Автоматизация процесса каталитического риформинга

Аппаратура технологического процесса каталитического риформинга. Особенности рынка средств автоматизации. Выбор управляющего вычислительного комплекса и средств полевой автоматики. Расчет и выбор настроек регуляторов. Технические средства автоматизации.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 23.05.2015
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Показателем эффективности работы печи как объекта управления является температура нагретого продукта, а целью управления поддержание ее на заданном уровне. Возмущающие воздействия на процесс нагревания могут проявляться в виде изменений расхода продукта и его начальной температуры, изменений расхода топлива в результате колебаний давления в топливной магистрали, изменений теплоты сгорания топлива. С учетом этих факторов, а также требований обеспечения безопасной работы автоматизация трубчатых печей является сложной задачей.

Система стабилизации температуры является одноконтурной, на регулятор поступает сигнал с датчика температуры (термопары), этот сигнал сравнивается с заданием Yзад, управляющее воздействие вырабатывается по ПИ-закону регулирования.

Итак, проведем анализ схемы автоматического регулирования температуры продукта на выходе из трубчатой печи установки каталитического риформинга.

Структурная схема объекта управления изображена на рисунке 3.1.

Z (t) - приведенное возмущение, Y (t) - управляемая величина, Yз (t) - задание,

X (t)= Yз (t)- Y (t) - рассогласование, U (t) - управляющая величина.

Рисунок 3.1 - Структурная схема объекта регулирования

Управляемая нашего объекта величина Y -температура нагретого продукта на выходе, измеряется прибором и имеет диапазон 480- 5500С. Заданная температура - YЗАД. Управляющая величина U - расход топлива.

Сигнал с датчика температуры поступает на регулятор обратной связи (РОС), сравнивается с сигналом задания, и величина рассогласования поступает на исполнительный механизм, который воздействует на объект изменением количества топлива.

3.2 Математическое описание объектов автоматизации

Для определения параметров объекта экспериментально была получена кривая разгона объекта регулирования, изображена на рисунке 3.2. Которая строилась при перестановке рабочего органа исполнительного механизма на 60%.

Рисунок 3.2 - Разгонная характеристика объекта регулирования

После аппроксимации S-образной кривой разгона, получаем аппроксимированную, по которой находим:

Постоянную времени объекта

.

Время запаздывания объекта

.

Коэффициент усиления объекта рассчитывается по формуле

(3.1)

где tнач - начальное значение температуры, ?С;

tуст - установившееся значение температуры, ?С;

µ - процент хода исполнительного механизма при нанесении возмущения, %.

Тогда, передаточная функция объекта имеет следующий вид

(3.2)

3.3 Выбор закона регулирования. Расчет и выбор настроек регуляторов

По полученным данным передаточной характеристики объекта выбираем тип и коэффициенты настройки регулятора температуры продукта на выходе из трубчатой печи.

Основные области применения линейных регуляторов характеризуются следующим образом:

И - регулятор применяется со статическим объектом при медленных изменениях возмущений и с малым временем запаздывания ;

П - регулятор применяют со статическим и астатическим объектами при любой инерционности и времени запаздывания, определяемым соотношением ;

ПИ-регулятор применяется при любой инерционности объекта и времени запаздывания, определяемым условием .

Теперь выберем закон регулирования, исходя из величины времени запаздывания.

Так как величина отношения времени запаздывания и постоянной времени больше 0,3, то мы выбираем ПИ - регулятор.

На рисунке 3.3 представлены формулы для упрощенного выбора настроек , Ти, ТД основных регуляторов для статических объектов.

Рисунок 3.3 - Формулы выбора настроек регуляторов для статических объектов (с самовыравниванием)

В данном дипломном проекте для всех исследуемых параметров в качестве критерия оптимальности используем минимальную интегральную квадратичную оценку, так как реализация такого критерия почти всегда приводит к минимальным потерям при регулировании и к минимальным динамическим ошибкам.

Согласно рисунку 3.3 определяем настройки ПИ - регулятора с предполагаемым переходным процессом с минимальной интегральной квадратичной оценкой:

- коэффициент передачи регулятора, кр

(3.3)

- постоянная времени интегрирования, Ти

(3.4)

Передаточная функция регулятора имеет следующий вид

(3.5)

Исполнительный механизм ИМ принимаем не апериодическим звеном, а простым преобразующим усилительным элементом, так как постоянная времени ИМ в несколько раз меньше постоянной времени объекта и не окажет большого влияния на динамические процессы.

Регулирующее устройство РУ с исполнительным механизмом и задающие и суммирующие элементы образуют автоматический регулятор. Регулирующий орган РО, собственно объект регулирования ОР, характеризующийся регулируемой величиной-температурой, и измерительной устройство, отображающее значение температуры, образуют обобщенный объект регулирования. Таким образом, автоматическая система регулирование состоит из регулятора и объекта регулирования, взаимодействующих между собой по замкнутому контуру.

САР температуры продукта на выходе из трубчатой печи будет представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - САР температуры продукта на выходе из трубчатой печи каталитического риформинга

Контур регулирования имеет два канала: канал регулирования (от регулятора к объекту) и канал главной отрицательной обратной связи (от объекта к регулятору). При отклонении значения регулируемой величины от заданного от регулятора по каналу до тех пор будут поступать регулирующие сигналы на объект пока сигнал рассогласования на входе регулятора не станет равным нулю, тогда регулирующий орган остановится в положении, при котором обеспечивается заданное значение регулируемой величины.

3.4 Исследование устойчивости САР

Проверим данную систему управления на устойчивость по критерию Найквиста. По критерию Найквиста по характеристикам разомкнутой системы судят об устойчивости системы после её замыкания.

Годограф Найквиста будем строить в программной среде MATLAB 6.5, используя инструмент Simulink LTI-Viewer.

Для анализа линейных стационарных систем и построения частотных характеристик систем используется Simulink LТI-Viewer. Инструмент Simulink LTI-Viewer входит в состав пакета прикладных программ Control System Toolbox. С помощью данного инструмента можно легко построить характеристики системы, получить ее отклики на единичные ступенчатое и импульсное воздействия, найти нули и полюса системы.

На первом этапе в окне программы Simulink необходимо создать из типовых блоков библиотеки структурную схему исследуемой системы рисунок 3.5.

