологических объектов в рабочее состояние после срабатывания модуля системы ПАЗ выполняется обслуживающим персоналом.

Персонал обязан соблюдать требования инструкций по охране труда, указания, полученные при инструктаже. Работники, принимаемые для выполнения работ по эксплуатации и ремонту системы, должны иметь высшее электротехническое образование, профессиональную подготовку, соответствующую характеру работы.

Значение уставок модуля определяется с учетом погрешности срабатывания сигнальных устройств средств измерения и быстродействия системы. При этом время срабатывания системы защиты должно быть меньше времени, необходимого для перехода параметра от предупредительного до предельно допустимого значения.

Контроль над параметрами, определяющими взрывоопасность технологических процессов должно осуществляться не менее чем от двух независимых датчиков с раздельными точками отбора.

2 Состав и содержание работ по созданию системы

Состав и содержание работ при создании системы приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Состав и содержание работ при создании системы ПАЗ.

Стадии	Этапы работ
1. Формирование требований к модулю системы ПАЗ	1.1. Обследование объекта и обоснование необходимости создания модуля системы ПАЗ 1.2. Формирование требований пользователя к модулю системы ПАЗ 1.3. Оформление отчета о выполненной работе и заявки на разработку модуля системы ПАЗ (тактико-технического задания)
2. Разработка концепции модуля системы ПАЗ	2.1. Изучение объекта 2.2. Проведение необходимых научно-исследовательских работ 2.3. Разработка вариантов концепции АС, удовлетворяющих требованиям пользователя 2.4. Оформление отчета о выполненной работе
3. Техническое задание	3.1 Разработка и утверждение технического задания на создание модулю системы ПАЗ
4. Эскизный проект	4.1 Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям 4.2 Разработка документации на модуль системы ПАЗ и ее части
5. Технический проект	5.1 Разработка проектных решений по системе и ее частям 5.2 Разработка документации на модуль системы ПАЗ и ее части 5.3 Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования модуля системы ПАЗ и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку 5.4 Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации
6. Рабочая документация	6.1 Разработка рабочей документации на систему и ее части 6.2 Разработка или адаптация программ
7. Ввод в действие	7.1 Подготовка объекта автоматизации к вводу модулю системы ПАЗ в действие 7.2 Подготовка персонала 7.3 Комплектация модулю системы ПАЗ поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями) 7.4 Строительно-монтажные работы 7.5. Пусконаладочные работы 7.6. Проведение предварительных испытаний 7.7. Проведение опытной эксплуатации 7.8. Проведение приемочных испытаний
8. Сопровождение	8.1. Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами 8.2. Послегарантийное обслуживание

3. Технические требования к системе ПАЗ

Основные технические условия технические требования к системе ПАЗ приведены в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 3.1. Технические параметры средств измерения.

Параметр	Требования ТЗ
Частотный диапазон	f 0 - 25 кГц
Точность при 25 °С X	±1 %
Нелинейность	± 0,5 %
Время ??50 мкС
Рабочая температура	ТА -20 - +70 С
Измерительный диапазон	-20...+300С
Выходной сигнал датчика (двухпроводная система)	4..20 мА
Исполнение	Ех, для взрывоопасных помещений

Таблица 3.2. Технические условия "Системы ПАЗ"

Модуль системы ПАЗ	1.Р1	Аварийная ситуация	Причины	Действия	Арматура
		Для производства смол "Резоформ"
		При превышении скорости роста температуры свыше 100 С/ минуту	Возникновение неконтролируемой экзотермической реакции	1) Подать порционно пожарохозяйственную воду в реактор до верхнего уровня	Открыть клапан 1.КЛ338 (001/08-660-ТХ00)
				2) Выгрузить реакционную смесь в аварийную емкость	Открыть клапан 1.КЛ310 (001/08-660-ТХ00)
				3) Реактор промыть продуть азотом	В ручном режиме

Введение

Современный подход к автоматизации заключается в формировании автоматизированных систем управления и защиты как главного элемента единой системы защиты процесса. Классическая система управления технологическими процессами (АСУТП) в самом общем виде объединяет в себе два взаимосвязанных компонента:

1. Система Противоаварийной Защиты - ПАЗ;

2. Распределенная Система Управления - РСУ.

При непосредственном выборе и проектировании программно-технического комплекса часто рассматривается только центральная часть системы - основное оборудование АСУТП. При этом совершенно упускается из виду общая надежность контуров управления и защиты - функций безопасности, - начиная от датчиков, и заканчивая исполнительными устройствами.

