Автоматизация процесса каталитического риформинга

В составе УВК устанавливается пять пультов управления:

- оператор блока каталитического риформинга (зона А);

- мастер участка (зона D);

- диспетчер (зона Е);

- инженерный пульт (зона Е).

Должна обеспечиваться возможность совмещения в одном кадре мнемосхем, трендов и таблиц.

2.3.3 Требования к пультам управления. На основе анализа функций, выполняемых технологическим персоналом соответствующих зон участка определяем требования к пультам управления.

а) Условное обозначение - АРМ-1 (сервер системы, 15000 точек ввода-вывода).

Комплектация - цветной монитор 19-21дюймов.

Место установки - операторское помещение участка, зона А.

Основные источники информации в системе - контроллеры (85%).

Характеристики внешней информации - сведения о работе соседних переделов, а также результатах лабораторного анализа полупродуктов (15%).

Функциональные задачи - хранение информации базы данных.

б) Условное обозначение - АРМ-2 (станция оператора).

Рабочее место - оператора.

Комплектация - цветной монитор 17-19 дюймов.

Место установки - операторское помещение участка, зона А.

Основные источники информации в системе - контроллеры во всех зонах (50%).

Характеристики внешней информации - сведения о работе участка, результаты лабораторного анализа полупродуктов (50%).

Функциональные задачи - управление работой оборудования, соблюдение параметров работы. Управление восстановительными работами на оборудовании.

Характеристики интерфейса - мнемосхемы с текущими состояниями транспортных линий, протокол нарушений и изменения состояния приводов, специализированный интерфейс анализа технологических ситуаций.

в) Условное обозначение - АРМ-3 (станция разработки).

Рабочее место - инженерный персонал системы автоматизации.

Комплектация - цветной монитор 17-21 дюймов, черно-белый принтер.

Место установки - операторское помещение цеха (зона А).

Функциональные задачи - синтез и отладка интерфейса для технологического персонала, а также контуров автоматического управления.

Требования к информационным потокам. В сервере УВК должны сохраняться данные, полученные обработкой показаний датчиков, в результате технико-экономических расчетов и расчетов по алгоритмам управления.

Необходимо предусмотреть для обмена информацией между создаваемым комплексом и существующей сетью ИУС через систему связи типа Ethernet: оборудование, алгоритмы обмена информацией и программное обеспечение со стороны комплекса.

Цикл работы контуров регулирования и опроса датчиков - не более 1 с. Максимальное время передачи сообщения от любого датчика до пульта - 2 с, от пульта оператора до регулирующего органа - 2 с, максимальное время ожидания видеокадра - 2 с.

Требования к математическому обеспечению. Поставляемое прикладное обеспечение должно обеспечивать выполнение функций:

- конфигурирование контуров локального и каскадного управления и диагностики, а также расчета технологических и технико-экономических показателей с использованием типовых модулей;

- конфигурирование дисплейных кадров и баз данных;

- реализация любой сложности алгоритмов и программ управления;

- автонастройка контуров локальной стабилизации;

- автоматизация подготовки проектных документов.

2.4 Выбор управляющего вычислительного комплекса и средств полевой автоматики. Проведение тендеров

Современный уровень развития науки и техники придал многим объектам промышленности новую особенность. Она заключается в оснащении этих объектов автоматизированными системами, предназначенными для использования в различных сферах деятельности и функционирования этих объектов (управлении, исследовании, испытании, проектировании, инженерном жизнеобеспечении) [11].

Программное обеспечение нижнего уровня должно обеспечивать прием и первичную обработку информации от датчиков, формирование и выдачу управляющих воздействий, буферизацию контролируемых параметров, диагностику работы оборудования, обмен информацией с верхним уровнем. АСУТП верхнего уровня должна принимать информацию с нижних уровней, проводить вторичную обработку информации, сохранять информацию в архивах, графически представлять принятые и архивные данные, принимать команды оператора и передавать их на нижние уровни системы, оповещать персонал об авариях. Формировать отчетные документы, обеспечить обмен информацией с АСУП. Указанным требованиям соответствуют SCADA - системы для АСУТП.

