Автоматизация насосных агрегатов на нефтеперекачивающей НПС "Травники"

3.4 Автоматизация насосных агрегатов (НА)

3.4.1 Функциональная схема автоматизации магистрального насосного агрегата (МНА)

Контроль за утечками из торцевых уплотнений насосов необходим в связи с тем, что превышение допустимого уровня утечек служит сигналом разрушения торцевых уплотнений. Утечки скапливаются в корпусе этих уплотнений, откуда отводятся по общему коллектору в емкость.

Температурный контроль осуществляется за всеми подшипниками насоса и электродвигателя. Кроме того, контролируется температура корпуса насоса. Для контроля температуры используется Термопреобразователь ТСП 100П. Также в систему температурного контроля насосного агрегата входит контроль температуры железа и меди статора электродвигателя.

Контроль вибрации осуществляется на передних и задних подшипниках насоса и передних и задних подшипниках электродвигателя. Позволяет установить нарушения в работе агрегата, вызываемые некачественной сборкой, появлением дисбаланса, износом подшипников, усталостью металла.

Манометр, установленный на всасывающем трубопроводе у входной задвижки, настраивают на давление, характеризующее кавитационный режим насоса. Кавитация снижает энергетические показатели насосного агрегата.

Для сигнализации пожара предусматривается комбинированные ИК и УФ диапазона пожарные извещатели пламени, монтируемые на опорах для установки пеногенераторов. Извещатели пламени установлены с учетом угла обзора извещателя, максимальной дальности обнаружения пламени, с учетом их ориентации на защищаемую поверхность с разных направлений. Формирование команды на управление автоматической установкой пожаротушения должно осуществляться не менее чем от двух адресных пожарных извещателей, контролирующих каждую точку защищаемой поверхности.

Пожарные извещатели устойчивы против ложных срабатываний при воздействии на них прямого солнечного света. Пожарные извещатели защищены от попадания влаги и других атмосферных и механических воздействий.

Отображаемый формат содержит следующую переменную информацию:

- текущее значение давления на выходе насосного агрегата, МПа;

- достижение минимального аварийного значения давления на линии подачи масла к электродвигателю агрегата;

- достижение минимального аварийного значения давления на линии подачи масла к насосу агрегата;

- достижение максимального аварийного и максимального значения вибрации агрегата;

- текущее значение температуры подшипников насоса, электродвигателя и возбудителя;

- текущее значение температуры корпуса насоса;

- текущее значение температуры обмоток и воздуха электродвигателя;

- текущее значение температуры в зоне горячего воздуха электродвигателя;

- текущее значение вибрации на переднем подшипнике вала насоса;

- текущее значение вибрации на заднем подшипнике вала электродвигателя насоса;

- текущее значение вибрации на переднем подшипнике вала электродвигателя;

- разрешение на пуск МНА с ручной панели;

- пуск МНА с ручной панели;

- текущее состояние задвижек на приеме и нагнетании агрегата (открыта, открывается, закрыта, закрывается, в промежуточном положении, неисправна, авария);

- объем утечек из торцовых уплотнений насоса.

Контролируемым параметром по насосному агрегату, кроме рассмотренных выше, является: ток, потребляемый электродвигателем и измеряемый преобразователем переменного тока (29).

В таблице 3.1 указаны противоаварийные защиты, при срабатывании которых, происходит отключение МНА.

Таблица 3.1 - Противоаварийные защиты

Номер сценария	Позиционное обозначение	Условие срабатывания
1	TE 1 - 1	Превышение температуры переднего подшипника насоса
2	TE 2 - 1	Превышение температуры заднего подшипника насоса
3	TE 5 - 1	Превышение температуры корпуса насоса
4	TE 3 - 1	Превышение температуры переднего подшипника ЭД
5	TE 4 - 1	Превышение температуры заднего подшипника ЭД
6	TE 6 - 1	Превышение температуры обмоток статора
7	SE 19	Превышение вибрации переднего подшипника насоса
8	SE 21	Превышение вибрации переднего подшипника насоса
9	SE 23	Превышение вибрации переднего подшипника ЭД
10	SE 25	Превышение вибрации переднего подшипника ЭД

Образующиеся в зоне пониженного давления парогазовые пузырьки конденсируют в области высокого давления, вызывая гидравлические удары и вибрации, в результате чего разрушаются рабочие органы насосного агрегата. Защита по минимальному давлению всасывания осуществляется с выдержкой времени, благодаря чему исключается реакция схемы на кратковременное снижение давления при включении насосов и прохождении по трубопроводу небольших воздушных пробок. Минимальный контакт датчика давления (13) на всасывающем трубопроводе дает сигнал в схему управления агрегатом, прерывая процесс запуска в случае отсутствия требуемого давления после открытия задвижки на всасывающем трубопроводе. Максимальный контакт датчика давления (14) на нагнетательном трубопроводе обеспечивает автоматическую остановку агрегата, если давление на нагнетательном трубопроводе превышает допустимое по условиям механической прочности оборудования, арматуры и трубопровода. Контроль за минимальным давлением масла осуществляется датчиком давления (16).

Перечень средств измерения и контроля представлена в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Перечень средств измерения и контроля

Позиция	Наименование	Кол-во
1…11	Термопреобразователь ТСП-100П, 0ExiaIICT3	11
12,15,17	Манометр МП4-У	3
13,14	Датчик избыточного давления EJX, 1EXdIICT3	2
16	Датчик избыточного давления Метран-100	1
18	Сигнализатор уровня жидкости OMUV, EEtDBT5	1
19…27	Вибропреобразователь АНС-066-02	9
28	Прибор контроля вибрации СВКА-1-02.05	1
29	Преобразователь измерительный	1
	переменного тока ОМь-4.04
30	Контроллер температурный ТК-5.0	1

3.5 Контрольно-измерительная аппаратура

3.5.1 Прибор для измерения давления Метран-100

Одним из важнейших контролируемых параметров насосного агрегата является давление. Под действием давления, нагнетаемым насосным агрегатом, нефть движется по трубопроводу от станции к станции. Под давлением подается смазка в подшипники насосов и электродвигателей, вода для охлаждения работающего оборудования и т. д.