Современные международные стандарты безопасной автоматизации предписывают рассматривать системы управления и защиты комплексно, целиком, причем одновременно и в самом широком и всестороннем смысле - как всеобъемлющие системы безопасности, и как конкретную систему для конкретного технологического объекта.

Ключевым аспектом современного подхода является концепция жизненного цикла, определяющая все этапы существования системы от зарождения идеи до списания. Современные стандарты дают возможность перейти от интуитивных представлений о достаточности той или иной архитектуры к количественным оценкам вероятности отказа, и дают соответствующие соотношения, позволяющие определить интегральную безопасность системы. В последние годы появились добротные отечественные нормативные документы по анализу рисков и оценке последствий отказов:

1. РД 03-418-01 "Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов";

2. ГОСТ 27.310-95 "Анализ видов, последствий и критичности отказов".

Согласно РД 03-418-01, из категорий и критериев тяжести отказов следует, что взрывоопасные объекты нефтегазодобывающей, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности относятся к объектам, для которых количественный анализ риска обязателен.

Таким образом, у производственников появляется формальная основа для предъявления требований к поставщикам оборудования и разработчикам систем, соответствие которым будет обеспечивать приемлемый уровень риска в реальных обстоятельствах. Главные вопросы, на которые необходимо получить ответ, прежде чем приступить к реализации данного проекта, состоят в следующем:

1. Как обрести уверенность, что система обеспечит безопасность, то есть действительно выполнит заложенные функции защиты, когда в этом возникнет необходимость?

2. Как должна быть построена система, чтобы исключить возможность ложных, немотивированных остановов технологического процесса по вине оборудования системы?

3. Как должно быть организовано техническое обслуживание АСУТП (автономное тестирование, диагностика, самодиагностика), чтобы технологический персонал не растерял доверия к ее дееспособности?

Тенденция развития современных стандартов безопасности заключается в разработке формальных правил, методик, алгоритмов для оценки и сертификации уровня безопасности не просто для применяемого оборудования, но самой системы безопасности как комплексной системы защиты конкретного технологического процесса.[2]

1. Описание объекта и технологии

1.1 Общие сведения и назначение модуля системы ПАЗ

Разрабатываемый модуль системы противоаварийной автоматизированной защиты предназначен для защиты химического реактора 1.Р1 для производства литейных смол. Модуль служит средством обеспечения безопасной работы всей системы автоматического управления цеха. В рамках данной работы требуется спроектировать модуль который отвечает всем требованиям безопасности и надежности и способен функционировать независимо от САУ цеха. При этом уровень защиты от аварийных ситуации должен быть выше, чем при действующей системе.

Структурная схема процесса контроля и предотвращения аварийной ситуации приведении на рис.1.1. В случае возникновения аварийной ситуации сигнал с датчика ТТ2 поступает на ПЛК ПАЗ, который открывает клапана КЛ1 для гашения смеси пожарнохозяйственной водой, затем открывается клапан КЛ2 для сброса загашенной смеси в аварийную емкость. Если произойдет сбои и ТТ2 не выдаст необходимый сигнал, то САУ цеха получив сигнал с датчика ТТ1 передаст его на ПЛК ПАЗ, который откроет в нужной последовательности клапана КЛ1 и КЛ2.

Рисунок 1.1. Структурная схема процесса контроля и предотвращения аварийной ситуации.

1.2 Требования к модулю системы ПАЗ и характеристика объекта автоматизации

Цех по получению смол разделен на технологические участки. Которые в свою очередь представляют собой комплекс технологического оборудования (реактора, баки, насосы, весы, мерники, трубопроводы и т.д.) оснащенные датчиками и исполнительными механизмами. Основные задачи системы управления цеха(САУ) - перекачка растворов (управление задвижками и насосами), контроль весовых характеристик перекачиваемых жидкостей, контроль параметров в технологических реакторах, управление мешалками в баках и т.п.. Объектом автоматизации данного проекта по техническому заданию является химический реактор для получения литейных смол. Различные химические вещества согласно технологии изготовления подаются в реактор через соответствующие клапана, которые управляются основной системой автоматического управления (САУ) цеха. В процессе варки смол, помимо основных компонентов через регулирующий клапан 1.КР1 поступает водный раствор NaOH. При дозировке водного раствора NaOH в реактор начинается экзотермическая реакция. В случае резкого повышения температуры реакционной смеси выше 98^оС предпринимаются меры по выведению системы в штатный режим САУ цеха (см. прилагаемую инструкцию Производство смолы марок «Резоформ NB 95F» в реакторе поз. 1.Р1). В случае если упомянутые меры не в состоянии нормализовать процесс и скорость возрастания температуры становится критической необходимо немедленно загасить реакционную смесь пожарнохозяйственной водой и слить ее в специальный аварийный бак. Задачей данного проекта разработать такую систему ПАЗ, которая за минимально короткое время способна обнаружить критическое изменение температуры и с высокой долей вероятности предотвратить развитие аварийной ситуации.