В условиях жесткой конкуренции практически во всех секторах мировой экономики применение SCADA-систем позволяет сделать мощный рывок и перейти на новый уровень функционирования предприятия. SCADA-система позволяет использовать производственную информацию на любом уровне управления в масштабе предприятия, существенно сокращая время на разработку, поддержку и внедрение проектов.

Существует множество технических решений для построения систем автоматизации с использованием SCADA-систем. Каждое из них в отдельности и в комплексе обладает своими как положительными, так и отрицательными сторонами. Специфика производственного процесса, внешние условия, требования к параметрам технических и программных средств сужают круг допустимых к применению решений. Но при этом не выделяется какой-либо наилучший из всех вариант. К тому же идеальных решений, как и всего остального идеального не бывает. Зачастую приходится рассматривать варианты, которые на первый взгляд нисколько не уступают друг другу. Но каждый из них более хорош одними своими качествами, а в других может проигрывать «конкурентам». Здесь приходится идти на компромисс, выбирая какой-либо вариант в качестве конечного решения.

От того, какой инструмент будет выбран, зависит не только качество конечного продукта, но скорость и удобство разработки, стоимость обслуживания рабочей системы и в конечном итоге стоимость всего проекта. На этапе выбора инструмента важно установить те критерии, которые должны быть определяющими. Опыт специалистов подсказывает, что наиболее актуальными определяющими критериями являются:

- способность программного обеспечения решить задачу пользователя, функциональность продукта, удобство интерфейса оператора и разработчика;

- эффективность разработки - выигрыш во времени, достигаемый в процессе работы;

- надежность программного обеспечения;

- доступность и качество технической поддержки, динамичная адаптация к запросам пользователей;

- язык интерфейса, качество сопроводительной документации;

- стоимость.

Также целесообразно учитывать такие важные критерии, как стоимость и затраты на сервисное обслуживание. Результат анализа существующего уровня, а также анализа технических требований, предъявляемых системе автоматизации, показывает, что необходимо провести тендер для адекватного выбора из совокупности существующих вариантов.

Для проведения тендера была выбрана группа независимых экспертов по автоматизированным системам управления и контроля в составе 3-х человек, целью работы которых является объективный и обоснованный анализ и сопоставление по каждому из вышеперечисленных критериев. Ранжировка критериев выбрана по десятибалльной шкале.

Сравнительный анализ средств полевой автоматики. Проведение тендера. Благодаря модернизации существующих средств полевой автоматики можно отказаться от большого разнообразия приборов, выполняющих различные функции, то есть снизить номенклатуру входящего в состав системы автоматики оборудования. И из результатов проведённой работы: постановки и декомпозиции задачи управления; анализа существующего уровня автоматизации; технического задания на модернизацию комплекса технических средств - выявляется необходимость проведения тендера по выбору типа управляющего вычислительного комплекса и средств полевой автоматики.

На данном участке осуществляется измерение величин: расхода, температуры, давления, уровня. Датчик температуры ТХК предназначен только для контроля, и установлен для возможности косвенной оценки протекания процесса, поэтому его технические характеристики не выходят за рамки требований. А вот датчики давления ЭКМ-1У, уровнемер УБ-П целесообразно заменить, поскольку они морально и физически устарели.

Замена прибора ЭКМ-1У на более совершенный позволит повысить точность измерения, срок службы, понизить расходы на ремонт. Как альтернативу ЭКМ-1У можно представить приборы:

преобразователь Сапфир-22ДИ;

Метран-100ДИ.

Преобразователь Сапфир-22ДИ обеспечивает непрерывное преобразование значения измеряемого параметра - давления избыточного, абсолютного, гидростатического, разрежения, разности давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал. Он предназначен для работы с вторичной аппаратурой, регуляторами, контроллерами, работающими со стандартным входным сигналом 0-5мА.

Сапфир-22ДИ характеризуется высокой точностью измерений 0.25 %, но и высокой стоимостью, а так же энергоемкостью. На рассмотрение предлагаем еще один датчик Метран-100ДИ.

Прибор Метран-100ДИ предназначен для измерения давления избыточного, абсолютного, разрежения, разности давлений жидкостей, газа, пара. Исполнение общепромышленное. Характеризуется устойчивостью в условиях изменения температуры, компактной конструкцией, простотой технического обслуживания и эксплуатации, малым потреблением электроэнергии. Выходной сигнал 0-20 мА.