Прибор Метран-100 состоит из преобразователя давления и электронного преобразователя. Конструкция датчика представлена на рисунке 3.2.

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 2. Внутренняя полость 4 заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 5, приваренной по наружному контуру к основанию 2. Полость 7 сообщается с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 6 фланца 9, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 5 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из сенсорного блока в электронный преобразователь 1. Полость 7 герметизирована и сигнал передается в электронный преобразователь по проводам через гермоввод.

1 - электронный преобразователь; 2 - основание; 3 - мембранный тензопреобразователь; 4 - внутренняя полость; 5 - металлическая гофрированная мембрана; 6 - камера; 7 - полость; 8 - прокладка; 9 - фланец

Рисунок 3.2 - Прибор для измерения давления Метран-100

Функционально электронный преобразователь состоит из АЦП, источника опорного напряжения, блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, ЦАП, стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех и НАRТ-модема для преобразователей. Кроме того в электронный преобразователь входит ЖКИ индикатор. АЦП, источник опорного напряжения и блок памяти АЦП размещаются на плате АЦП, которая объединяется с измерительным блоком в сборочную единицу - сенсор давления. Остальные элементы функциональной схемы размещаются в корпусе электронного преобразователя.

Плата АЦП принимает аналоговые сигналы преобразователя давления, пропорциональные давлению и преобразовывает их в цифровые коды. Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик сенсорного блока и других данных о сенсорном блоке.

Микроконтроллер, установленный на микропроцессорной плате, принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передаёт его в ЦАП. ЦАП преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал.

3.5.2 Микропроцессорный датчик давления EJX “Yokogawa”

Серия DPharp EJX - новейшая серия интеллектуальных датчиков сверхвысокой технологии, использующих в качестве детектора кремниевый резонатор.

Приборы относятся к интеллектуальной серии, поддерживающей двусторонний обмен информацией по BRAIN- или HART- протоколу. Благодаря этому пользователь имеет возможность сам сконфигурировать основные параметры измерения давления и настроить выходной сигнал.

Встроенные функции самодиагностики позволяют непрерывно отслеживать исправность прибора и нахождение процесса в допустимых пределах.

Технические данные EJX “Yokogawa” представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Технические данные EJX “Yokogawa”

Наименование параметра	Значение
Измеряемые среды	Газ, пар, жидкость
Температура окружающей среды, °С	-40 … +120
Выходной сигнал: ? токовый, мА ? цифровой	4…20 BRAIN или HART-протокол
Погрешность, % шкалы	±0,075

Схема, поясняющая принцип работы кремниевого резонатора, показана на рисунке 3.3.

Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. При изготовлении чувствительных элементов применяются самые современные технологи роста кристаллов, благодаря чему вся эта сложная структура получается с единой монокристаллической решеткой.

Рисунок 3.3 - Схема, поясняющая принцип действия кремниевого резонансного чувствительного элемента

В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления.

3.5.3 Прибор для контроля уровня утечек «OMUV»

Для контроля уровня утечек используется уровнемер серии «OMUV».

При нормальной работе центробежных магистральных насосов через уплотнительные устройства происходят небольшие утечки нефти. Эта нефть собирается и подаётся в специальный резервуар-сборник, откуда откачивается по мере накопления. Если уплотнительные устройства насоса неисправны, утечки нефти могут достигнуть значительной величины.

Приборы для контроля уровня «OMUV» применяются в качестве аварийного выключателя уровня для предотвращения перелива. Например, следящий прибор для восприятия уровня типа «OMUV 05-1» используется в качестве аварийного выключателя уровня для слежения за утечками в насосной. Прибор воспринимает превышение понтонами заданного максимального уровня и обеспечивает возможность блокировки и аварийной сигнализации.

Прибор состоит из крепежного фланца 1, на котором с помощью болтов установлен корпус 2. Внутри корпуса после снятия крышки 3 имеется доступ к последовательным контактам 4. Многожильный кабель 5 для подключения подводится к корпусу выключателя через уплотнение 6, в качестве которого используется масло- и бензостойкая резина, помещенная в гнездо сальника 7.

Внутри полой трубки 8, изготовленной из корозионно стойкого металла, помещена удерживающая балка 9, на которой расположен герметизирующий контакт 10.

Конструкция уровнемера «OMUV 05-1» приведена на рисунке 3.4.

1 - крепежный фланец; 2 - корпус; 3 - крышка; 4 - последовательные контакты; 5 - многожильный кабель; 6 - уплотнение; 7 - сальник; 8 - полая трубка; 9 - балка; 10 - герметизирующий контакт; 11 - поплавок

Рисунок 3.4 - Конструкция уровнемера «OMUV»

Контакт замыкается под действием постоянного кольцевого магнита, расположенного в сферическом поплавке 11 из полипропилена. Поплавок передвигается за счет выталкивающей силы жидкости. Чувствительные элементы (герконы) работают по моностабильному принципу, когда при прохождении поплавка передается по одному импульсу; таким образом, после прохождения уровня обеспечивается хранение информации электронным путем [10].

3.5.4 Прибор для измерения температуры подшипников и корпуса насосного агрегата

Для определения температуры подшипников используются термометры сопротивления типа ТСП-100П. Предназначены для измерения температуры и как блокировки при повышении допустимой температуры измеряемой среды. Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолированных друг от друга чувствительных элемента, они применяются для измерения температуры одной точки двумя приборами. Схема соединения внутренних проводников представлена на рисунке 3.5.