2. Уточненная постановка задачи

2.1 Специфика автоматизированных систем

Многие неприятности, связанные с системами зашиты, связаны с НЕ учетом специфики этих систем. Системы управления вообще, а системы противоаварийной защиты в особенности обладают рядом специфических свойств, присущих только этим системам:

1. Система защиты может формально находиться в работе, но в момент наступления опасного события на процессе не способна отреагировать на него. Подобный тип отказа принято называть опасным отказом.

2. Система защиты может совершить ложный немотивированный аварийный останов процесса, в то время как в действительности ничего опасного в процессе не произошло. Подобный тип отказа называют "безопасным" отказом.

Любой останов и запуск производства - это серьезные и ответственные операции, не говоря об экономических потерях. Процедура останова, предназначенная для защиты процесса, сама по себе представляет значительную опасность, ибо требует согласованного изменения состояния многих элементов технологического оборудования, и зависит от безупречного выполнения вполне определенных последовательностей операций - как автоматических, так и согласованных действий технологического персонала. Каждому, кто соприкасался с современными крупнотоннажными взрывоопасными технологическими процессами не надо объяснять, что любой останов - чрезвычайное происшествие на производстве, связанное с серьезным риском и для людей, и для оборудования.

Тем более, ложный останов, исходящий из системы, предназначенной для предотвращения аварийных ситуаций, -нонсенс, в причинах которого необходимо разобраться. .[2]

В условиях существующей системы ложный отказ приводит к переводу продукции, находящейся в реакторах, в разряд бракованной.

Особо подчеркивается, что в общей структуре отказов основную долю отказов несут полевые устройства. Распределение частоты отказов по главным компонентам [2] систем защиты приведены в таблице 1.

Таблица 2.1. Распределение частоты отказов по компонентам систем защиты

Тип устройства	Отказы, %
Датчики	35
Центральная часть системы (ПЛК)	15
Исполнительный элемент	50

Поэтому при создании систем безопасности основной упор должен делаться на модернизацию полевого оборудования, сертифицированного на применение в системах защиты, и с режимом оперативной диагностики в реальном времени. Реализация этой функции предоставляется специализированными системами обслуживания полевого оборудования -Plant Asset Management Systems. Появление этих систем стало возможным с созданием полевого оборудования, способного в режиме on-line взаимодействовать с системой обслуживания по гибридным аналогово-цифровым протоколам типа HART, или полностью цифровым протоколам типа Fieldbus.

Потенциальная возможность несрабатывания и ложного останова затрагивает самый сложный аспект безопасности, связанный с участием человека, или, говоря сугубо утилитарным современным языком, с мощнейшим воздействием так называемого "человеческого фактора". Люди - существенно нелинейные системы и вообще склонны к катастрофическому поведению. Именно человек является основным источником ошибок. И система безопасности должна строиться с учетом склонности людей к безрассудному поведению и неоправданному риску.

Вместе с тем, анализ применяемых схем защиты показывает, что повышенная вероятность опасных отказов и ложных срабатываний может быть заложена в систему изначально на этапе проектирования.

2.2 Общие требования к системе ПАЗ

Методы и средства защиты технологических объектов выбираются на основе анализа опасностей и условий возникновения и развития предаварийных и аварийных ситуаций, особенностей технологических процессов и аппаратурного оформления.

Система безопасности (ПАЗ) должна обеспечивать:

1. Сбор аналоговой и дискретной информации от датчиков технологических параметров, и дискретных параметров состояния исполнительных механизмов.

2. Выделение достоверной входной информации.

3. Анализ и логическую обработку входной информации.

4. Автоматическую выдачу сигналов двухпозиционного управления на исполнительные механизмы.

