Проектирование автоматизированной системы управления насосной станцией НПС "Апрельская"

Транспортирование ценных нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам требует надежных и хорошо функционирующих систем управления.

Выпадение из графика работы технологического процесса даже на несколько часов вызывает значительные потери и ущерб как для организации-эксплуатационника магистрали, так и для принимающей транспортируемый продукт стороны.

Надежность и экономичность эксплуатации какой-либо трубопроводной магистрали не может обеспечиваться простым совместным монтажом и сборкой даже самых отличных двигателей, насосов, арматуры и труб, если отсутствуют дополнительные устройства управления технологическим процессом, отсутствует оборудование безопасности, а также измерительные средства и оборудование передачи данных, обеспечивающие работу системы в соответствии с предписаниями технологии.

В системе автоматизации предусматривается:

- автоматическая защита оборудования насосной и магистрального нефтепровода;

- автоматическое регулирование давления на нагнетании и всасывании станции;

- программное управление каждым исполнительным механизмом, т.е. управление насосным агрегатом, задвижкой и т.д.

Автоматическая защита заключается в автоматическом выполнении операций управления основным и вспомогательным оборудованием, обеспечивающим локализацию аварийных ситуаций. Схемы защиты подразделяются на допускающие и не допускающие повторный дистанционный запуск насосных агрегатов из диспетчерского пункта.

Аварийные ситуации могут быть связаны с авариями непосредственно на станции. К ним относятся: аварийная загазованность, пожар, недопустимые изменения давления нефти на всасывании и нагнетании насосной.

При аварийной загазованности и пожаре в отделении насосов защита отключает все магистральные насосные агрегаты всех систем НПС, кроме вентиляционной установки (в случае загазованности).

Магистральные насосные агрегаты отключаются по программе с закрытием задвижек на всасывании и нагнетании каждого агрегата.

При регулировании давления в магистральных трубопроводах необходимо одновременно удовлетворять требованиям как надежности, так и экономичности. Главная задача много насосных нефтеперекачивающих станций заключается в увеличении линейного давления в такой степени, чтобы в результате можно было выполнить задачу по транспортированию продукта в требуемый срок. Система регулирования должна обеспечить поддержание давления в определенных пределах как на стороне всоса, так и на выходной стороне, и, одновременно с этим, должна защищать линию также и от изменения давления, вызываемого прочими факторами.

Главной характерной особенностью регулирования является следующее: регулирующую заслонку открывать надо медленно, а закрывать - быстро.

Исправность рабочего насоса обычно контролируется по давлению на нагнетании, так как большинство неисправностей этих агрегатов приводит к уменьшению этого давления. Если через несколько секунд после команды на запуск насосный агрегат не разовьет требуемого давления, он отключается и запускается другой агрегат системы, выбранный переключателем в качестве резервного. Одновременно в операторной включается сигнал неисправности. Сигнал в операторной дается по каждой вспомогательной системе индивидуально. Если через несколько секунд давление не достигнет установленной величины, он отключается и дается команда в систему защиты перекачивающей насосной на ее аварийное отключение.

При остановке перекачивающей насосной дается команда на отключение всех систем.

2.2 Структура системы автоматизации

2.3.1 Выбор средств измерения

Произведем выбор датчиков температуры для подшипников четырех подпорных агрегатов, а также для измерения температуры нефти в корпусе насоса.

На насосных агрегатах температура измеряется на трех подшипниках: верхний, нижний и опорный. Для выбора датчика температуры будем руководствоваться требованиями, описанными технологической картой уставок микропроцессорной системы автоматики на предприятии.

Температура верхнего и нижнего подшипников электродвигателя имеет следующие пределы измерения: -60…90 ⁰С. Температура опорного подшипника имеет следующие пределы измерения: -60…80 ⁰С. Необходим датчик для измерения температуры поверхности твердых тел.

Согласно приведенным основным и дополнительным параметрам составим таблицу 3.1 сравнения датчиков температуры и произведем выбор наиболее подходящего.

Согласно приведенной таблице 3.1 обзора датчиков температуры, произведем выбор.