Используется искровзрывозащитный преобразователь для термосопротивлений Pt 100 MK32-llExO-Li одноканальный. Искровзрывозащитный нормирующий преобразователь МК32-11 ExO-Li является одноканальным устройством с безопасными входными цепями. Модуль предназначен для гальванической развязки термосопротивления Pt100 (платина, 100 Ом), размещенного в искровзрывоопасной зоне, и формирует о взрывобезопасной зоне нормированный сигнал 4 - 20 мА, пропорциональный изменению температуры. Термосопротивление может подключаться по трех- или четырехпроводной схеме. Входные цепи могут контролироваться на обрыв провода и короткое замыкание. Неполадка отображается красным светодиодом. Поведение выхода при неполадке программируется переключателем на передней панели: 0 мА или 2 мА. Контроль может быть отключен переключателем Mon.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления наматывают платиновой проволокой диаметром 0,05 --0,07 мм на каркас размером 100 на 100 мм. Чувствительный элемент заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, затем в защитный чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам специальной платы, установленной в головке защитного чехла. Диапазон измерения температуры от минус 200 до +650°С.

Двумя переключателями на передней панели могут быть заданы четыре диапазона контролируемых температур:

- ТI = -50 ...+100 °С;

- ТII = 0 ... +200 °С;

- ТIII = 0 ... +400 °С;

- TIV = 0 ... +600 °С.

Рисунок 3.5 - Схема соединения внутренних проводников

При отключенном контроле входной цепи, выходной сигнал повторяет, при неполадке изменения входного сигнала: при обрыве провода снижается до 0 мА, а при коротком замыкании нарастает до 22 мА.

3.5.5 Аппаратура виброконтроля СВКА

Аппаратура виброконтроля СВКА предназначена для преобразования механических колебаний в электрический сигнал, для измерения среднеквадратических значений виброскорости и мгновенных значений ускорения, а также непрерывного преобразования сигнала в унифицированный сигнал постоянного напряжения и тока [9].

Устройство состоит из вибропреобразователей, распределительных коробок и электронного блока. В электронном блоке установлены двенадцать измерительных блоков с взрывозащитой, один блок контроля индикации и один блок питания. В распределительной коробке установлен согласующий усилитель. Ячейка искрозащиты для каждого канала установлена в измерительном блоке, т.е. электронный блок имеет входные искробезопасные цепи. Взрывозащита обеспечивает работу вибропреобразователей и их СЗУ во взрывоопасной зоне.

Блок- схема устройства виброконтроля СВКА приведена на рисунке 3.6.

Пьезоэлектрический вибропреобразователь преобразует контролируемую вибрацию в электрический сигнал. Чувствительный элемент вибропреобразователя состоит из монолитного биморфного пьезокерамического элемента, выполненного из керамики типа ЦТС - 83Г.

Принцип действия вибропреобразователя основан на использовании явления пьезоэффекта. При воздействии вибрации пьезоэлемент деформируется под воздействием инерционной силы, пропорциональной действующему ускорению. При этом на обкладках пъезоэлемента или пьезомодуля появляется знакопеременный заряд, пропорциональный в рабочей полосе частот действующему ускорению.

Фильтры верхних и нижних частот выполнены двухкаскадными и служат для выделения рабочей полосы сигнала. Схемы фильтры нижних частот одновременно являются усилителями сигнала виброскорости.



1...12 -вибропреобразователь; 13...24 - коробка распределительная КР11; 25 - блок электронный в составе; 26...37 - блок искрозащиты; 38...49 - блок измерительный; 50 - блок контроля и индикации; 51 - блок питания; 54...65 - кабель-удлинитель; 66...77 - кабель; 78...80 - кабель «U=» («I=». «U~»); 81 - кабель «ЗАЩИТА»; 82 - кабель «220 В»

Рисунок 3.6 - Блок-схема устройства виброконтроля СВКА

Принцип действия вибропреобразователя основан на использовании явления пьезоэффекта. При воздействии вибрации пьезоэлемент деформируется под воздействием инерционной силы, пропорциональной действующему ускорению. При этом на обкладках пъезоэлемента или пьезомодуля появляется знакопеременный заряд, пропорциональный в рабочей полосе частот действующему ускорению.

Напряжение, создаваемое этим зарядом, поступает на вход согласующего усилителя. Согласующий зарядовый усилитель (СЗУ) необходим для согласования выходного сопротивления вибропреобразователя с линией связи и вторичной аппаратурой. СЗУ расположен в корпусе распределительной коробки. Электрический сигнал с СЗУ поступает на вход электронного блока.

Измерительный блок включает в себя следующие функциональные устройства:

? интегратор, который производит интегрирование электрического сигнала и формирование амплитудно-частотной характеристики канала измерения (виброускорение, информация о котором в виде электрического сигнала имеется на выходе вибропреобразователя, есть производная по времени от скорости, поэтому для получения информации о виброскорости необходимо произвести интегрирование электрического сигнала виброускорения);

? фильтры верхних и нижних частот (выполнены двухкаскадными и служат для выделения рабочей полосы сигнала);

? детектор среднеквадратичный, он выделяет среднеквадратичное значение электрического сигнала, пропорционального виброскорости;

? узел индикации, служащий для индикации превышения уровня виброскорости свыше заданного для данного контролируемого объекта;

? установленные в измерительной ячейке потенциометры R1 (авария) и R2 (предавария) для установки уровней срабатывания аварийного и предаварийного сигнала.

Ячейка измерительная включает в себя следующие функциональные устройства:

? интегратор;

? фильтры верхних частот;

? фильтры нижних частот;

? детектор среднеквадратичный;

? узел индикации;

? токовый преобразователь.

Интегратор производит интегрирование электрического сигнала и формирование амплитудно-частотной характеристики канала измерения. Виброускорение, информация о котором в виде электрического сигнала имеется на выходе вибропреобразователя, есть производная по времени от скорости, поэтому для получения информации о виброскорости необходимо произвести интегрирование электрического сигнала виброускорения.