Рисунок 3.5- Структурная схема объекта регулирования

Для работы с Simulink LТI-Viewer необходимо выполнить команду Tools\Linear Analysis в окне Simulink-модели. В результате выполнения команды откроется два окна:

– Model_Inputs_and_Outputs (Входы и выходы модели);

– Simulink LTI-Viewer: <название схемы> (Линейный анализ).

Следующим этапом необходимо из окна Model_Inpufs_and Outputs перетащить на исполненную модель пункты (Input Point, Output Point), далее установить один из пунктов на вход схемы, а другой на выход, как показано на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6- Модель для исследования устойчивости системы

Далее перейдем к линейному анализу LТI Viewer. В меню необходимо выполнить команду Simulink \ Get Linearized Model, после чего появится графическое окно Step Response.

Данная команда выполняет линеаризацию модели и строит реакцию системы на единичное ступенчатое воздействие.

В Simulink LТI-Viewer для построения доступны следующие графики (диаграммы):

– step - Реакция на единичное ступенчатое воздействие;

– impulse - Реакция на единичное импульсное воздействие;

– bode - Логарифмические амплитудная и фазовая частотные характеристики;

– bode mag - Логарифмическая амплитудная частотная характеристика;

– nyquist - Диаграмма Найквиста;

– nichols - Годограф Николса;

– sigma - Сингулярные числа;

– pole/zero - Нули и полюса системы.

Годограф Найквиста будет иметь следующий вид рисунок 3.7.

Рисунок 3.7 - Годограф Найквиста

Из рисунка 3.7 видно, что замкнутая система является устойчивой, так как соблюдено условие устойчивости по Найквисту: амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы не охватывает точку с координатой (-1; j0).

3.4 Определение показателей качества переходного процесса

Выбор типового регулятора АСР и определение параметров его настройки, требуемое качество регулирования в процессе эксплуатации АСР, кроме безусловного требования устойчивости, определяется следующими критериями: минимальное время регулирования, отсутствие перерегулирования, минимальная интегральная квадратичная ошибка.

По разработанной математической модели контура регулирования рисунок 3.8 и используя программное обеспечение (“MATLAB 6.5”) строим график переходной характеристики системы рисунок 3.9.

Рисунок 3.8 Модель для исследования показателей качества контура регулирования

Рисунок 3.9 Переходная характеристика контура регулирования

Из рисунка 3.9 прямым методом определяем показатели качества контура регулирования:

перерегулирование

;

Примечание: перерегулирование составило меньше заданной допустимой ошибки Д=2% - установлено ГОСТ.

время регулирования tрег=440 секунды;

время нарастания tн=400 секунд;

время максимума tмакс=440 секунд.

4. Технические средства автоматизации

4.1 Общие технические характеристики управляющего вычислительного комплекса

Выбор из всего многообразия совокупности средств, на основе которых строится автоматизированная система управления, от полевой автоматики до программного обеспечения, представляет собой сложную задачу, требующую учета многих факторов и критериев. Но специфика производства обычно накладывает ограничения на выбор, что упрощает задачу. Зачастую результатом решения вопроса о том, на каком варианте выбора техники и программного обеспечения остановиться, является компромисс между различными критериями, по которым их оценивают.

Инженерными критериями оценками автоматизированной системы управления являются:

- технические свойства, обеспечивающие точность и быстродействие;

- надежность;

- простота эксплуатации;

- потребительские свойства SCADA-системы.

Технические характеристики программируемого логического контроллера.Контроллеры Simatic фирмы Siemens выполнены по блочному принципу и имеют модули ввода, вывода, центрального процессора, коммуникаций и модули питания. Данные необходимые для функционирования контроллера хранятся в энергонезависимой Flash-памяти.

Точность АЦП модулей аналогового вывода 8,12,15-bit сигналы в диапазоне -10-(+10) В, 0-(+10)В, -20-(+20) мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

Дискретные модули ввода/вывода работают с сигналами постоянного тока 24 В, с силой 0,5 А и сигналами переменного тока 220 В, с силой 5 А.

Также имеются блоки для подключения резистивных сигналов с термосопротивлений, фоторезисторов либо тензодатчиков.

Коммуникационные модули контроллера ориентированны на сети Modbus, Profibus, Ethernet. В контроллере также предусмотрен обмен информацией с помощью стандартного интерфейса RS 485.

Значения контролируемых параметров управляемого процесса заносятся в архив. Архив представляет собой табличные базы данных, пополняемые текущими значениями параметров с заданной дискретностью по времени, где для каждой ячейки определено название параметра и время сканирования. Архивные значения доступны различным пользователям через информационную сеть и широко используются для анализа ситуаций, для расчетов, для составления отчетов

На рисунке 4.1 представлен контроллер Siemens S7-400. CPU ПЛК периодически опрашивает (сканирует) сигналы от датчиков посредством системы ввода/вывода и устройств ввода. Обновленные значения заносятся в таблицу входов, то есть происходит ее обновление. В соответствии с программой, загруженной в контроллер, значения таблицы входов обрабатываются и заносятся в таблицу выходов.

Рисунок 4.1 - Внешний вид контроллера

При обработке информации активно используются значения, находящиеся в хранилище данных. С обновленной таблицы выходов информация через систему ввода/вывода пересылается на устройства вывода, откуда далее - на приборы полевой автоматики. Таблица входов, таблица выходов и хранилище данных представляют собой области памяти CPU. Программа пользователя может изменяться или корректироваться с помощью устройства программирования и мониторинга, подключенного к контроллеру. Это устройство позволяет также просматривать представляющие интерес данные. В качестве устройства программирования и мониторинга может использоваться компьютер или ручной программатор.

На рисунке 4.2 можно просмотреть принцип работы.

Функции CPU заключаются в следующем:

? обработка входной информации согласно программе пользователя;

? хранение входной информации (таблица входов), результатов выполнения программы (таблица выходов), пользовательской программы и служебной информации;

? организация связи с системой ввода/вывода;

? диагностика функционирования ПЛК и программы пользователя;

? поддержка интерфейса с устройством программирования и мониторинга.