Для измерения температуры нефти в корпусе насосного агрегата выберем датчик фирмы WIKA UT10, представленный на рисунке 2.1. Данный датчик имеет сравнительно маленький предел погрешности, высокую защиту от пыли и влаги и поддерживает HART-протокол. Эти критерии выбора являются наиболее важными при выборе [8].

Рисунок 2.1 - Датчик температуры WIKA UT10

Для измерения температуры на подшипниках электродвигателя выберем датчик зарекомендовавшей себя фирмы Метран-241.

Для выбора датчика давления будем руководствоваться требованиями, описанными технологической картой уставок микропроцессорной системы автоматики на предприятии. Диапазон требуемых пределов измерений давления на выходах агрегатов должен составлять от 0 до 10 МПа. Для датчика, измеряющего давление на входе подпорной насосной станции необходим максимальный предел 0,25 МПа.

Рассмотрев основные критерии датчиков по измерению давления агрессивных жидкостей, сведем данные в таблицу 3.2.

В соответствии с таблицей 3.2 произведем выбор датчиков давления. Для измерения давления на выходах подпорных агрегатов был выбран датчик фирмы Rosemount 3051С, представленный на рисунке 2.2, так как имеет малую относительную погрешность, широкую возможность перестройки диапазона измерения, поддержка HART - протокола, высокие эксплуатационные показатели [10].

Рисунок 2.2 - Rosemount 3051С

Данный датчик предназначен для измерения разности давления, абсолютного и относительного давления, в течениях и для применения в других специальных аппликациях, требующих высокую надежность, точность и стабильность.

Для измерения давления на входе подпорной насосной станции выбираем датчик зарекомендовавшей себя фирмы Метран 44-Ex ДД, учитывая небольшую погрешность, возможность перестройки диапазонов, также поддержка HART - протокола, высокую степень защиты от влаги и пыли и т.д. Датчик Метран-44-Ex-ДД представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. - Метран-44-Ex-ДД

Датчик предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования, управления, и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в унифицированный токовый сигнал. Данные датчики выпускаются только с микропроцессорным преобразователем, который имеет преимущество перед датчиками с аналоговым преобразователем по всем показателям: метрологическим, функциональным и эксплуатационным.

Произведем выбор датчиков уровня. Уровень необходимо измерять на емкости сбора утечек. Рассмотрим требования к датчикам уровня, предъявляемые предприятием. Значение уставок уровня выглядит следующим образом: 0,3…2,4 м. Измеряемая среда - нефть, то есть агрессивная среда.

Согласно приведенным основным и дополнительным параметрам составим таблицу 3.3 сравнения датчиков уровня и произведем выбор наиболее подходящего.

Согласно приведенной таблице, выбираем датчик измерения уровня ДУУ3-01, продукцию ЗАО «Альбатрос» (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Датчик измерения уровня ДУУ3 - 01

Датчики уровня или раздела сред ультразвуковые ДУУ3 предназначены для непрерывного контактного автоматического измерения уровня жидких продуктов или уровня раздела сред, определяемого положением поплавка датчика, скользящего по чувствительному элементу датчика, в емкостях технологических и товарных парков [11].

Произведем сравнение и выбор датчиков вибрации.

Вибрация замеряется на верхнем, нижнем и опорном подшипниках четырех насосных агрегатов.

Согласно требованиям, описанным технологической картой уставок микропроцессорной системы автоматики на предприятии, произведем выбор наиболее подходящих датчиков вибрации из существующих на сегодняшний день. Обзор датчиков представлен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Обзор датчиков измерения виброскорости

Согласно вышеприведенной таблице 2.4, выбираем датчик измерения виброскорости ИВД-3 (компания «Прософт-Системы»), так как они имеет высокие показатели, такие как защита от пыли и влаги, малую погрешность, более широкий диапазон температур эксплуатации.

Этот датчик (рисунок 2.5) предназначен для работы в системах вибродиагностики и виброзащиты турбоагрегатов, насосов, электродвигателей и другого оборудования. Он производит измерение параметров вибрации по 1, 2, 3 взаимно перпендикулярным направлениям, может работать как интеллектуальный выключатель оборудования (датчик-реле) [13].