Детектор среднеквадратичный выделяет среднеквадратическое значение электрического сигнала, пропорционального виброскорости.

Узел индикации служит для индикации превышения уровня виброскорости свыше заданного для данного контролируемого объекта (аварийная и предупредительная сигнализация). Узел индикации в ячейке измерительной установлены потенциометры R1 (авария) и R2 (предупреждение) для установки уровней срабатывания аварийного и предупредительного сигнала.

Токовый преобразователь служит для преобразования выходного сигнала по постоянному напряжению в сигнал по постоянному току.

Блок контроля и индикации состоит из платы контроля, платы реле и платы вольтметра. Плата контроля включает следующие функциональные узлы:

? задержки питания исполнительного узла;

? исполнительный;

? задержки включения аварийной сигнализации и индикации уровней «АВАР» и «ПРЕД»;

? формирования напряжения для проверки исправности сигнализации «АВАР»;

? формирования управляющего сигнала проверки «ПРОВ»;

? выбора канала.

Плата вольтметра включает узел индикации уровня виброскорости.

Блок задержки питания исполнительного узла предназначен для задержки подачи напряжения питания на исполнительный блок для предотвращения срабатывания реле R1, R2 во время переходных процессов при включении устройства.

Исполнительный блок предназначен для срабатывания сигнализации «АВАР» и «ПРЕД». При этом происходит замыкание контактов реле, выведенных на разъем «ЗАЩИТА» блока электронного.

Узел вольтметра предназначен для регистрации уровня виброскорости и управления цифровыми индикаторами узла индикации.

Узел выбора канала предназначен для установки автоматического или ручного режима выбора измерительного канала и состоит из генератора импульсов.

Узел индикации уровня виброскорости выполнен на трех индикаторах. Индикаторы используются как шкала регистрации уровня СКЗ виброскорости для одного из каналов («ВИБРОСКОРОСТЬ»), номер которого показан на четвертом индикаторе («КАНАЛ»).

Узел формирования управляющих сигналов проверки предназначен для формирования контрольного сигнала для проверки электронного тракта аппаратуры и выполнен как генератор импульсов прямоугольной формы.

Блок питания состоит из платы питания и индикаторов управления передней панели блока питания.

Блок интерфейсный выполнен на основе двух интерфейсных плат, соединенных одной лицевой панелью, на которой установлены разъемы для подключения кабелей.

Плата интерфейсная предназначена для преобразования аналоговых сигналов датчиков в цифровой код и их передачи на интеллектуальные устройства верхнего уровня по стандартному интерфейсу по протоколу Modbus RTU.

Диапазон входных аналоговых сигналов составляет 0...5 В. Электрические входные сигналы платы соответствуют требованиям стандарта RS-485.

Основу платы интерфейсной составляет микроконтроллер AduC812. Аналоговые сигналы в виде напряжения 0...5 В поступают на входы коммутатора МUХ. Под управлением микроконтроллера происходит их поочередное аналогово-цифровое преобразование с помощью 12-разрядного АЦП и запоминание результатов в ОЗУ емкостью 32 К.

Для связи с внешней средой на плате интерфейсной предусмотрены два интерфейса последовательного типа. Интерфейс RS-232 (розетка DB9F) предназначен для программирования МП и калибровки АЦП. Интерфейс RS - 485 (вилка DB9М) предназначен для передачи преобразованных в цифровой код значений аналоговых сигналов, поступающих на вход платы через разъемы «входы». На плате интерфейсной всего 8 измерительных каналов, поэтому при подключении 8 измерительных каналов (и меньшего количества) используется одна плата в блоке интерфейсном. При использовании большего числа каналов в блоке интерфейсном устанавливаются две платы. Питание осуществляется напряжением постоянного тока плюс 5 В, плюс 15 В.

Достоинства и удобство в применении комплекса аппаратуры типа СВКА 1-02.05:

? простота исполнения, удобство обслуживания и высокая ремонтопригодность;

? высокая надежность датчиков и ресурс 50000 ч;

? унифицированное крепление датчиков различных модификаций, обеспечивающая;

? возможность замены датчиков-аналогов других фирм без доработки мест установки;

? высокая механическая прочность, взрывозащищенное исполнение;

? наличии индикации измеряемого параметра.

3.5.6 Контроллер «ЭЛСИ - Т»

Контроллер предназначен для построения распределенных гибких автоматизированных программно - технических комплексов контроля и управления объектами нефтяной и газовой промышленности энергетики, перерабатывающих отраслей, транспорта, коммунального хозяйства и др.

Контроллер осуществляет сбор и обработку информации с первичных датчиков, формирование сигналов управления по заданным алгоритмам, прием и передачу информации по последовательным каналам связи.

Контроллер представляет собой набор функционально-законченных модулей, что позволяет создавать контроллеры для различных применений.

Имеющийся набор модулей, в состав которого входят коммуникационные модули, модули ввода аналоговых сигналов, модули ввода дискретных сигналов, модули вывода дискретных сигналов, специализированные модули, позволяет наиболее оптимально сконфигурировать контроллер для определенных задач.

Технические характеристики контроллера приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Технические характеристики контроллера «ЭЛСИ-Т»

Наименование параметра	Значение
Номинальное значение напряжения питания переменного тока, В	220
Отклонение напряжение питания переменного тока от номинального значения, В	44
Частота питающей сети, Гц	50
Номинальное значение напряжения питания постоянного тока, В	220
Отклонение напряжение питания постоянного тока от номинального значения	-20, +130
Потребляемая мощность, Вт, не более	60
Габаритные размеры (без кабельной части), мм, не более	435х230х220
Масса, кг, не более	10
Вероятность безотказной работы за 10000 ч, не менее	0,95
Срок службы, лет, не менее	10

Конструкция контроллера представляет собой набор модулей, объединенных коммутационной панелью.