При своей работе PLS постоянно выполняет циклическую последовательность операций, называемую циклом PLS и включает в себя следующие операции:

? служебные операции в начале прогона;

? сканирование входов (обновление таблицы входов);

? выполнение программы пользователя;

? вывод данных (обновление таблицы выходов);

? связь с устройством программирования и мониторинга;

? связь с системой (по сети);

? диагностика программы на наличие ошибок и сбоев.

Рисунок 4.2 - Принцип работы контроллера

На рисунке 4.3 видим, как идет опрос систем на совместимость.

Рисунок 4.3 - Определение slave-устройств

Характеристики программного средства Step 7. Для того чтобы контроллер мог нормально работать, производить вычисления и формировать выходные сигналы, его необходимо сначала соответствующим образом сконфигурировать и запрограммировать.

Конфигурирование - это загрузка в память контроллера информации о его аппаратном составе, количестве и наименованиях модулей, установленных в базовую плату и в платы расширения. Также при конфигурировании каждому из каналов модулей ввода/вывода назначается свой уникальный адрес, зависящий от типа модуля.

Программирование - процесс написания и загрузки в память программы, в соответствии с которой и будут производиться необходимые вычисления для контроля и управления технологическим процессом.

В большинстве современных контроллеров предусматривается возможность написания программ на одном или нескольких стандартных языках программирования, утвержденных стандартом IEC-1131.3.

Для конфигурирования и программирования ПЛК «Siemens» используется поставляемое вместе с ним программное обеспечение «Step 7». Этот пакет устанавливается на ЭВМ (с операционной системой Windows 95/98/NT/XP), к котороой через COM-порт или Ethernet подключается ПЛК. Программы для контроллеров в среде «Step 7» пишутся на языках STL,LAD и FBD. После установления связи с контроллером можно либо считать находящуюся в его памяти программу, либо загрузить новую, причем делается все это без отрыва от управления технологическим процессом. Для контроллера сети Siemens необходимо определить число объектов, объединенных в сеть и назначить каждому свой адрес. В сеть может быть объединено до 32-х устройств. Каждое устройство имеет свой адрес в сети (от 0 до 31). Всегда один адрес резервируется для ручного программатора, подключаемого к сети в процессе настройки контроллера или станций. Для каждого адресованного выбранного устройства может быть назначено четыре типа переменных ввода/вывода: аналоговые входные/выходные и дискретные входные/выходные. При назначении переменных указывается адрес первой переменной (каждого типа) и их количество, причем переменные не должны быть уже назначенными ранее каким-либо другим модулям (устройствам).

На рисунке 4.4 можно просмотреть рабочую область программы.

После завершения этапа конфигурирования контроллера можно переходить к написанию программы. В пакете Step 7 для написания программы используются языки LAD, STL и FBD. Более наглядным и простым представляется язык FBD. Все команды этого языка программирования представлены в виде блоков, реализующих конкретную функцию (сложение, сравнение, пересылка данных, тригонометрические функции, ПИД-регулирование).

Все команды языка FBD можно разделить на группы:

? релейные контакты и катушки;

? математические операции;

? операции сравнения, отношения;

? битовые операции (сдвиг на 1 бит вправо-влево);

? таймеры и счетчики;

? команды управления (вызов подпрограмм, регулирование, принудительный опрос входов).

Рисунок 4.4 - Рабочая область программы

каталитический реформинг регулятор автоматизация

При этом в среде конфигурирования имеются все инструменты представления графики, текста, данных, анимации и диаграмм, требующихся для создания привлекательных, хорошо организованных, легких для использования и понимания экранных форм. А среда выполнения обеспечивает средства просмотра этих экранных форм в реальном масштабе времени. Переключиться с одной среды на другую можно просто щелкнув кнопкой мыши, переключение между средой выполнения и средой конфигурации позволяет быстро проверять изменения, внесенные в экранные формы, не прерывая работы службы тревог и процесса сбора данных. Важно отметить то обстоятельство, что работа в среде конфигурации не вызывает прерывания контроля процесса. Все функции управления и мониторинга системы, такие как генерирование тревог, создание отчетов и выполнение расписаний, реализуются как фоновые задачи. На рисунке 4.5 можно просмотреть область переменных.

Рисунок 4.5 - Область переменных

Контроллер Siemens предназначен для сбора и обработки аналоговых и дискретных информационных сигналов с первичных преобразователей и приборов, а также для формирования и выдачи управляющих воздействий на объект управления.

Устройство является средством измерения и применяется для автоматического контроля и управления технологическими процессами на производственных предприятиях в различных отраслях промышленности, в том числе в системах противоаварийных блокировок и защит. Устройство может работать в качестве информационно-управляющего устройства как автономно, так и в составе АСУТП.

Создавая сервер/узел современной АСУ ТП, необходимо разграничивать права доступа к информации для различных пользователей. В Step 7 это делают, создавая учетные записи пользователей и задавая их роли. Учетная запись содержит имя пользователя, назначенную ему роль, пароль для входа в систему. Роль - перечень действий, которые разрешены (запрещены) пользователю.

Характеристики SCADA-пакета WinCC.WinCC - это современная система с привлекательной панелью управления, открытая для мира делопроизводства и производства продукции, зрелая и надежная в работе, эффективно проектируемая, масштабируемая для простых и сложных задач и при этом легко встраиваемая в приложения для широкого класса предприятий вплоть до встраивания в MES- и ERP-решения. Кроме того, WinCC может применяться во всем мире и во всем мире поддерживается отделениями обслуживания и поддержки фирмы Siemens.

WinCC основывается на новейших разработках и методах в области программного обеспечения. Тесное сотрудничество с Microsoft гарантирует, что пользователь спокойно может ожидать нововведений и в будущем.

Базовая система WinCC предоставляет все компоненты и функции, которые необходимы для решения также и сложных задач визуализации. Редакторы для создания изображений, сценариев, аварийных сообщений, графиков, отчетов являются фиксированной составной частью системы WinCC.

Для проектирования в WinCC используется ряд стандартных инструментов и редакторов, которые можно вызвать из окна WinCC-проекта «WinCCExplorer» рисунок 4.6.