Схема автоматизации нефтеперекачивающей станции приведена в приложении А. Перечень контролируемых параметров, датчиков и приборов приведены в приложении Б.

Рисунок 2.5. - Датчик измерения виброскорости ИВД-3

2.3.2 Выбор микропроцессорного контроллера

В настоящее время на рынке средств автоматизации имеется большой выбор программируемых логических контроллеров (ПЛК), как отечественного, так и зарубежного производства.

Отечественные контроллеры, такие как: АДКУ, Ремиконт, СТМ и т.д. имеют более низкую цену в сравнении с зарубежными аналогами, а небольшая географическая удалённость производителя от заказчика облегчает решение вопросов, связанных с доставкой, обслуживанием и консультативной поддержкой.

Импортные ПЛК, такие как: ScadaPack, PLC-Direct, Allen Bradley, Siemens имеют несравненно более высокую цену, что связано с более высокой себестоимостью (более современные и дорогие микросхемы), затратами на транспортировку, таможенными сборами. При этом они превосходят контроллеры российского производства по ряду таких показателей, как:

- надёжность;

- быстродействие;

- удобство программирования и др.

Особенностью технологических объектов нефтегазовой промышленности является то, что прибыль, получаемая от их работы, в основном зависит от точности и стабильности ведения технологического процесса во времени. Нарушение технологического режима снижает качество и объём перекачиваемого продукта.

Таким образом, чем меньше отклонений от технологического режима и аварийных остановок объекта происходит за определённый промежуток времени, тем больше прибыли получает предприятие. Таким образом, из изложенного выше примера видно, что наиболее значительным критерием выбора средств автоматизации является надёжность, что склоняет наш выбор в сторону зарубежных контроллеров.

Для выбора конкретного типа контроллера необходимо провести сравнительный анализ некоторых существующих микропроцессорных контроллеров. Для сравнения возьмем четыре контроллера разных фирм и стран производителей. Контроллеров САКМАР фирмы «Авитрон-Ойл», MIC-2000 фирмы «Advantech» (Тайвань), SLC-500 фирмы «Allen Bradley» (США) и ЭКОМ-ТМ НПФ «ПРОСОФТ-Е».

В таблице 2.5 представлена сравнительная характеристика контроллеров.

Выбор базового комплекса технических средств автоматизации производился с учетом удовлетворения не только вышеперечисленных общих требований, но и следующих важных условий:

- 100% РС-совместимость;

- гибкость способов установки, монтажа и конфигурирования;

- модульность блоков, дающая возможность наращивания и модернизации;

- специфические требования (автодиагностика, автоперезапуск, энергонезависимая память и т.д.);

- приемлемая стоимость.

Таблица 2.5. - Сравнительная характеристика контроллеров

Указанным условиям полностью удовлетворяет продукция фирмы Advantech (Тайвань). Серия MIC представляет собой функционально полный набор плат, устройств, аксессуаров и программного обеспечения для построения систем автоматизации любой сложности и состоит из следующих основных разделов:

- процессорные платы;

- платы цифрового и аналогового ввода/вывода;

- платы расширения;

- коммуникационные платы;

- монтажные каркасы;

- объединительные платы и блоки питания;

- устройства нормализации и гальванической развязки;

- функциональные клавиатуры и дисплеи;

- аксессуары;

- программное обеспечение.

Таким образом, в состав этой серии входит семейство высокопрочных промышленных компьютеров, для которых характерна гибкость IBM PC совместимых вычислительных систем. В основу изделий положена открытая технология пассивной объединительной платы с магистралью ISA, что обеспечило возможность создания модульной конструкции, применение которой позволяет сократить время и затраты на обслуживание системы, а также существенно упростить ее последующую модернизацию. Благодаря высокой механической прочности, применение изделий серии MIC-2000 оптимально в жестких условиях эксплуатации при наличии вибрационных и ударных нагрузок, когда использование обычных офисных персональных ЭВМ невозможно.