Критерии, по которым должны оцениваться сравниваемые приборы, включает такие характеристики, как точность, надежность, быстродействие, простота обслуживания, энергозатраты, срок службы, функциональные особенности, стоимость.

В результате проведения тендера были рассмотрены следующие варианты приборов:

дифманометр ДСП -778Н;

преобразователь давления Сапфир-22ДИ;

датчик давления Метран-100ДИ.

Анализ характеристик каждого варианта дан в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Сравнительная характеристика вариантов

Таблица 2.3- Оценки экспертов

По результатам тендера выбираем датчик давления Метран-100ДИ.

А вот датчики измерения уровня, представленные прибором ДМ-3583М в комплексе с вторичным преобразователем НП-П3 было бы целесообразно заменить. К тому же анализ существующего уровня автоматизации показал, что на переделах установлено избыточное количество приборов, предназначенных для преобразования сигналов, поступающих с датчиков в нормированный сигнал 0-5 мА, в том числе НП-П3.

Замена прибора ДМ-3583М на более совершенный позволит демонтировать преобразователи, что снизит затраты на эксплуатацию, ремонт, электроэнергию. Как альтернативу ДМ-3583М можно представить приборы:

радарный уровнемер Vegapuls ;

радарный уровнемер УЛМ.

Причинами замены являются физический износ, низкая точность измерения, зарастание отбора. Сравнительная характеристика и основные параметры для проведения тендера по предлагаемым вариантам модернизации представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Сравнительные характеристики предлагаемых вариантов

Оценка сопоставляемых вариантов проставляется по десятибалльной шкале и приведена в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Оценки экспертов по рассматриваемым вариантам

По результатам проведения тендера в качестве контрольно-измерительного прибора для измерения уровня принимаем бесконтактный микроволновой уровнемер, радарный сенсор “Vegapuls-64”. Данный выбор является рациональным, сенсоры ориентированы на надежность, длительность в применении и тем самым на долгосрочные инвестиции. Радарные датчики VEGAPULS являются приборами для измерения уровня заполнения, которые постоянно и бесконтактно измеряют расстояния. Измеренное расстояние соответствует высоте заполнения и выдается как уровень заполнения.

Антенной радарного датчика излучаются кратчайшие 5,8 Гц радарные сигналы в виде коротких импульсов. Радарные импульсы, отраженные от заполняемого материала опять принимаются антенной в виде радарного эха. Время прохождения радарного импульса от излучения до приема пропорционально дистанции и, таким образом, высоте заполнения.

Радарные импульсы посылаются антенной системой в виде импульсного пакета длительностью 1 нс и паузами между импульсами 278 нс, что соответствует частоте посылки пакетов импульсов 3,6 мГц. Во время пауз между импульсами антенная система работает как приемник. Это значит, необходимо обработать время прохождения сигнала за менее, чем миллиардную долю секунды и оценить картину эха в доли секунды.

Таким образом, для радарного датчика VEGAPULS 50 является возможным без анализов частоты, занимающих много времени, как это необходимо при других методах измерения радаром (например, FMCW), в циклах от 0,5 до 1 секунды точно и детально оценить картину отраженного сигнала под лупой времени.

Радарные сигналы ведут себя физически подобно видимому свету. В соответствии с квантовой теорией пронизывают они также безвоздушное пространство. Таким образом, они не привязаны как, например, звук к проводящей среде (воздух) и распространяются как свет со скоростью света.

Радарные датчики VEGAPULS достигают этого особым способом трансформации времени, который более чем 3,6 миллионов эхо картин в секунд растягивает, замораживает и затем оценивает как бы под лупой времени.

Независимо от температуры, давления и любой газовой атмосферы радарные датчики VEGAPULS определяют бесконтактно, быстро и точно уровень заполнения различных материалов.

Влияние температуры: Температурная ошибка близка к нулю (например, при 500°C 0,018 %).

Влияние давления: Ошибка с увеличением давления очень низкая (например, при 50 бар 0,8 %).

Разрешающая способность 1 мм.

Независимо от шума, паров, пыли, состава и слоистой структуры газа над измеряемым материалом.

Независимо от варьируемой плотности и температуры заполняемого материала.

Измерение под давлением до 40 бар и при температуре до 200°C.