Рассмотрим основные из них:

Tag Management (управление переменными) - посредством тегов или переменных обеспечивается связь программы верхнего уровня с технологическим процессом;

Graphics Designer (графический редактор) - предназначен для проектирования изображений, мнемосхем и диалоговых окон, т.е. визуального человеко-машинного интерфейса;

Alarm Logging (система сообщений) - проектирование, формирование и архивирование сообщений о событиях в системе;

Tag Logging - редактирование архивов измеренных значений и запись в архивы процессных переменных;

Рисунок 4.6 -WinCC-проект

Report Designer (редактор отчетов) - проектирование и выдача на печать различных отчетов и протоколов, а также формирование рабочей документации проекта;

Global Script - используется для проектирования функций (подпрограмм) проекта, действий, выполняющихся в фоновом режиме; редактирования стандартных функций;

Text Library (текстовая библиотека) - предназначена для организации многоязыковой поддержки; частично может использоваться для русификации проекта;

User Administrator (администратор пользователей) - служит для определения уровней доступа, а также для наделения пользователей системы соответствующими полномочиями;

User Archive (архив пользователя) - служит для конфигурации пользовательских архивов;

Time Synchronization - вызов диалогового окна настройки параметров синхронизации времени.

В WinCC встроена стандартная база данных Sybase SQL Anywhere, в которой хранятся все списковые данные проектирования и процесса. Доступ к базе данных WinCC возможен без всяких проблем с помощью языка структурированных запросов к базе данных SQL или через драйвер ODBC. Через эти способы доступа WinCC открывает свои данные, например, другим программам и базам данных Windows и полностью встраивается в концепцию завода или предприятия.

Такие стандартные интерфейсы, как DDE и OLE для обмена данными между программами Windows являются такими же обязательными составными частями WinCC, как и беспроблемное встраивание управляющих элементов ActiveX и функциональных возможностей среды клиент-сервер OPC.

Сценарии WinCC создаются с помощью стандартного языка программирования.

В объем поставки WinCC входят все существенные каналы связи для подключения к устройствам управления SIMATIC S5/ S7, а также такие каналы, как Profibus.

Благодаря стандартным интерфейсам SIMATIC WinCC становится встроенной составной частью информационно-технологического ландшафта на всем предприятии - от автоматизированного производственного процесса вплоть до оптимизации процессов на уровне управления предприятием и до подготовки административных данных для руководства предприятия (MES = Manufacturing Execution Systems - Производственные исполняющие системы и ERP = Enterprise Resource Planning - Планирование ресурсов в масштабе предприятия).

Простота и прозрачность в производственных установках означают меньшие затраты на проектирование, меньшие затраты на обучение, большая гибкость персонала, большая безопасность обслуживания. SIMATIC WinCC всему этому удовлетворяет. С помощью чрезвычайно мощных функций проектирования можно радикально сократить время на проектирование. А при использовании справедливо следующее утверждение: кто хорошо знаком с Microsoft Windows, тот владеет также и проводником WinCC (WinCC Explorer), центральной коммутационной панелью SIMATIC WinCC.

Совместно с другими компонентами SIMATIC система имеет, кроме того, в своем распоряжении такие дополнительные функции, как диагностика и обслуживание процесса - новое направление в визуализации. Само собой разумеется, что при проектировании таких функций между собой взаимодействуют все инструментальные средства для проектирования SIMATIC.

WinCC предоставляет все основные функциональные возможности для визуализации и управления процессом. С этой целью WinCC предоставляет в распоряжение ряд редакторов и интерфейсов, с помощью которых эти функции могут быть индивидуально спроектированы для любого приложения.

Графическая система для свободно формируемой визуализации и управления через полностью графические объекты, причем все их свойства могут быть сделаны динамическими.

Система сообщений для регистрации и архивирования событий с возможностями отображения, свободно выбираемые классы сообщений, отображение и протоколирование.

Архивирование значений переменных процесса для регистрации, сжатия и сохранения измеренных значений, например, для представления в виде графиков и таблиц и дальнейшей обработки.

Дизайнер отчетов - система отчетов для управляемого временем или событиями документирования сообщений, управляющих воздействий и текущих данных о процессе в виде пользовательских отчетов или проектной документации в свободно выбираемом формате.

Администратор пользователя-инструмент для удобного управления пользователем и его полномочиями.

Глобальные сценарии-функции обработки с безграничными возможностями путем использования встроенного компилятора ANSI-C. Для обмена данными с подчиненными устройствами управления (протоколы SIMATIC, Profibus DP, сервер DDE и OPC в объеме поставки).

Для открытой интеграции других приложений Windows (ODBC/SQL, ActiveX, OLE, DDE,OPC). Для индивидуального доступа к данным и функциям WinCC (C-API) и для встраивания в программы пользователя

В качестве станций управления можно в общем случае использовать обычные РС, причем годятся как офисные, так и промышленные персональные компьютеры. Платформой операционной системы для WinCC V5 является Windows NT 4.0.[10]

4.2 Назначение автоматизированного комплекса и его структура

В результате модернизации получили новую модернизированную АСУТП: взамен морально и физически устаревшего оборудования (КТС Режим-1) установлен и запущен в эксплуатацию программно-технический комплекс (ПТК) «Simatic S7-400 Step-7 WinCC».

ПТС включает в себя два уровня аппаратных средств - нижний, выполняющий функции сбора, обработки информации и локального управления, и верхний, предназначенный для задач дистанционного управления, наблюдения за ходом процесса, а также архивирования и протоколирования.

Нижний уровень реализован на двух контроллерах SIMATIC S7-400 фирмы SIEMENS.

Верхний уровень представляет собой три персональных компьютера с системой визуализации WinCC фирмы SIEMENS.

Обмен данными между контроллерами и рабочими станциями производится по высокоскоростному каналу передачи Industrial Ethernet.

Аппаратное и программное обеспечение

Нижний уровень - система управления основным технологическим процессом.

Подсистема АСУ реализована на резервированном контроллере SIMATIC S7-400H с центральным процессором CPU414-4H и переключаемой децентрализованной периферией ET200M.

Станции оператора реализованы на базе промышленных компьютеров Siemens, имеющих аппаратные характеристики:

- Процессор Pentium-4 1.7 GHz;

- ОЗУ 512 Mb SDRAM;

- ЖМД 40 Gb IDE;

- Видео AGP-Graphic DH 32 Mb;

- по 2 монитора с диагональю 21.