Основные характеристики:

- возможность монтажа на панель или в 19-дюймовую стойку;

- 8- или 11-позиционные пассивные объединительные платы с магистралью ISA;

- сокращение времени технического обслуживания за счет модульной конструкции;

- возможность фронтального подключения каналов ввода-вывода;

- порядок проводного монтажа, аналогичный используемому в системах на базе ПЛК;

- устойчивость к механическим воздействиям за счет фиксации модулей с 4 сторон;

- удобство установки и извлечения модулей благодаря наличию ручек-экстракторов;

- защита от пыли путем создания положительного давления воздуха в пределах конструктива;

- наличие сменного воздушного фильтра;

- сменный блок питания мощностью 250 Вт.

Технические данные:

а) конструктивное исполнение: стальное шасси повышенной прочности;

б) система охлаждения: вытяжной вентилятор производительностью 54.4 мі/ч, расположенный в верхней части конструктива и предназначенный для охлаждения блока питания; один приточный вентилятор производительностью 146.4 мі/ч, оснащенный воздушным фильтром и расположенный в нижней части конструктива;

в) органы управления: выключатель питания со светодиодной индикацией положения;

г) выход питания: клеммы выходов блока питания +5 В и +12 В постоянного тока, расположенные на передней панели;

д) габаритные размеры:

1) MIC-2000/8 (8 установочных позиций): 345 x 266.5 x 162 мм;

2) MIC-2000/11 (11 установочных позиций): 423 x 266.5 x 162 мм (модули половинной длины);

е) пассивная объединительная плата: 4-слойная печатная плата, имеющая отдельные слои цепей питания и земли;

ж) масса:

1) MIC-2000/8: 6.0 кг;

2) MIC-2000/11: 7.5 кг;

и) блок питания:

1) выходная мощность: 250 Вт;

2) диапазон входного напряжения: переключаемый от 90 до 130 В или от 180 до 264 В переменного тока с частотой от 47 до 63 Гц;

3) выходное напряжение: +5В @ 25А; +2В @ 10А; -12В @ 0.5А; -5В @ 0.5А;

4) среднее время безотказной работы: 50000 ч при 70-процентной нагрузке;

5) требования безопасности: TUV, UL/CSA;

6) электромагнитная совместимость: FCC/VDE Class A;

7) диапазон рабочих температур: от 0 до 50°C;

8) относительная влажность воздуха: от 10...95% при 40°C без конденсации влаги;

п) устойчивость к механическим воздействиям в рабочем состоянии:

1) синусоидальная вибрация в диапазоне от 5 до 17 Гц с размахом вибросмещения 2.5 мм;

2) случайная вибрация в диапазоне от 17 до 500 Гц с виброускорением l.5g;

3) одиночный удар с ускорением 10g длительностью 11 мс.

Для этой серии характерны полная РС-совместимость, высокая надежность (до 70000 часов наработки на отказ), широкий диапазон рабочих температур (от -40 до +85С), энергонезависимая память, низкое энергопотребление для корпусов со слабой вентиляцией или без нее, устойчивость к ударам и вибрациям. С ее помощью можно сконфигурировать систему автоматизации любого уровня сложности для приема, обработки и выдачи любого вида сигналов. Перечисленные качества серии MIC позволяют использовать ее в особо ответственных случаях, где требуется высочайшая надежность работы системы.

Аппаратная часть системы управления построена на основе IBM-совместимого компьютера типа PENTIUM и промышленных компьютеров MIC-2000 фирмы ADVANTECH.

В состав УСО MIC-2000 входит набор стандартных плат:

MIC-2718 - модуль аналогового ввода (8 дифференциальных или 16 потенциальных каналов 12-битового АЦП, 100 кГц).

MIC-2718 является высокопроизводительным модулем аналогового ввода, который позволяет реализовывать экономичные измерительные системы и комплексы для промышленной автоматизации.