5. Дистанционное управление исполнительными механизмами со станции технолога-оператора САУ при условии санкционированного доступа, либо со специальной оперативной панели ПАЗ.

6. Передачу оперативной информации от системы ПАЗ в САУ для сигнализации, регистрации и архивирования (отклонение параметров, срабатывание исполнительных механизмов ПАЗ, и т.п.).

7. Выделение первопричины останова технологического процесса.

8. Самодиагностику состояния технических средств системы ПАЗ.

В системах ПАЗ запрещается мультиплексирование входных параметров, определяющих взрывоопасность процесса.

3. Варианты решения проектных задач

3.1 Выбор программируемого логического контроллера

В соответствии с техническим заданием система ПАЗ должна контролировать температуру в реакторе 1.Р1, и в случае ее резкого изменения (возрастания) должна перевести систему в безопасное состояние. Требуется контролировать не превышения какого-то уровня температуры, а скорость возрастания параметра (температуры) - следовательно, спроектировать систему на РКС или логических модулях (например, LOGO! SIEMENS) не представляется возможным, т.к. требуются математические расчеты функций скорости возрастания температуры. Поэтому данную задачу можно решить только применив в системе программируемый логический контроллер (ПЛК). Данный контроллер должен отвечать всем требованиям безопасности и надежности.

Безопасные программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это техника специального назначения, которая используется для обеспечения задач безопасности и критического управления в системах автоматизации. Эти контроллеры являются центральным компонентом систем безопасности, и предназначены для выявления потенциально опасных технологических ситуаций, и предотвращения их дальнейшего развития. В том случае, если подобная ситуация все-таки возникает, система безопасности программируется таким образом, чтобы автоматически перевести процесс в безопасное состояние.

Существуют серьезные ограничения на использование ПЛК, в особенности при временных ограничениях на восстановление работоспособности после сбоя. ПЛК общего назначения, не имеющие специального допуска на применение в системах защиты, не могут использоваться в критичных по отношению к безопасности приложениях.

Безопасные программируемые логические контроллеры специально спроектированы для достижения двух важнейших целей:

1. Обеспечение безотказности за счет достаточного уровня резервирования и, если отказа все же не удается избежать,

2. Отказ должен сказываться на процессе только предсказуемым, безопасным образом.

Для того чтобы наделить системы данным набором качеств, предпринимается ряд специальных проектных решений. Безопасные ПЛК имеют изощренную внутрисистемную аппаратную и программную диагностику, которая позволяет программно-техническому комплексу с большой степенью достоверности определять собственную нештатную работу:

1. Безопасные ПЛК имеют специальные средства для проверки правильности и надежности программного обеспечения.

2. Безопасные ПЛК по определению используют резервирование, которое позволяет поддерживать безопасность технологического процесса даже при отказе части оборудования.

3. Безопасные ПЛК имеют дополнительные средства защиты операций чтения и записи по каналам связи.

Системы, предназначенные для выполнения задач управления и защиты технологических процессов, - это детерминированные системы, то есть такие системы, которые должны обеспечивать реакцию на событие в течение известного предопределенного интервала времени при любых обстоятельствах. [2]

Все элементы системы - от сенсора до исполнительного механизма - должны обеспечивать не абстрактное "математически" ожидаемое, а точно известное время реакции.

Сказанное означает, что детерминированная система должна обладать значительной аппаратной и функциональной избыточностью по всем компонентам системы: процессоры, память, шины данных, количество каналов ввода-вывода, частота сканирования каналов и программ, и т. д.

Промышленные сети также должны подчиняться этим требованиям: характеристикой промышленной сети должно быть гарантированное время реакции на событие, а не средняя скорость передачи.

Для недетерминированных систем собственные вычислительные ресурсы и средства коммуникации могут внести непредсказуемые задержки в силу различных внешних и внутренних причин:

1. Обработка асинхронных прерываний извне;

2. Отсутствие реальной многозадачности и неумение работать по приоритетам;

3. Ожидание освобождения общего ресурса (процессор, память, драйвер...);

4. Использование устройств с непредсказуемым временем реакции (позиционирование жесткого диска) и тому подобное.

То, что недетерминированные системы не способны обеспечить заданное время реакции даже при отсутствии внешних причин, испытано всеми пользователями Windows.