Компьютер сервера реализован на базе промышленного компьютера-сервера Siemens класса DUALHIGH, имеющего аппаратные характеристики:

- 2 процессора Pentium-III 1.26 GHz;

- ОЗУ 512 Mb SDRAM;

- ЖМД 36 Gb (3x18 Gb RAID);

- Видео PCI-Graphic 8 Mb;

- Монитор с диагональю 17;

Установлено программное обеспечение:

- операционная система Windows NT4.0 SP6;

- среда проектирования PCS7 v5.2 SP3;

- пакет программирования датчиков Profibus PA и Hart - PDM v5.2;

- пакет программирования резервированных контроллеров - H-Systems v5.1;

- создание резервированных соединений с контроллерами - S7-Redconnect v1.4.

На станциях оператора установлено программное обеспечение:

- операционная система Windows NT4.0 SP6;

- среда проектирования WinCC Client v5.1 HF4;

Количественные и качественные характеристики

Питание технических средств АСУ осуществляется от сети переменного тока напряжением 3~380 В 50 Гц. Во избежание порчи и потери информации предусмотрено устройство бесперебойного питания для аппаратных средств нижнего уровня и операторских станций верхнего уровня. Минимальное время буферизации при полном отключении сетевого электропитания - не менее 10 минут.

Условия эксплуатации:

- Рабочая температура окружающей среды - +5-40°С;

- Относительная влажность окружающего воздуха (при 25°С) - 40-80%;

- Атмосферное давление - 84-107 кПа;

- Электрическая составляющая электромагнитного поля помех в помещениях, предназначенных для эксплуатации АСУ АП ХМК, не должна превышать 0.3 В/М в диапазоне частот от 0.15 до 300 мГц.

В АСУ предусмотрен циклический опрос контроллером всех датчиков с периодом опроса не менее:

Аналоговые датчики АСУ 600 мс;

Аналоговых выходы и дискретные входы/выходы АСУ 300 мс;

Максимальное время реакции на аварийный сигнал блокировки 400 мс.

Динамические характеристики системы не превышают следующих значений:

Максимальное время обновления данных на рабочем месте оператора 2 с;

Максимальное время прохождения команды оператора и подтверждения 2 с;

Представление информации оператору о срабатывании …2 с;

Среднее время восстановления работоспособности КТС 1 ч;

Описание принципов и режимов функционирования

Подсистема приема и обработки информации обеспечивает:

- Прием и обработку аналоговых и дискретных сигналов от датчиков технологических параметров для отображения, регулирования, логического управления;

- Проверку входных сигналов на достоверность;

- Приведение измеренных значений к нормальным условиям.

Подсистема представления информации обеспечивает. Представление технологической информации на экранах цветных дисплеев (по запросу или автоматически) в следующих форматах по выбору оператора:

- в виде мнемосхем с информацией о текущем состоянии технологического процесса и значения технологических параметров;

- в виде обобщенных и детализированных кадров аварийных состояний технологического процесса;

- в виде различных сообщений в цифровом и/или графическом виде значений технологических параметров и управляющих воздействий;

- в виде специальных кадров регуляторов;

- в виде различных окон расчета значений программных параметров и уставок регуляторов;

- в виде операторских рапортов и сводок (за сутки, с начала месяца);

- автоматическую сигнализацию и регистрацию достижения параметром предаварийной и предупредительной границ;

- формирование и вывод на экран дисплея протокола сообщений, в котором фиксируются все сообщения о предупредительной и предаварийной сигнализациях, сообщения о действиях оператора и системы автоматизации, а также диагностические сообщения о неисправностях в системе;

- формирование и отображение на дисплеях различных групп графиков изменения технологических параметров.

Подсистема автоматического регулирования обеспечивает:

- Одноконтурное и каскадное автоматическое регулирование;

- Безударный переход в ручной и автоматический режимы;

- Для особо важных контуров регулирования реализован каскадным режим работы, в котором уставка по регулируемому параметру рассчитывается автоматически системой, обеспечивая оптимальное по качеству ведение процесса;

- Отображение формулы расчета уставки каскадного режима;

- Изменение параметров настройки регуляторов и других коэффициентов с рабочих станций оператора. Изменение настроек регулятора доступно только обслуживающему персоналу (защищено паролем), при этом в протоколе сообщений регистрируется сообщение об изменении настроек регулятора.

Подсистема дистанционного управления реализует следующие функции:

- Управление положением регулирующих и отсечных клапанов;

- Управление технологическим оборудованием в различных режимах;

- Автоматическое выключение механизмов и приведение клапанов в безопасное состояние при срабатывании блокировок с регистрацией первопричины аварийного останова.

Подсистема защиты и блокировок обеспечивает:

- Перевод технологического оборудования цеха в безопасное состояние в случае срабатывания блокировки, отключения электроэнергии, прекращения подачи сжатого воздуха для питания систем контроля и управления, а также при выходе из строя, управляющего контроллера;

- При восстановлении питания технологическое оборудование переводится в то состояние, в котором оно находилось до выключения питания;

- Возврат технологического объекта в рабочее состояние после срабатывания системы защиты и блокировок должен выполняться обслуживающим персоналом;

- Подсистема защиты и блокировок является "необратимой", т.е. не вызывается повторное самопроизвольное включение оборудования при восстановлении параметра.

Подсистема архивирования информации обеспечивает:

- Архивирование всех аналоговых параметров в кратковременном архиве с циклом опроса 2, 6 или 30 с и временем хранения 3 суток;

- Архивирование необходимых аналоговых параметров в долговременном архиве с циклом опроса 6 или 30 с и временем хранения 32 суток;

- Архивирование рапортов и сводов в начале каждых суток и временем хранения не менее 3 месяцев;

- Архивирование сообщений - хранение последних 10000 сообщений;

- Выдачу любой архивной информации на экран дисплея или на системный принтер по требованию оператора в виде таблиц, графиков, трендов.

Подсистема обмена информации.

Информационный обмен между управляющими контроллерами и сервером АСУ осуществляется по высокоскоростному каналу Industrial Ethernet (10 Mbps). При этом обмен информацией сервера с резервированным контроллером осуществляется по резервированному соединению. В случае отказа одного из CPU или CP контроллера обмен данными с сервером будет продолжаться через другой (работоспособный) CPU и CP.