Каждый модуль контроллера представляет собой функционально - законченный блок.

Контроллер реализован с применением микропроцессорной техники по модульному принципу, в состав контроллера входят:

? базовый комплект, состоящий из коммутационной панели, источника питания и процессорного модуля;

? модули УСО (устройства связи с объектами) и другие специализированные модули, набор которых определяет функциональное назначение контроллера.

Управление контроллером осуществляется центральным процессором. Центральный процессор выполнен на базе 16-разрядного микроконтроллера i80C188EB фирмы Intel. Тактовая частота процессора 2 МГц. Требуемые функции контроллера обеспечиваются добавлением к базовому комплекту различных модулей ввода/вывода, которые, также как и базовые модули, устанавливаются на коммутационную панель.

Программное обеспечение контроллера состоит из программного обеспечения центрального процессора и программного обеспечения модулей.

Пользовательское программное обеспечение в центральном процессоре функционирует под управлением многозадачной событийной операционной системы реального времени ELSY88. В состав операционной системы (FLASH) входят:

? многозадачный монитор реального времени ESX88;

? драйверы модулей ввода/вывода;

? программы самодиагностики контроллера;

? библиотека стандартных подпрограмм расширенной арифметики, тригонометрических функций и т.д.

Все прикладные задачи в контроллере работают под управлением операционной системы с различными уровнями приоритета. Наивысшим приоритетом среди задач пользуются процессы операционной системы и аварийной сигнализации.

Синхронизация задач выполняется по событиям, а обмен информацией между процессами осуществляется в виде сообщений.

Центральный процессор выполняет функции:

? самопроверки и проверки работоспособности модулей ввода/вывода;

? коммуникации данных между модулями;

? обработки данных от модулей по заданным алгоритмам;

? сохранения данных в энергонезависимой памяти;

? обслуживание часов реального времени;

? автоматического рестарта контроллера.

Программное обеспечение в модулях реализует:

? проверку в фоновом режиме;

? индикацию состояния модуля;

? в аналоговых модулях усреднение и интегрирование входных сигналов, проверку и калибровку каналов для исключения временных и температурных дрейфов;

? в цифровых модулях проверку каналов, последовательный опрос каналов, цифровую фильтрацию входных сигналов, подсчет количества и частоты следования импульсов;

? в сетевых модулях - протокол обмена.

4. Модернизация релейной системы автоматизации МНА на основе ПЛК

Актуальность создания автоматизации систем управления на НПС «Травники» возросла в связи с низким уровнем автоматики, наличия морально устаревших релейных схем, низкой надежности и сложностью обслуживания. Это требует замены существующих систем на микропроцессорную систему автоматики.

4.1 Критерии выбора контроллера

Выделим несколько основных эксплуатационных характеристик, которые обусловливают функциональность и эксплуатационные свойства (и, таким образом, конкурентоспособность) контроллера:

- разнообразие моделей. Выпуск одним производителем серии контроллеров, состоящей из моделей разной производительности, которые имеют единое программное обеспечение для программирования, используют единые интерфейсы и могут соединяться в различных комбинациях, дает пользователю возможность более оптимально строить систему в соответствии с заданными техническими требованиями;

- конструктивное исполнение, архитектура системы. Конструктивное исполнение, архитектура системы (масштабируемость) - возможность контроллера изменяться в зависимости от объекта и возможность быстрой замены отдельных модулей при плановой реконструкции или при их выходе из строя без остановки управления технологическим объектом;

- инструментальные средства и средства программирования. Для использования ПЛК необходимо прикладное программное обеспечение, позволяющее задавать алгоритм на одном из стандартных языков или различные программные модули на собственном языке, отлаживать алгоритм, загружать его в контроллер (причем дистанционно, используя стандартные интерфейсы связи) и в ходе работы контролировать правильность его действия уже в реальной системе.

- коммуникационные возможности - поддержка различных интерфейсов и протоколов таких, как ProfiBus, Foundation FieldBus, Ethernet;

- вычислительная мощность - совокупность таких параметров, как характеристики центрального процессора (тактовая частота, тип микропроцессора, объем памяти и т. п.), характеристики внутренней шины (пропускная способность, реакция на передачу данных, количество точек подключения и т.п.), количество подключаемых к одному центральному процессору модулей ввода-вывода, возможности коммуникации;

- надежность, соответствие условиям эксплуатации. Под надежностью понимается совокупность таких свойств, как время безотказной работы, соответствие условиям эксплуатации и уровням безопасности, использование надежного программного обеспечения, как в самом контроллере, так и во всех сопутствующих инструментальных средствах;

- номенклатура модулей (устройств) ввода-вывода;

- жизненный цикл.

Таким образом, можно выделить наиболее оптимальные направления в развитии систем автоматизации технологических процессов:

- программируемый логический контроллер должен полностью соответствовать принципам открытости, то есть поддерживать стандартные и наиболее востребованные возможности;

- для того чтобы контроллер выгодно отличался от других, он должен обладать уникальными и полезными особенностями, позволяющими по некоторым параметрам превзойти конкурентов;

- интегральное качество производимой продукции (под этим подразумеваются как технические параметры по надежности оборудования, так и качество программного обеспечения самого контроллера и всех сервисных средств, необходимых для работы с ним) должно постоянно контролироваться;

- при производстве и сбыте продукции должна непрерывно поддерживаться обратная связь с ее потребителями. Конструкцию контроллера необходимо постоянно совершенствовать, повышая его надежность, удобство создания управляющих систем и простоту обслуживания.

4.2 Программируемый логический контроллер SKOREX

Контроллер SKOREX компании ЭлеСи разработан с учетом таких условий эксплуатации, как нестабильное электропитание, индустриальные помехи и различная квалификация обслуживающего персонала. Он предназначен для применения в самых сложных системах АСУ ТП.