Детерминированное, предсказуемое поведение системы неразрывно связано с понятием жесткого реального времени. В жесткой системе:

1. Опоздания не допускаются ни при каких обстоятельствах;

2. Опоздание считается катастрофическим сбоем;

3. Цена опоздания очень велика.

Таким образом, системы безопасности в целом и безопасные ПЛК в частности, должны обеспечивать гарантированное время реакции на события. Это требование предполагает жесткий временной цикл работы системы, рассчитанный на самую неблагоприятную ситуацию по событиям.

Безусловно, между обычными ПЛК и ПЛК, предназначенными для решения задач безопасности, есть много общего. Например,

1. И те, и другие могут опрашивать входы, производить вычисления и выдавать управляющие воздействия,

2. И те, и другие имеют модули ввода-вывода, которые позволяют им интерпретировать ситуацию на процессе и воздействовать на исполнительные элементы,

3. И те, и другие имеют интерфейсное и сетевое оборудование.

4. Но существенным является другое:

5. Обычные ПЛК изначально не спроектированы как отказоустойчивые и безопасные системы.

6. Обычные ПЛК не гарантируют детерминированного поведения системы.

И в этом состоит фундаментальная разница.

Появление международных стандартов безопасности, определяющих особые требования к проектированию, производству и конкретной реализации безопасных ПЛК, связано с всё большим усложнением технологических процессов, и соответствующим увеличением количества и масштабов аварий на производстве. Все, что способно снизить уровень этих требований, рассматривается как проявление легкомыслия и с профессиональной, и с социальной точки зрения, и с позиции коммерческих интересов.

На сегодняшний день на рынке представлено множество разнообразных контроллеров, разных производителей, для всевозможных функции управления. В рамках данного проекта, при выборе контроллера, мною были рассмотрены следующие производители, [2] имеющих соответствующее разрешения на применение определенных моделей ПЛК для целей защиты технологических процессов:

1. ABB;

2. HIMA;

3. Honeywell

4. Siemens Energy & Automation;

5. Yokogawa.

А также другие производители, не имеющие соответствующего разрешения, [3] но обладающие приемлемыми техническими характеристиками и высокой надежностью:

1. Schneider Electric;

2. Mitsubishi Electric;

В результате отбора по критериям доступности и широкой распространенности я выбрал три типа ПЛК для последующего анализа их технических характеристик:

1. Siemens Simatic S7 Fail-Safe (F/FH);

2. ALPHA XL Mitsubishi Electric;

3. Siemens Simatic S7-200.

Помимо этих контроллеров рассматривался также вариант Twido Compact Schneider Electric, [4] но в силу ограничений по объему данного проекта, а также примерно одинаковые технические характеристики с Siemens Simatic S7-200, я оставил только три типа ПЛК.

По техническому заданию в рамках данного проекта необходимо создать модуль системы ПАЗ, но на базе каких ПЛК в тех. задании не отражено. Однако известно, что САУ цеха построена на базе контроллеров Siemens ET200S. Было бы логично спроектировать модуль системы ПАЗ на одной элементной базе с главной системой управления цеха. Следуя рекомендациям производителя, [3] в рамках данного проекта мною был рассмотрен контроллер Siemens Simatic S7 Fail-Safe (F/FH). Данные ПЛК в сочетании со станциями распределенного ввода-вывода ET200S позволяют создавать распределенные системы автоматики безопасности и противоаварийной защиты (F-системы), в которых возникновение аварийной ситуации не создает опасность для обслуживающего персонала и угрозы для окружающей среды. В S7 F/FH системах применяются специализированные центральные процессоры(F/FH-CPU), разработанные на основе соответствующих стандартных моделей и поддерживающих функции автоматики безопасности и ПАЗ на уровне своей операционной системы. Во время работы все F/FH-CPU обеспечивают возможность независимого функционирования двух секций программы:

1. S-секции, обеспечивающей поддержку стандартных функций управления;

2. F-секции, поддержку функций противоаварийной защиты и автоматики безопасности.

Срабатывание системы ПАЗ не отражается на выполнении S-секции и наоборот.

Во время работы центральный процессор выполняет обширный набор функций самодиагностики, диагностики команд, проверок логического и временного протекания программы. Дополнительно осуществляется проверка работоспособности периферийных устройств. При выявлении ошибки технологическое оборудование переводится в безопасные состояния.