Обмен данными между сервером и станциями операторов осуществляется по высокоскоростной сети Ethernet (100 Mbps).

Обмен информации между контроллерами выполняется по резервированному соединению.

Диагностика системы.

АСУ имеет в своем составе программные и аппаратные средства диагностики работоспособности системы в режиме "Online" с автоматическим выводом соответствующего сообщения в случае выявления неисправности. Диагностируются:

- Программные средства (наличие сбоев и ошибок в работе программного обеспечения);

- Аппаратные средства нижнего уровня - выход из строя процессорных модулей, коммуникационных процессоров, модулей ввода/вывода, интерфейсных модулей;

- Наличие связи (обмена данными) сервера с контроллерами и между контроллерами;

- Аналоговые датчики на обрыв, короткое замыкание, синфазную ошибку;

- Аналоговые выходы на обрыв линии.

При выходе из строя аппаратных средств, отсутствии обмена данными или возникновении программных сбоев формируется соответствующее сообщение. Предусмотрены программные средства, позволяющие упростить поиск отказавшего модуля.

Контроллер системы АСУ.

Программируемый резервированный контроллер S7-400H состоит из следующих частей:

а) Две резервированных подсистемы, каждая из которых включает в себя:

1) Носитель модулей (корзина) - предназначен для крепления модулей и реализации обмена данными между модулями по внутренней шине;

2) Блок питания PS407, включающий в себя при необходимости одну или две буферные батареи для обеспечения сохранения программы, данных и конфигурационных данных при отключении внешнего питающего напряжения;

3) Центральный процессор CPU414-4H, включающий в себя также плату памяти RAM для записи управляющей программы, данных и конфигурационных данных контроллера;

4) Коммуникационный процессор CP443-1 для подключения системы к сети Industrial Ethernet для организации связи с верхним уровнем системы;

5) Два модуля синхронизации;

6) Для обеспечения синхронизации работы двух резервированных подсистем модули синхронизации первого и второго CPU соединяются между собой посредством двух оптоволоконных кабелей;

б) Одно (или несколько) устройств децентрализованной периферии ET200M, каждое из которых включает в себя:

1) Носитель модулей (корзина) для установки модулей;

2) Блок питания (при необходимости);

3) Два интеллектуальных интерфейсных модуля IM153-2;

4) До восьми сигнальных модулей (дискретных и аналоговых);

5) Шинные модули (по одному на каждые два интерфейсных или сигнальных модуля), обеспечивающие горячую замену модулей.

На рисунке 4.7 показан внешний вид резервированного контроллера S7-400H с одной корзиной децентрализованной периферии ET200M.

Рисунок 4.7 - Внешний вид резервированного контроллера S7-400H

В резервированном контроллере оба CPU находятся в горячем резерве, т.е. оба CPU одновременно синхронно обрабатывают полностью идентичные управляющие программы. CPU, который был запущен первым, считается основным, другой CPU - резервным. При отказе (или выключении) основного CPU программу продолжает обрабатывать резервный, который теперь становится основным. Если затем вновь включить выключенный CPU, то теперь уже он будет резервным. Любое действие, которое может привести к неоднозначности данных в CPU0 и CPU1, приводит к синхронизации данных в CPU: основной CPU синхронизирует свои данные с данными основного CPU. К синхронизации данных в основном и резервном CPU приводят следующие события: прямое обращение к периферийным входам и выходам; прерывания; обновление времени таймеров; модификация данных посредством коммуникационных функций. Если при синхронизации данных между основным и резервным CPU возникла ошибка, то резервный CPU переходит в режим STOP, но основной CPU продолжает работать (Solo Mode).

При отказе одного из блоков питания, CPU, установленный в данной корзине, перестает работать, и его функции продолжает выполнять резервный CPU. Поэтому, если, например, одновременно откажут CPU1 и блок питания, установленный в RACK0, то такая ошибка будет фатальной, что приведет к останову резервированного контроллера.

Децентрализованная периферия ET200M подключается к резервированному контроллеру следующим образом. Ко встроенному интерфейсу DP CPU0 подключаются первые IM153-2, к интерфейсу DP CPU1 - вторые IM153-2. Такая децентрализованная периферия, когда резервируется не вся корзина, а только интеллектуальные модули, называется переключаемой децентрализованной периферией (Switched ET200M Distributed I/O).

Переключаемая децентрализованная периферия ET200M работает следующим образом. Один модуль IM153-2 подключается к CPU0, другой - к CPU1. При отказе одного из IM153-2 или PROFIBUS-кабеля работа продолжается через второй модуль IM153-2, при условии, что CPU, к которому подключен данный модуль IM153-2, исправен и работает. Если одновременно откажут, например, CPU0 (или блок питания, установленный в RACK0) и IM153-2 (или PROFIBUS-кабель), подключенный к CPU1, то такая ошибка приведет к отсутствию связи со всеми модулями, установленными на данной корзине ET200M (модули будут считаться неисправными).

С новым ПТК удалось реализовать бесприборный вариант операторского помещения с виртуальными панелями управления, световой и звуковой сигнализацией.

Также в процессе реконструкции были модернизирован и сокращен парк приборов КИПиА.

4.3 Схема информационных потоков

Основной целью информационной системы АСУТП является возможность быстро и удобно получать данные о состоянии и работе технологического оборудования. Для этого снятые с датчиков и приборов параметры обрабатываются и передаются через вычислительную сеть для хранения на главной машине (сервер) и для отображения на рабочем месте (рабочей станции).

Так как будут использоваться нескольких рабочих станций для работы проекта, то необходимо более подробно рассмотреть схему обмена информацией между техническими средствами УВК.

Информация от полевых датчиков поступает в контроллер. Так как связь контроллера с датчиками осуществлена напрямую, то в контроллере находится информация отображающая действительную ситуацию прохождения технологического процесса. Это позволяет вести точный контроль за прохождением технологического процесса и моментально реагировать на малейшие его изменения. Однако при таком контроле возможно измерение случайной величины , а значит и возникновение ошибки. Для этого в контроллере производим усреднение измеряемых параметров, и предоставляем оператору участка среднее значение за минуту.