SKOREX - это ПЛК нового поколения для применения в крупных проектах, которые требуют высоких вычислительных мощностейс возможностями масштабирования систем.

Свойства контроллера SKOREX [11]:

- повышенная производительность за счет многопроцессорной архитектуры;

- детерминированность исполнения алгоритмов управления и минимальное время реакции за счет использования операционной системы реального времени.

Основные особенности аппаратного обеспечения ПЛК SKOREX:

- наличие процессора в каждом модуле;

- более 25000 обрабатываемых каналов ввода - вывода;

- использование в качестве шины контроллера высокоскоростного последовательного канала;

- широкое применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для поддержки высокоскоростной шины и выполнения вспомогательных функций;

- вариативность исполнения центрального процессора и коммуникационных панелей.

Перечисленные ниже особенности определяют высокие эксплуатационные свойства контроллера SKOREX:

- надежная фиксация модулей;

- надежное соединение заземляющих контактов;

- уникальное решение по наращиванию модулей;

- защита от неправильной установки модулей;

- все подключения осуществляются через быстроразжимные контакты;

- удобный монтаж внешних кабелей;

- расширенная индикация состояния всех модулей и каналов ввода-вывода.

Основные особенности аппаратного обеспечения ПЛК SKOREX:

- наличие процессора в каждом модуле;

- использование в качестве шины контроллера высокоскоростного последовательного канала;

- широкое применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для поддержки высокоскоростной шины и вспомогательных функций;

- вариативность исполнения центрального процессора и коммуникационных панелей.

В стандартной комплектации имеется два Ethernet-порта - штатный и дополнительный (для использования в сервисных целях). В сочетании с прочной конструкцией модуля, который выполнен без подверженных отказам вращающихся элементах (таких как вентиляторы и жесткие диски), он представляет собой особо надежную базу для комплексных разработок, в том числе для сложных процессов управления с повышенными требованиями относительно времени и надежности.

Также как центральный процессор, все модули ввода-вывода построены на базе 32-битового RISK - процессора, но в них в качестве основного процессораиспользуется микроконтроллер SH - компании Renesas.

Шина контроллера представляет собой высокоскоростную (до 400 Мбит/с) последовательную шину. Она может работать в двух режимах - «пассивный крейт» и «активный крейт». Пассивный (рисунок 4.1) предназначен для менее производительных (более дешевых) систем, в крейте не используются активные элементы.

Активный режим (рисунок 4.2) разработан специально для достижения максимальной производительности всей системы. В нем каждый крейт содержит по два дублирующих друг друга активных элемента (ПЛИС с поддержкой алгоритма управления каналом), каждое соединение дублируется и при передаче данных каждая пара модулей создает собственный канал. Все это позволяет достичь максимальной скорости.

Рисунок 4.1 - Структура контроллера при работе в режиме пассивного крейта

Рисунок 4.2 - Структура контроллера при работе в режиме активного крейта

Встроенная в систему возможность предоставления данных по ОРС позволяет без особых трудностей применять контроллеры SKOREX практически с любой SCADA-системой. Помимо этого, специалистами компании разработан подключаемый к IDE (интегрированной среде разработки - integrated development environment) модуль связи проекта со SCADA-системой Infinity. С помощью него можно путем экспорта информации связать переменные задачи пользователя с системой отображения информации в SCADA-системе [11].

4.2.1 Характеристика ПЛК Skorex

Рассмотрим особенности конструктивного исполнения, аппаратного и программного обеспечения ПЛК Skorex в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Характеристика ПЛК Skorex

Параметр	Значения
Возможности расширения	+
Возможность «горячей» замены модулей	+
Возможность «горячего» резервирования	+
Диапазон рабочей температуры, ?С	-25 .. +60
Предел основной приведенной погрешности измерения аналоговыми входами, %	0,15 … 0,05
Объем ОЗУ для хранения переменных программ, Мб	64-128
Процессор	32-разрядный RISC - архитектуры на базе ядра PowerPC
Поддерживаемые языки программирования	IEC 61131-3 (LD, FBD, SFC, IL, ST, CFC)
Программное обеспечение	CoDeSys 3S
Протоколы последовательных портов	ModBus TCP/RS, ProfiBus DP Master, Profinet IO Device, IEC 61850
Каналы ввода/вывода	DI/DO - 16..32 AI/AO - 4..8
Интерфейс для программирования и отладки	RS 485/232, ProfiBus, Ethernet

Главным преимуществом контроллера SKOREX является возможность горячей замены модулей - отключение или подключение модулей во время работы системы без выключения питания и её остановки, а также замену (переподключение) блока в целом. При резервировании центрального процессора по схеме «горячего» резервирования второй процессор постоянно находится в состоянии готовности и при сбое первого продолжает выполнение алгоритма. Резервирование систем в случае перебоев, связанных с отсутствием коммуникации с оборудованием, сбоями в его работе или работе программного обеспечения серверов, которые собирают и обрабатывают данные, повышает надежность систем и снижает риск внештатных ситуаций и аварий. SKOREX имеет дополнительные модули питания, что также позволяет выдержать пропадания питания.

4.3 Разработка программного обеспечения логического управления НА

4.3.1 Алгоритм управления МНА

Управление НПС может осуществляться в двух режимах: местном или дистанционном (телемеханическом). Выбор режима осуществляется оператором НПС с помощью ключа, установленного на лицевой части общестанционной панели, на которую выведены управление всеми общестанционными системами автоматики и общестанционная аварийная сигнализация. Основным режимом управления является телемеханический режим управления.

При телемеханическом режиме запуска первоначально предусматривается полное открытие приемной задвижки, затем подачу команды на открытие выходной задвижки и спустя заданную выдержку времени с начала ее открытия включение электродвигателя (программа пуска на открывающуюся задвижку). Открытие приемной и выходной задвижек насоса выполняется автоматически.