Основные технические параметры и предварительный экономический расчет Simatic S7 Fail-Safe (F/FH)приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технико-экономические параметры контроллера Simatic S7 Fail-Safe

Перечень оборудования	Цена, €	Основные технические параметры
Процессорный блок(IM 151-7F-CPU)	710	Напряжение питания - 24 В; Допустимый перерыв в питании - 5 мкс; Потребляемая мощность - 3,3 Вт; Рабочая память объемом 64 Кбайт; Время вып. логических операций-0,1мкс; Время вып. операций со словами-0,2мкс; Арифметические операции с фиксированной точкой - 2мкс; Арифметические операции с плавающей точкой - 3мкс; Время отклика - 0.3 мс. Обширный набор функций самодиагностики, диагностики команд.
Модуль ввода (4/8 DI = 24B)	209
Модуль ввода (SM336:6-F-AI 4-20mA)	220
Модуль вывода (4/8 DI = 24B)	750
Терминальный модуль ТМ-Е 3 шт.	100
Модуль контроля питания РМ-Е 24 В	268
Карта памяти ММС	50
Опциональный пакет S7 F-systems V6.	1200
Итого в €:	3507
Итого в рублях:	140280

Таким образом ПЛК Simatic S7 Fail-Safe является наиболее логичным и высоконадежным решением при выборе контроллера системы ПАЗ и автоматики безопасности. Однако ценовая категория, в которой находится данный контроллер, не позволяет однозначно утверждать, что это будет наиболее рациональное решение.

Поэтому следовало бы рассмотреть более бюджетный вариант контроллера такой как, например, ALPHA XL Mitsubishi Electric. ПЛК Альфа позволяет создавать компактные, гибкие, многофункциональные и недорогие системы управления за счёт:

1. Значительного упрощения релейно-контакторной схемы;

2. Компактной реализации разнообразных защит в комплексе и быстрого определения причин аварии по коду ошибки (от переполнения, от механических повреждений, перегрева, и других аварийных ситуаций, которые можно зафиксировать датчиками);

3. Постоянного мониторинга, в том числе и дистанционного, показателей системы ;

4. Возможности регулирования, в том числе и дистанционного, различных физических величин.

Основные технические параметры и предварительный экономический расчет ALPHA XL приведены в таблице 3.

Таблица 3. Технико-экономические параметры контроллера ALPHA XL

Перечень оборудования	Цена, €	Основные технические параметры
Базовый блок(AL2-24-MR-D)	225	Напряжение питания - 24 В; Допустимый перерыв в питании - 5 мкс; Потребляемая мощность - 5 Вт; Время отклика - 8-20 мс; Широкий диапазон рабочих температур (от -25°C до +55°C).
Пакет программирования (AL-PCS)	48
Карта памяти 200(Фб) AL-EEPROM-2	30
Итого в €:	303
Итого в рублях:	12120

Таким образом, ПЛК ALPHA XL Mitsubishi Electric является наиболее бюджетным вариантом при выборе контроллера для системы ПАЗ. Однако данный контроллер можно рассматривать только как крайний вариант, т.к. данный ПЛК не относится к контроллерам высокой надежности и в рекомендациях производителя отмечено, что не рекомендуется применять данный тип контроллера в системах где существует вероятность угрозы здоровью человека или иных опасных последствий.

Одним из ведущих производителей ПЛК на сегодняшний день является компания Siemens, выпускающая большое количество различных типов контроллеров для разнообразных функций управления. И помимо уже рассмотренного Simatic S7 Fail- Safe хотелось бы остановится на достаточно надежном и проверенным временем контроллере SIMATIC S7-200. Программируемые контроллеры данного типа предназначены для построения относительно простых систем автоматического управления, отличающихся минимальными затратами на приобретение аппаратуры и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и узлов, поддерживающих интенсивный коммуникационный обмен данными через сети Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, AS-Interface, MPI, PPI, MODBUS, системы телеметрии, а также через модемы. Следовательно, данный контроллер при определенных условиях обладает аппаратной и программной избыточностью. Поэтому существует возможность создания детерминированные системы.

Основные технические параметры и предварительный экономический расчет SIMATIC S7-200 приведены в таблице 4.