Параллельно данные от контроллера поступают в базу данных минутных значений сервера, где они и хранятся. Однако, на хранение минутных значений параметров за продолжительный период времени (более 5 суток) потребуется большое дисковое пространство. Если учесть ещё данные помещаемые на сервер от других управляющих вычислительных комплексов, то размеры накопителей на жёстком диске на сервере будут огромными. Это значительно уменьшит эффективность и скорость работы общезаводской информационной сети, увеличит её стоимость и затраты на обслуживание. Поэтому каждый час вычислитель производит усреднение минутных значений и сохраняет на сервере среднечасовые показатели.

Основу функционирования информационной системы составляет передача данных от датчиков, через все элементы системы до рабочей станции (АРМ оператора).

Технология передачи и обработки передачи информации следующая:

а) Контроллер через каждые 1 секунды считывает данные от датчиков и приборов;

б) В течение 1 минуты контроллер хранит и усредняет полученные данные. Контроллер осуществляет:

1) сбор информации;

2) локальное и каскадное регулирование;

3) расчет среднеминутных значений;

4) выработку управляющего воздействия.

в) сервер завода выполняет функции моста и вычислителя (которые существуют в данный момент для управления технологическим процессом):

1) производит архивацию технико-экономических показателей (ТЭП);

2) производит архивацию ТЭП;

3) производит расчет среднечасовых, среднесменных показателей;

4) предоставляет архивы данных по запросу рабочим станциям.

г) оператор производит ввод параметров на сервер системы в течение 1 минуты, а также отображение параметров технологического процесса на мнемосхемах. Оператор по необходимости оперативно выдает задание контроллеру, который выдает управляющее воздействие на исполнительные механизмы. То есть оператор осуществляет управление технологическим процессом по выдерживание режимных параметров.

д) Упомянутые выше мнемосхемы разрабатывают, а также вводят оперативное изменение мнемосхем инженеры - разработчики. Которые осуществляют необходимую настройку программного обеспечения и производят анализ работы системы управления.

е) Старший мастер просматривает мнемосхемы работы переделов и анализирует работу участка и по необходимости может обращаться к серверу завода.

ж) Начальник участка производит анализ работы цеха по существующим мнемосхемам.

4.4 Разработка человеко-машинного интерфейса

Задачи управления рассматривают технологический процесс определенного участка с отображением основных контролируемых параметров его работы. Интерфейс, отображающий задачи управления является основным, поэтому он должен постоянно находиться перед лицом оператора.

Специализированные задачи предназначены для подробного анализа какого-либо конкретного процесса. При этом преследуется цель установить наилучший контроль именно за этим процессом. Посторонняя информация должна отсекаться.

На всех интерфейсах картинка должна быть кратка и понятна для оператора. Для удобства графического восприятия информации о протекании технологического процесса широко используются такие возможности как цветовая индикация режимов, анимация, представление величин в виде графиков. В случаях оповещения оператора об особо важных ситуациях (завершение или начало какой-либо операции, нарушение определенных параметров, аварийные ситуации и режимы.) используются так называемые аларменные сообщения и звуковая сигнализация. На основном интерфейсе управления обычно всегда имеется специальное поле (поле аларменных сообщений), где выводятся различные заслуживающие особого внимания оператора сообщения (алармы), сопровождающиеся звуковой сигнализацией.

Значения контролируемых параметров управляемого процесса заносятся в архив. Архив представляет собой табличные базы данных, пополняемые текущими значениями параметров с заданной дискретностью по времени, где для каждой ячейки определено название параметра и время сканирования. Архивные значения доступны различным пользователям через информационную сеть и широко используются для анализа ситуаций, для расчетов, для составления отчетов.

Описание головной мнемосхемы. Основной мнемосхемой каталитического риформинга является видеокадр «Основные потоки» изображен на рисуноке 4.8.

Мнемосхема - это обобщенное графическое изображение технологического оборудования, насосов, клапанов и технологических потоков, на которые нанесены цифровые значения параметров. Для управления технологическим процессом на видеокадре вызываются панели регуляторов.

Включение и отключение насосов, переключения клапанов, изменение уровня в баковой аппаратуре отображается на мнемосхемах путем закраски различными цветами их изображений. Красный цвет показывает, что значение параметра достигло своего верхнего или нижнего аварийного уровня, зеленый - значении параметра в пределах нормы.

Рисунок 4.8 - Видеокадр «Основные потоки»

Для еще большей визуализации состояния процесса ко многим объектам мнемосхемы привязана анимация. Примерами анимации могут служить анимация заполнения емкостей, цветовое оформление отображаемых параметров. Числовые значения аналоговых параметров выводятся в стандартном виде с плавающей запятой. Количество отображаемых после запятой знаков - 1 или 2. Значение параметра выводится всегда в непосредственной близости от его обозначения на мнемосхеме темно-синим цветом. Для параметров, по которым предусмотрена аварийная и (или) предупредительная сигнализация, цвет числового поля вывода может изменяться, соответственно, на красный или желтый. Одновременно на экран сообщений выводится соответствующее сообщение о выходе параметра за допустимые границы. До тех пор, пока сообщение не будет сквитировано оператором, независимо от того, вернулся параметр в рабочее значение или нет, цвет числового поля будет оставаться мигающим красным (при аварийной сигнализации) или мигающим желтым (при предупредительной сигнализации).

Подводя итог, нужно указать на то, что при разработке мнемосхемы исходили из принципов наглядности, информативности и удобства использования.

Информация на мнемосхемах обновляется каждую секунду. Для успешного управления процессом оператору мало знать только текущее значение параметра. Иногда необходимо видеть изменение значений этого параметра во временном промежутке.

Для удобства оператора реализована возможность выбора параметров с мнемосхемы для последующего отображения их на графике. В этом случае это может быть цифровое значение параметра, графическое отображение уровня, условное обозначение насоса или клапана, или лампочки сигнализации предельного уровня на баковой аппаратуре.

Если параметр может выбираться на тренд, то при подведении к нему курсора он выделяется черной рамкой. Надо навести курсор на параметр, и нажать левую клавишу «мыши», при этом параметр выделится красной рамкой.