Запуск насосного агрегата выполняется в следующем порядке:

- проверяется возможность пуска агрегата по давлению на приеме и выходе насосной;

- устанавливается блокировка защит по вибрации насосного агрегата;

- проверяется состояние приемной задвижки насоса;

- если приемная задвижка не открыта, формируется команда на открытие с ожиданием исполнения команды, после чего формируется команда на запрет закрытия приемной задвижки;

- если приемная задвижка открыта, формируется команда на запрет закрытия приемной задвижки;

- проверяется состояние выходной задвижки насоса;

- если выходная задвижка не закрыта, формируется команда на закрытие с ожиданием исполнения команды, после чего формируется команда на запрет открытия выходной задвижки;

- если выходная задвижка закрыта, формируется команда на запрет открытия выходной задвижки;

- включается маслонасос и приточный вентилятор обдува электродвигателя;

- формируется команда на включение высоковольтного включения с ожиданием исполнения команды;

- после достижения силы тока статора электродвигателя заданного значения формируется команда на открытие выходной задвижки с ожиданием исполнения команды, после чего формируется команды на запрет закрытия входной задвижки;

- насосный агрегат считается включенным.

После завершения процедуры запуска контроллер переходит в режим автоматического контроля установки.

Автоматически включается в работу система регулирования и защит.

Во время работы установки контроллер непрерывно следит за всеми его основными технологическими параметрами, и при отклонении любого из них производится аварийный останов установки НА с выдачей звуковой сигнализации и передачи по системе телемеханики на АРМ оператора.

При превышении температуры подшипников насоса и электродвигателя срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

При превышении температуры обмоток сердечника статора срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

При превышении температуры нефти в корпусе насоса срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

При превышении температуры воздуха в корпусе электродвигателя срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

Если уровень утечек из уплотнения насоса превышает 150 мм от дна стакана, то срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

При вибрации агрегата превышающей уставку 7,1 мм/с срабатывает аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата».

К электрическим защитам относятся: защита электродвигателя от перегрузки по току; защита от короткого замыкания; дифференциальная защита; короткое замыкание на землю; остановка двигателей с подстанции; посадка напряжения питания; синхронный режим для синхронных двигателей. При срабатывании электрозащиты появляется аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата». На подстанции срабатывает электрическая аварийная блокировка от повторного включения данного двигателя.

Защита по минимальному давлению смазывающего масла в трубопроводе к насосному агрегату и электродвигателю срабатывает при давлении достигшем значения 50 кПа.

Защита по минимальному давлению на приеме насосного агрегата осуществляется при давлении не превышающем значения 0,2 МПа, включается сигнализация и отключается насосный агрегат.

Защита по максимальному давлению на нагнетании насоса срабатывает при достижении 4,2 МПа, включается сигнализация и отключается первый по ходу нефти насосный агрегат.

При дистанционном управлении необходимо проконтролировать правильность выполнения программ PUSK и STOP и неизменность состояния оборудования на работающем агрегате (особенно задвижек на приеме и выкиде).

Для предотвращения ложных срабатываний сигнализаторов давлений на приеме и выкиде насосов, масла на подшипники, воздуха на охлаждения электродвигателя при пульсациях давления в системах аварийной сигнализации предусматривают выдержки времени 1-20 с.

Система автоматической аварийной защиты насосной предусматривает два вида аварийных отключений магистральных агрегатов:

- отключение агрегата кнопкой по месту, допускающее только местный повторный запуск после деблокировки в операторной специальной кнопкой;

- отключение агрегата оператором, допускающее дистанционный запуск.

При срабатывании защиты включается аварийная сигнализация и включается программа «остановка насосного агрегата»:

- выключить электродвигатель;

- закрыть задвижку на входе и задвижку на выходе насосного агрегата;

- выключить приточный вентилятор обдува электродвигателя;

- выключить маслонасос.

После уяснения причины аварии, снятия состояния аварии, контроллер переходит в нормальное состояние.

Происходит выбор необходимых датчиков и исполнительных механизмов объекта с учетом требований алгоритмов управления. На основании задания сначала определяются все информационные и управляющие сигналы проектируемого контроллера.

Следующим шаг - определение причины следственных отношений между сигналами, выделение последовательности событий. Одним из формализованных способов представления алгоритмов управления, которым удобно пользоваться при дальнейшем проектировании является граф переходов.

Граф переходов, представленный на рисунке 4.3, составлен на основе словесного описания алгоритма управления.

4.3.2 Программирование

Автоматизация сбора и обработки измерительной информации связана с задачей программирования логики работы инструментальных средств автоматизации - логических контроллеров.

Использование стандартных языков и компьютерных средств программирования позволяют существенно снизить затраты на разработку прикладного программного обеспечения контроллеров и обеспечить его переносимость с одного контроллера на другой.

Инструменты программирования ПЛК на языках МЭК 61131-3 могут быть специализированными для отдельного семейства ПЛК (например, STEP 7 для контроллеров SIMATIC S7-300/400) или универсальными, работающими с несколькими (но далеко не всеми) типами контроллеров: CoDeSys, ISaGRAF, ИСР "КРУГОЛ", Beremiz.

Для программирования ПЛК используются стандартизированные языки МЭК (IEC) стандарта IEC61131-3:

- графические:

1) LD - язык релейных схем;

2) FBD - язык функциональных блоков;

3) SFC - язык диаграмм состояний - используется для программирования автоматов;

- текстовые:

1) IL - список инструкций;

2) ST - структурированный текст.

Языком программирования был выбран язык ST. ST - язык структурированного текста. Относится к классу языков высокого уровня, похожих на Паскаль, удобен для программирования сложных логических и вычислительных процедур, которые сложно или невозможно описать графическими языками.