Таблица 4. Технико-экономические параметры контроллера SIMATIC S7-200

Перечень оборудования	Цена, €	Основные технические параметры
Центральный процессор CPU 222	209	Напряжение питания - 24 В; Допустимый перерыв в питании - 5 мкс; Потребляемая мощность - 2 Вт; Время отклика - 2-8 мс; Диапазон рабочих температур (от 0°C до +50°C).
Модуль ввода AI (EM231)	236
Пакет программирования(Step 7micro)	300
Итого в €:	745
Итого в рублях:	29800

Исходя из технико-экономических параметров SIMATIC S7-200, а также ввиду наличия определенного опыта программирования и наладки данного ПЛК считаю наиболее рациональным решениям использовать при проектировании системы ПАЗ именно этот контроллер.

3.2 Выбор датчика температуры

При выборе датчика температуры нужно помнить, что оборудование КИПиА один из самых ответственных элементов системы ПАЗ. В случае ложного срабатывания датчика или, наоборот, в случае опасного отказа система ПАЗ будет не в состоянии адекватно оценить ситуацию и соответственно перевести систему в безопасное состояние. Следовательно, датчики должны соответствовать всем заявленным критериям надежности и безопасности. На сегодняшний день на рынке представлено множество разнообразных датчиков температуры, разных производителей, всевозможных диапазонов измерения. В рамках данного проекта, при выборе датчика, мною были рассмотрены следующие производители:

1. Aplisens (CTR-ALW/9/Ex/316/SN/600/120/+20..+120);

2. Теплоприбор (ТСМУ3222,0..150, 600мм.,УХЛ3.1,ОЕхiaIIBT5x);

3. Метран (ТСМУ Метран-271-08-Ехd-630-0,5-Н10-(-40..300)-4..20мА-БК-Т6).

Основные параметры указанных датчиков приведены в таблице 5.

Таблица 5. Сравнение вариантов решений при выборе датчика температуры

Параметры	По ТЗ	Теплоприбор	Aplisens	Метран
Чувствительный элемент	-	Термопара К	Pt100	Pt100
Точность при 25 °С	±1 %	±0,5 %	±0,1 %	±0,5 %
Нелинейность	± 0,5 %	± 0,1 %	± 0,05 %	± 0,1 %
Рабочая температура	ТА -20 - +70 С	ТА -40 - +60 С	ТА -40 - +80 С	ТА -40 - +60 С
Измерительный диапазон	-20...+300С	-20...+300С	-200.+550С	-40...+300С
Выходной сигнал датчика	4..20 мА (двухпроводная система)	4..20 мА (двухпроводная система)	4..20 мА (двухпроводная система)	4..20 мА (двухпроводная система)
Исполнение	Ех, для взрывоопасных помещений	Ех, для взрывоопасных помещений	Ех, для взрывоопасных помещений	Ех, для взрывоопасных помещений

Таким образом, наиболее высокие метрологические параметры имеет датчик компании Aplisens. [5] Следовательно, для контроля температуры (скорости изменения) в реакторе я выбрал именно этот датчик.

4. Описание конструкции и работы системы ПАЗ

4.1 Структура системы ПАЗ

В соответствии с техническим заданием система ПАЗ - это физически отдельная система управления предусмотрена для реакторов 1.Р.1. В процессе проектирования мною были выделены датчик, исполнительные механизмы и указаны алгоритмы перевода технологического процесса в безопасное состояние при самом худшем сценарии развития отказа основной системы управления (САУ цеха).

Функциональная и структурная схемы ПАЗ приведены в приложении.

Срабатывание алгоритма ПАЗ приводит к переводу продукции, находящейся в реакторах, в разряд бракованной.

Система ПАЗ имеет полностью независимую структуру:

1. Содержит свой датчик и исполнительные механизмы не связанные с основной системой управления;

2. Содержит свой контроллер, управляющий алгоритмом работы ПАЗ;

3. Кабельные трассы системы ПАЗ проложены независимо от основной системы управления;

4. Система ПАЗ оснащена собственным источником бесперебойного питания;

5. Система ПАЗ выдает диагностический и предупредительные сигналы в САУ цеха.

4.2 Требования к функционированию системы ПАЗ

От контроллера ПАЗ в контроллер АСУТП передаются дискретные сигналы:

1. Контроллер ПАЗ в работе (включен);

2. Предварительная сигнализация по параметру «скорость возрастания температуры»;

3. Осуществлен аварийный останов производства по параметру «скорость возрастания температуры»;

4. Положение исполнительных механизмов, входящих в систему ПАЗ .

САУ цеха должна отображать для оператора и вести протокол получения этих сигналов. При отсутствии сигнала «контроллер ПАЗ в работе» САУ цеха должна самостоятельно выполнить процедуру штатного останова производства и заблокировать дальнейшую работу системы.