Основные характеристики:

- каналы аналогового ввода: 16 однополярных или 8 дифференциальных;

- АЦП: 12 разрядов, время преобразования не более 8 мкс;

- буфер: Встроенный, FIFO размером 1024 слова;

- диапазон входного сигнала (устанавливаемый программным способом): в режиме дифференциального ввода: ±5 мВ. ±10 мВ. ±50 мВ, ±100 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В; в режиме однополярного ввода: 0...10 мВ, 0...100 мВ, 0...1 В, 0...10 В;

- максимально допустимое напряжение на входе: ±30 В;

- режимы запуска аналогово-цифрового преобразования: программный запуск, запуск от встроенного формирователя импульсов, запуск внешним импульсом;

- вход внешнего запуска: совместимый с ТТЛ;

- режимы передачи данных: программный опрос, по прерыванию, с использованием DMA;

- максимальная частота дискретизации и предел основной погрешности измерения:

Коэффициент усиления Частота дискретизации Погрешность

0.5;1 100.0 кГц 0.01% полной шкалы ±1 МР;

5;10 35.0 кГц 0.02% полной шкалы ±1 МР;

50;100 7.0 кГц 0.04% полной шкалы ±1 МР;

500;1000 0.8 кГц 0.08% полной шкалы ±1 МР;

- динамическая нелинейность: ±1 МР;

- цепь нормализации входного сигнала: место для установки RC-фильтра и токового шунта сопротивлением 250 Ом;

- требования по питанию: напряжение (5.00±0.25) В, максимальный потребляемый ток 500 мА, напряжение (12.0±0.6) В, максимальный потребляемый ток 200 мА.

MIC-2730 - модуль дискретного ввода (два 16-разрядных оптоизолированных канала цифрового ввода со светодиодной индикацией состояния линий).

Модуль MIC-2730 содержит 16 гальванически изолированных каналов дискретного ввода и предназначен для осуществления контроля состояния различных коммутационных устройств и датчиков в системах и комплексах промышленной автоматизации.

Основные характеристики:

- количество каналов ввода: 16;

- режимы ввода: изолированный или неизолированный (устанавливается с помощью переключателей).

Параметры каналов в режиме изолированного ввода:

- количество общих проводов: 2 (изолированных между собой);

- диапазон входного напряжения: 0...30 В;

- пороговое напряжение: уровень логического 0 - не более 1 В, уровень логической 1 - не менее 4 В;

- входное сопротивление: 2 кОм (0,5 Вт);

- напряжение изоляции: 2500 В постоянного тока;

- максимальная частота входного сигнала: 10 кГц.

Параметры каналов в режиме неизолированного ввода (совместимого с ТТЛ):

- логические уровни: логический 0 (низкий) - не более 0.8 В, логическая 1 (высокий) - не менее 2.0 В;

- входной ток: для логический 0 - не более 0.4 мА при 0.5 В; для логическая 1 - не более 50 мкА при 2.7 В;

- сопротивление установленного нагрузочного резистора: 10 кОм;

- пропускная способность одного канала: 30 кГц;

- количество светодиодных индикаторов логического состояния каналов: 16;

- режим индикации: логическая 1 - индикатор включен, логический 0 - индикатор выключен;

- требования по питанию: напряжение (5.00±0.25) В, потребляемый ток 2 А.

MIC-2750 - модуль дискретного вывода (два 8-разрядных оптоизолированных канала цифрового вывода со светодиодной индикацией состояния линий).

Модуль MIC-2750 содержит 16 гальванически изолированных каналов дискретного вывода и предназначен для управления нагрузками повышенной мощности в системах и комплексах промышленной автоматизации.

Основные характеристики:

- количество каналов вывода: 16;

- количество общих проводов: 2 (соединены);

- тип выходного каскада: открытый коллектор;

- коммутируемое напряжение: от 5 до 40 В постоянного тока;

- коммутируемый ток: не более 200 мА (на канал);

- напряжение изоляции: 2500 В постоянного тока;

- максимальная частота выходного сигнала: 10 кГц;

- количество светодиодных индикаторов логического состояния каналов: 16;

- режим индикации: логическая 1 - индикатор включен, логический 0 - индикатор выключен;

- требования по питанию: напряжение (5.00±0.25) В, потребляемый ток 2 А.

На основании таблицы КИПиА в приложении Б необходимо реализовать следующее количество каналов:

- 30 каналов аналогового ввода;

- 26 дискретных вводов;

- 28 дискретного выводов.

Исходя из справочных данных по платам УСО, приведенным выше, выбрана конфигурация микроконтроллера, которая представлена в таблице 2.

Таблица 2.6. - Конфигурация микроконтроллера