Выбор параметра можно отменить, повторно щелкнув на нем указателем мыши. Окончание выбора производиться нажатием кнопки “Закончить” или щелчком правой кнопки мыши на пустом месте мнемосхемы. После этого в середине мнемосхемы появится окно подтверждения выбора, в котором следуем нажать кнопку «ОК» - если вы действительно хотите увидеть тренд и кнопку «Отмена» - если вы ошиблись или передумали.

Для просмотра тренда параметра, получения полной информации об аналоговом параметре, смотри рисунок 4.9.

Рисунок 4.9 - Окно аналогового параметра (просмотр тренда)

В окне тренда отображается график изменения параметра за последний час. В случае, если по параметру ведется регулирование, в окне тренда также отображается график изменения уставки регулятора.

Таблица 4.1 содержит краткое описание элементов управления, расположенных в окне аналогового параметра.

Таблица 4.1-Элементы управления окна аналогового параметра

N

Описание

1

Название аналогового параметра

2

Обобщенный индикатор аварий (отображает срабатывание предупредительной и аварийной сигнализаций, а также неисправность датчика)

3

Текущее значение параметра

4

Размерность параметра

5

Отображение окна тренда параметра

6

Отображение окна сообщений

7

Отображение окна настройки параметра

8

Отображение окна режима симуляции

9

Отображение окна дополнительной информации (только для датчиков Profibus PA)

10

Вызов окна просмотра формулы расчета программного параметра

11

Переход на мнемосхему, на которой отображается параметр

12

Кнопка закрытия окна

Окно просмотра сообщений по параметру показано на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Окно аналогового параметра (просмотр сообщений)

В окне сообщений отображаются последние сообщения по параметру. При этом, если по параметру ведется регулирование, аналогично окну тренда, в список попадут сообщения по соответствующему регулятору.

Окно настройки параметра показано на рисунке 4.11.

Окно настройки, помимо изменения собственно настроек, позволяет также отключать либо подключать параметр к опросу (кнопка "Снять с опроса"). Для отключенного от наблюдения (опроса) параметра не формируются сообщения о срабатывании сигнализаций и неисправности датчика, а также в поле вывода параметра не отображается текущее значение.

Рисунок 4.11 - Окно аналогового параметра (настройка)

Окно режима симуляции параметра показано на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Окно аналогового параметра (симуляция)

Режим симуляции позволяет имитировать значение параметра и неисправности датчика. После включения режима симуляции (кнопка "Включить режим симуляции") в соответствующих полях можно задавать признак неисправности, значение параметра и скорость изменения параметра.

Окно просмотра дополнительной информации доступно только для датчиков Profibus и показано на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Окно аналогового параметра (просмотр дополнительной информации)

Таблица 4.2 содержит перечень всех возможных состояний датчика Profibus.

Таблица 4.2 - Возможные состояния датчика Profibus

Текстовое поле

Возможные значения

Состояние устройства

В норме

Ошибка резервирования

Ошибка канала

Ошибка устройства

Качество считываемого значения

Считываемое значение в норме

Считываемое значение неверно

Считываемое значение недостоверно

Дополнительная информация по качеству

Дополнительная информация отсутствует

Идет перенастройка устройства (update event)

Достигнута предупредительная граница

Достигнута предаварийная граница

Несквитированное сообщение перенастройки (update event)

Несквитированное предупредительное сообщение

Несквитированное аварийное сообщение

Initial fail safe

Истек интервал периодического обслуживания

Ошибка параметрирования (конфигурирования)

Нет связи с датчиком

Неизвестная ошибка устройства

Ошибка датчика

Ошибка датчика (короткое замыкание)

Дополнительная информация по качеству


Подобные документы

  • Понятие каталитического риформинга. Влияние замены катализатора на увеличение мощности блока каталитического риформинга секции 200 на установке ЛК-6У Павлодарского нефтехимического завода после модернизации производства. Технологическая схема установки.

    презентация [2,3 M], добавлен 24.05.2012

  • Автоматизация технологического процесса на ДНС. Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня. Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятора. Расчёт оптимальных настроек регулятора уровня. Управление задвижками и клапанами.

    курсовая работа [473,6 K], добавлен 24.03.2015

  • Адиабатический реактор установки каталитического риформинга для превращения исходных бензиновых фракций. Принцип работы реактора риформинга. Приемка фундамента, оборудования и транспортировка. Расчет и выбор грузоподъемных средств и такелажной оснастки.

    курсовая работа [851,1 K], добавлен 01.06.2010

  • Технико-экономическая характеристика нефтехимического производства: сырье, продукты. Технологический процесс промышленной установки каталитического риформинга предприятия ОАО "Уфанефтехим". Информационные системы и экологическая политика организации.

    отчет по практике [284,6 K], добавлен 20.05.2014

  • Общая схема и этапы переработки нефти. Процесс атмосферно-вакуумной перегонки. Реакторный блок каталитического крекинга. Установка каталитического риформинга, ее назначение. Очистка и переработка нефти, этапы данного процесса, его автоматизация.

    презентация [6,1 M], добавлен 29.06.2015

  • Обоснование автоматизации роботизированного технологического комплекса штамповки. Анализ путей автоматизации. Разработка системы и структурной схемы управления РТК. Выбор технических средств. Электромагниты, автоматические выключатели и источники питания.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 23.01.2014

  • Характеристика объекта автоматизации. Описание поточной линии для приготовления шоколадных масс. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации и выбор контролируемых параметров. Выбор технических средств и описание схемы автоматизации.

    курсовая работа [170,4 K], добавлен 09.05.2011

  • Описание технологического процесса нагревания. Теплообменник как объект регулирования температуры. Задачи автоматизации технологического процесса. Развернутая и упрощенная функциональная схема, выбор технических средств автоматизации процесса нагревания.

    курсовая работа [401,0 K], добавлен 03.11.2010

  • Описание технологического процесса получения частично обессоленной воды из речной. Структурная схема предлагаемой АСУ. Применение технологий SCАDA для автоматизации задач. Использование программируемых контроллеров с резервированной структурой S7-400H.

    дипломная работа [10,7 M], добавлен 24.04.2012

  • Схема переработки нефти. Сущность атмосферно-вакуумной перегонки. Особенности каталитического крекинга. Установка каталитического риформинга с периодической регенерацией катализатора компании Shell. Определение качества бензина и дизельного топлива.

    презентация [6,1 M], добавлен 22.06.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.