Программное обеспечение контроллера ПАЗ должно содержать следующие настройки, которые должны быть уточнены при наладке и должны быть включены в отчет о результатах проведения пуско-наладочных работ:

1. Уставка выдачи предварительной сигнализации по параметру «скорость возрастания температуры»;

2. Уставка осуществления аварийного останова производства по параметру «скорость возрастания температуры»;

3. Уставка «порционности» подачи пожарнохозяйственной воды (время открытого состояния клапана подачи пожарнохозяйственной воды).

Для выполнения требований п.6.3.2 ПБ [1] датчик температуры (средний срок службы -12 лет) должны быть заменены на новые через 4 года их эксплуатации, а контроллер (MTBF 42 года) - через 14 лет.

4.3 Принцип работы и конструктивные особенности системы ПАЗ

Модуль системы ПАЗ состоит из трех функциональных частей:

1. Шкаф системы ПАЗ (Шпаз);

2. Исполнительные механизмы (запорные клапана);

3. Средства измерения (датчик температуры).

В рамках данного проекта исполнительные механизмы рассматриваются как элементы технологического раздела документации, не имеющего прямого отношения к разделу автоматики. Следовательно, выбор запорных клапанов с электропневмораспределителем осуществляется специалистами-технологами, так как специфика каждого трубопровода и особенности технологических процессов известны только им.

Шкаф ПАЗ представляет собой отдельно вынесенный в безопасную зону элемент системы. Конструкторская документация на данный шкаф также не рассматривается в данной работе, так как является следующим шагом проектирования, а в рамках данного проекта требуется только обоснованные технические решения. Однако для общего понимания структуры системы эскизный чертеж шкафа, а также спецификация оборудования приведены в приложении.

Датчик температуры конструктивно располагается в нижней части реактора и представляет собой термопару в защитном корпусе из нержавеющей стали (платиновый термометр сопротивления). В верхней части защитного корпуса встроен цифровой блок памяти корректировок измерительного элемента. Также в алюминиевом корпусе со степенью защиты IP66 размещен двухпроводный цифровой преобразователь выдающий унифицированный сигнал 4...20 мА. Конфигурируемый жидкокристаллический индикатор с подсветкой позволяет отображать значение измеряемой температуры. Способ крепления на реактор в соответствии с заказным номером - через стандартный штуцер 20х1,5. Чертеж вварной бонки приведен в приложении. Сборочный чертеж не разрабатывался, так как предполагается выдача задания технологам в виде чертежа вварной бонки, а конструктивное расположение и сборочный чертеж этой бонки разрабатывается на этапе создания проектной документации на ректор инженерами-технологами. Чертеж самой термопары также не приведен ввиду того что данное изделие является стандартным и всегда может быть заменена на аналог. Также в качестве исходных данных в приложении приведен чертеж реактора от технологического отдела.

Помимо всего перечисленного предусмотрены две аварийные кнопки на пульте оператора, расположенного в операторском помещении и непосредственно в производственном помещении. При отказе датчика температуры или других неконтролируемых событиях нажатие на любую из этих кнопок приведет к срабатыванию системы ПАЗ и перевод технологического процесса в безопасное состояние.

Заключение

В процессе проектирования системы ПАЗ мною было рассмотрен ряд важных задач создания этих систем. Анализируя требования нормативных документов и правил, я пришел к выводу, что проектирование подобных систем требует комплексного подхода. Поэтому важным аспектом при создании системы ПАЗ является выявление на этапе проектирования возможных рисков и количественный анализ безопасности всей системы. Современные стандарты дают возможность перейти от интуитивных представлений о достаточности той или иной архитектуры к количественным оценкам вероятности отказа, и дают соответствующие соотношения, позволяющие определить интегральную безопасность системы.

Список используемой литературы

система противоаварийная защита автоматизация

1. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-540-03. Екатеренбург.:Уралюриздат,2010-72 стр.

2. Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. Учебно-практическое пособие.-М.:Инфра-Инженерия, 2008.-928стр.

3. Каталог продукции.-Компания Siemens. www.siemens.ru.iadt (21 июня 2011).

4. Каталог продукции.-Компания Schneider Electric. www.schneider-electric.ru/sites/russia/ru/ (21 июня 2011).

5. Каталог продукции.-Компания Aplisens. http://www.epr.by/categories (21 июня 2011)

Размещено на Allbest