Это первые датчики, в которых питающее напряжение и выходной сигнал передаются через двухжильный провод. В качестве измеренного сигнала они выдают цифровой выходной сигнал.

Расходомер установленный на подаче топлива, целесообразно тоже заменить. В результате проведенного тендера инженерами Контрольно-Измерительных Приборов (КИП) был выбран кариолисовый расходомер, выпущенный фирмой Micro Motion. Тендер приводить не будем, так как строится по тому же принципу, что и при выборе уровнемера и расходомера для измерения расхода пульпы.

Кариолисовые расходомеры непосредственно встроенные в трубопроводную сеть, обеспечивают прямое и точное измерение массового расхода. Система измерения расхода включает в себя сенсор и преобразователь сигнала (датчик). Каждый сенсор состоит из одной или двух медных труб, заключенных в корпус. Функционирование расходомера Micro Motion основано на прменении второго закона Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение (F=m*a). Сенсоры Elite обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики и надежность при работе в агрессивных средах. Они обладают повышенной точностью измерения + 10 % + устойчивость нуля. Улучшенная конструкция существенно снижает падение давления, позволяя производить замену существующих объемных расходомеров без увеличения производительности насосной установки. Данный сенсор разработан с существенно сниженной чувствительностью к полевым эффектам, таким как вибрации, давлении и температуры. Для обеспечения надежного функционирования сенсоры заключены в герметичную защитную оболочку.

В дальнейшем в измерительной схеме подачи топлива намечается взамен «изношенных» регулирующих схем, представленных электромагнитными механизмами, МЭО-100/25 в совокупности с поворотными регулирующими заслонками, установить схему с использованием тиристорных преобразователей частоты.

Не будем описывать всю методику проведения тендера по выбору регулирующей схемы, то есть опишем только конечный результат, а именно приведем характеристику выбранной регулирующей схемы.

Тиристорное регулирование отличается тем, что функции исполнительного механизма и регулирующего органа объединены вместе и представлены насосом и питающим его электродвигателем. В данной схеме происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию. Токовый аналоговый сигнал, поступающий от регулятора, контроллера или преобразователя подается на тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ), частотный выходной сигнал которого поступает на электродвигатель постоянного тока и варьирует частоту его вращения.

Регулирование осуществляется насосом, изменяя производительность которого по вышеописанной схеме, можно соответственно управлять расходом воды.

Изменение скорости вращения (производительности) насосов при помощи частотно-регулируемых приводов (ЧРП), позволяет выполнять более эффективное управления транспортными потоками по сравнению с традиционными.

ЧРП часто называют преобразователями (инверторами). На сегодняшний день они перекрывают диапазон мощностей от 0,1до 10000 кВт и предназначены для работы со стандартными асинхронными двигателями. Это дает возможность легко встраиваться в уже существующие системы. Достаточно приобрести ЧРП и подключить к уже установленному работающему двигателю. При этом отпадает необходимость в установке систем токовой защиты двигателя, так как ЧРП в полной мере обеспечивают защиту двигателя.

Использование частотно-регулируемого электропривода для управления насосными агрегатами дает ряд дополнительных преимуществ:

- снижение величины пусковых токов до уровня номинальных и, таким образом, исключение вредного воздействия этих токов на питающую сеть, значительное снижение величины перегрузки оборудования по моменту при запуске двигателя;

- практическое исключение из работы дросселей, заслонок, различного рода клапанов;

- исключение гидроударов в гидравлической сети за счет плавной подачи жидкости;

- при работе механизмов, снабженных регулируемым электроприводом, в течение длительного времени с частотами вращения, меньшими номинальной, значительно продлевается срок службы подшипников и других вращающихся частей.

Итак, выбранные приводы переменного тока AV 300i (производства General Electric) надежны, многофункциональны, экономят энергию, могут использоваться как автономно, так и в составе любой автоматической системы регулирования (управляться от компьютера, контроллера, позволяют организовать управление с использованием различных датчиков), регулируют скорость в широком диапазоне.

Сравнительный анализ управляющих вычислительных комплексов. Проведение тендера. Основным компонентом любой автоматизированной системы является ее ПТК, состоящий из средств ВТ (контроллеры, ПЭВМ) и ПО. Поэтому надо выбрать контроллер и SCADA пакет. Выбор ПЭВМ сводится к соответствию характеристик компьютера и требованиям SCADA пакета.