Порядок создания программы:

- создание проекта;

- объявление переменных: booleans (булевые), analog (аналоговые), timers (таймерные);

- создание программ;

- написание текста программы на выбранном языке с помощью соответствующего редактора;

- присоединение переменных ввода-вывода, позволяет программисту определить физические платы системы исполнения и то, каким образом переменные ввода-вывода присоединяются к каналам этих плат;

- генерация кода прикладной программы, включающая проверку синтаксиса программы;

- тестирование или имитация. Используется для отладки программ на компьютере, когда аппаратные средства системы исполнения недоступны;

- загрузка программы в контроллер.

Список переменных, используемых в программе для данного проекта, приводится в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Описание переменных применяемых в программе

Условное обозначение	Тип переменных
PUSK	bool
Ez	bool
Pnorm	bool
P_PrVuk_masn	bool
PZo	bool
PZz	bool
STOPm_op	bool
Tpedn_kn_mas	bool
VZo	bool
VZz	bool
Vibr	integer
ut	bool
Xstator	bool
Yst	bool
Выходные сигналы
Ued	bool
Uez	bool
Upzo	bool
Upzz	bool
Uvzo	bool
Uvzz	bool
Uvibr	bool
Umasn	bool
UTemp	bool
Uut	bool
Udavl	bool
Uzvib	bool
ZZPZ	bool
ZZVZ	bool
ZOVZ	bool
Udav	bool
STOP	bool

5. Охрана труда и техника безопасности на НПС «Травники»

Темой данного дипломного проекта, как уже отмечено ранее, является модернизация системы автоматики НПС нефтепровода НКК НПС «Травники».

С целью обеспечения безопасности производства при монтаже, эксплуатации и ремонте средств автоматизации, в данном разделе необходимо дать характеристику производственной среды, в которой будет произведена модернизация системы автоматики, и провести анализ опасных и вредных производственных факторов.

Безопасность производства и экологическая безопасность должны соблюдаться по всем видам работ, связанных с монтажом, эксплуатацией и ремонтом средств автоматизации.

Нарушение требований правил техники безопасности производства при монтаже, эксплуатации и ремонте средств автоматизации может привести к авариям и производственным травмам, а экологической безопасности - к загрязнению окружающей среды.

Вследствие того, что нефтеперекачивающая насосная станция является вредным и опасным производственным объектом, в данном разделе будут рассматриваться мероприятия по безопасной эксплуатации оборудования и будет произведен анализ безопасной работы средств автоматизации.

5.1 Анализ производственных опасностей и вредностей

В предыдущих разделах дипломного проекта рассматривалась технологическая схема НПС НКК «Травники» и система автоматического управления технологическими процессами.

Первичные приборы контроля состояния технологического процесса (датчики давления, уровня, температуры, расхода, загазованности и т.д.) устанавливаются непосредственно в насосной, где в процессе эксплуатации рабочей средой является нефть, попутный газ и возможно возникновение взрывоопасных смесей, характеристики которых приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Взрывоопасные и токсические свойства веществ в рассматриваемой производственной среде

Наименование вещества на рассматриваемом объекте	Агрегатное состояние	Класс опасности веществ	Температура, °С	Концентрационный предел взрываемости, % объем	Характеристика токсичности (воздействие на организм человека)	Предельно допустимая концентрация веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений
			Вспышки	Воспламенения	Самовоспланения	Нижний предел	Верхний предел
Нефть сырая	Ж (п)	4	-18		233	1,1	7,4	Наиболее сильное влияние на ЦНС	10,0
Попутный нефтяной газ	Г	4	-		405…580	6,0	13,5	Отравление организма	300

Пары нефтепродуктов действуют, главным образом, на центральную нервную систему. Признаки отравления чаще всего проявляются в головокружении, сухости во рту, головной боли, тошноте, сердцебиении, общей слабости и потери сознания.

Попутный газ - бесцветная смесь легких углеводородных паров, легко воспламеняется, обладает вредным воздействием на организм человека и в зависимости от концентрации может произойти отравление организма разной степени тяжести (ОБУВ составляет 50 мг/м).

На быстроту поступления паров нефтепродуктов из воздуха в кровь влияет их растворимость в воде, близкая к растворимости в крови.

Нефтепродукты практически нерастворимы в воде. Углеводороды способны растворяться в поту и жировом покрове кожи, а затем всасываться через кожу и поступать в кровь. При этом начинается головокружение, тошнота.

Перекачиваемая нефть легко испаряется и способна образовывать взрывоопасную смесь. Нефтепродукты относятся к легковоспламеняющимся веществам. Их пары с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Это выдвигает повышенные требования к надежности и эффективности пожаро- и взрывозащиты. Пары нефтепродуктов способны создавать опасность воспламенения от источника огня. Блуждающие пары тяжелее воздуха, поэтому они стелятся по поверхности пола в цехе, затекают с воздухом и образуют горючие и взрывоопасные смеси.

В процессе эксплуатации средств автоматизации существует опасность поражения электрическим током. Приборы и средства автоматизации находятся под напряжением 24 В постоянного тока. Так как насосный зал имеет токопроводящие полы, то возможно, одновременное прикосновение человека к соединяемым с землей технологическим аппаратом с одной стороны и к металлическим корпусам средств автоматизации с другой.

Удар электрическим током вызывает рефлекторную реакцию со стороны центральной нервной системы и ведет к нарушению нормального ритма работы сердца. В результате наблюдается нарушение или полное прекращение деятельности органов дыхания и кровообращения.

Помещение рассматриваемого насосного зала НПС НКК, где установлены четыре насосных агрегата НМ 10000-210, отделено негорючей перегородкой от зала электродвигателей (рисунок 5.1). В разделительной стене в месте прохождения вала соединения насосов и электродвигателей устанавливаются специальные устройства, обеспечивающие герметичность разделительной стенки.

Пожароопасность технологических процессов в значительной степени определяется физико-химическими свойствами нефтепродуктов.