В качестве вариантов технических решений, подлежащих сравнению, предлагается три комплекса:

комплекс технических средств полевой автоматики без контроллера, который на данный момент существует на установке;

программируемый логический контроллер SIMATIC S7-400 и SCADA-пакет WinCC;

программируемый логический контроллер GE Fanuc 90-30 и SCADA-пакет Сimplicity.

Сразу можно сказать, что различия между первым вариантом и последними двумя резко выражены. Даже если судить по операционной системе, на которую рассчитаны соответствующие программные продукты, второй и третий вариант являются более совершенными в смысле потребительских свойств.

КТС Режим-1М может выполнять следующие функции:

- автоматическая одноконтурная или каскадное регулирование параметров по П или ПИ-закону;

- контроль по вызову оператора текущих значений параметров, номиналов, управляющих сигналов от задатчиков ручного дистанционного управления на многоканальном приборе;

- обнаружение технологических и аварийных параметров, передача сообщений оператору через сигнализацию на мнемосхеме;

- непрерывная регистрация значений важнейших технологических параметров;

- сигнализация и контроль на общей мнемосхеме N однотипных объектов;

- централизованный автоматический переход с режима авторегулирования на ручное дистанционное управление и наоборот;

- сигнализация об отклонениях параметров для любого из N агрегатов;

- централизованное управление задатчиками номиналов и задатчиками ручного дистанционного управления исполнительными механизмами.

Недостатками КТС Режим-1М является большая собственная инерционность, а также сложность устроения больших вычислительных устройств.

Рассмотрим второй вариант - комплекс SIMATIC S7-400 и WinCC.

ПЛК SIMATIC S7-400 также строятся по блочно-модульному принципу. Все процессорные устройства способны выполнять операции над числами с плавающей запятой и поддерживают алгоритм ПИД-регулирования. Имеется возможность наращивания количества модулей через шину расширения (до 7 внешних модульных блоков). Все ЦПУ серии S7-22X имеют встроенный PPI интерфейс, используемый для соединения с программаторами, текстовым дисплеем TD200, ПЭВМ (скорость передачи до 187.5кбит/с). Время выполнения логической операции в среднем составляет 0.37мкс. Помимо большого количества модулей ввода-вывода имеется и коммуникационный модуль, поддерживающий обмен информацией по сети PROFIBUS.

Для конфигурирования и программирования ПЛК серии SIMATIC S7 используется программный пакет STEP 7, а уровень ЧМИ обеспечивается программным продуктом WinCC.

Перейдем к рассмотрению последнего варианта комплекс GE Fanuc 90-30 и Сimplicity. Контроллер GE Fanuc 90-30 относится к классу программируемых логических контроллеров (ПЛК). С помощью данного контроллера можно решить большинство задач по автоматизации производства, при этом быть уверенным в надежности техники и эффективности результатов. Контроллеры GE Fanuc, благодаря высокой надежности, простоте в эксплуатации и обширной номенклатуре модулей, приобрели большую популярность в мире и успешно применяются в автоматизации технологических процессов. Семейство 90-30 составляет контроллеры, используемые для большинства промышленных приложений в сосредоточенных и распределенных системах.

GE Fanuc 90-30 обрабатывает и формирует как аналоговые, так и дискретные сигналы

Для конфигурирования и программирования контроллера GE Fanuc 90-30 используется язык технологического программирования Ladder Logic Diagrams - язык релейной логики лестничных диаграмм. Рабочую программу создают с помощью программного средства Versa Pro. Пакета Сimplicity относится к классу современных, имеющих широкое применение во всем мире. Качество и надежность гарантируется фирмой-производитем GE Fanuc, имеющей большой опыт работы в данной сфере.

Эта SCADA-система имеет следующие характеристики: реализация мониторинга, диспетчерского управления, формирования отчетов любой сложности, тревог, трендов (в том числе исторических).

Для проведения тендера по программным техническим комплексам было предложено три варианта:

комплекс технических средств полевой автоматики без контроллера;

программируемый логический контроллер SIMATIC S7-400 и WinCC;

программируемый логический контроллер GE Fanuc 90-30 и SCADA-пакет Cimplicity.

Таблица 2.6 - Оценки первого эксперта