Автоматизация технологического процесса вакуумной компрессорной станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Вакуумная компрессорная станция, автоматизация, датчик, контроллер, операторский интерфейс, регулирование давления, безопасность, экономическая эффективность.

Объектом исследования является вакуумная компрессорная станция

Цель работы заключается в модернизации системы автоматизации вакуумной компрессорной станции на базе современного программируемого логического контроллера SLC-500 американской фирмы Allen Bradley.

Разработанная система позволит сократить число аварий, увеличить производительность цеха, повысить точность и надёжность измерений.

Срок окупаемости системы - 1,9 года.

Введение

Настоящий дипломный проект, на вакуумную компрессорную станцию, разработан в соответствии с «Положением о технологических регламентах по добыче, переработке газа и конденсата предприятиями Министерства Топлива и Энергетики», утвержденным заместителем Министра Газовой промышленности. Технологический регламент является основным документом, определяющим режим и порядок проведения операций технологического регламента, обеспечивает необходимое качество выпускаемой продукции, а так же рациональное и экономическое ведение технологических процессов, сохранность оборудования и безопасность работ [1].

Вакуумная компрессорная станция (ВКС) предназначена для очистки, компримирования и осушки попутного нефтяного газа, с целью подачи его по системе газопроводов высокого давления на кусты скважин, при эксплуатации нефтяных скважин.

Для автоматизации системы управления станцией существует отдел автоматизации производства. В зону обслуживания данным отделом включается оборудование и программное обеспечение, реализующее рабочие места в операторной вакуумной компрессорной станции, с выполнением следующих видов работ:

1) техническое обслуживание системы;

2) сопровождение программного обеспечения системы;

3) совместные работы;

Основные задачи отдела автоматизации:

1) организация работ по внедрению на объектах управления рациональных систем автоматизации и телемеханизации производственных процессов и автоматизированных систем управления производством;

2) разработка перспективных и текущих планов внедрения комплексной автоматизации и телемеханизации процессов, автоматизированных систем управления производством и контроль за их выполнением;

3) контроль за производственно-технологической деятельностью БПО АП и цехов автоматизации;

Целью данного дипломного проекта является разработка автоматизированной системы управления технологических процессом очистки, компримирования и осушки нефтяного газа, на базе одного из современных программируемых контроллеров (в частности SLC 5/04 от фирмы Allen Bradley).

автоматизированный логический контроллер осушка

1. Технологический процесс

1.1 Общая характеристика объекта

Система предназначена для:

1) Дистанционного наблюдения и управления работой вакуумной компрессорной станции (ВКС) с автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора;

2) Ведения технологического режима ВКС (сбор информации, регулирование, функционально-групповое управление, блокировки) в соответствии с технологическим регламентом;

3) Архивирования информации с целью последующего пользования для анализа и формирования отчетной документации.

Целями создания системы являются:

1) Повышение качества ведения технологического режима и его безопасности;

2) Повышение точности измерения и регулирования технологических параметров;

3) Повышение оперативности действий персонала;

4) Сокращение потерь газа и улучшения экологической обстановки на объекте;

5) Повышение надёжности системы управления объектом.

Характеристика объекта управления.

Объектом управления является вакуумная компрессорная станция попутного нефтяного газа [1].

В состав технологического оборудования ВКС входят:

1) три компрессорных агрегата ВКГ -1…3 марки 7ГВ-50/7;

2) два входных газовых сепаратора ГС- 1,2;

3) узел учета газа;

4) встроенная маслосистема;

5) две подземные емкости.

Условия эксплуатации технологического комплекса ВКС соответствуют макроклиматическому району с холодным климатом с диапазоном расчетных температур от -43^оС до +40^оС. Температура в помещениях должна поддерживаться не ниже 5 ^оС.

Объекты управления системы относятся к взрывопожароопасным объектам с зоной В-Iа (помещения) и В-Iг (технологические площадки КС) по ПУЭ.

Функциональные требования.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

1) управления технологическим процессом;

2) информационных;

3) обслуживания системы.

Система имеет функционально и территориально распределённую структуру.

В состав системы входит:

1) автоматизированное рабочее место оператора;

2) станция управления технологической установкой (станции управления должны быть размещены отапливаемом помещении).

Управляющая сеть системы обеспечивает обмен информацией между АРМ и станциями управления.

Система обеспечивает возможность расширения путем подключения дополнительных станций управления и организации дополнительных рабочих мест.

Количество контролируемых сигналов и сигналов управления системы определяется схемой автоматизации. Максимальное количество переменных, обрабатываемых и отображаемых на АРМ системы, не превышает 5000. Максимальное количество переменных, архивируемых на АРМ системы, не превышает 100.

Время полного опроса контролируемых сигналов и выдачи управляющих воздействий для каждого контура управления не превышает 1 секунды. Время обновления статической информации на экране монитора АРМ превышает 1 секунды с момента выбора видеокадра. Время обновления динамической информации на экране монитора АРМ превышает 2 секунд с момента ее изменения.

Система обеспечивает непрерывное круглосуточное ведение технологического режима, сохраняя возможность выполнения основных функций при выходе из строя отдельных элементов. Система обеспечивает диагностику ее технических средств в режиме нормальной работы.

В системе предусмотрены программные и аппаратные средства защиты от неквалифицированных действий персонала, способных привести к нарушениям технологического режима.

Система обеспечивает сохранение работоспособности при отключении электроэнергии на время до 20 минут за счёт применения источников бесперебойного питания.

Полный средний срок службы системы - 10 лет. Средний межремонтный ресурс - 20000 часов при коэффициенте готовности не менее 0.99. В течение указанного полного срока службы допускается проведение средних ремонтов путём замены отдельных блоков, узлов и деталей.

1.2 Характеристика сырья, готовой продукции и вспомогательных материалов

Исходным сырьем для ВКС является попутный нефтяной газ, который имеет следующий состав (табл. 1.1.).

Таблица 1.1 - Состав нефтяного газа

Компонентный состав	Состав газа
Название	Формула	% объемных
Метан	CH4	97,51
Этан	C2H6	0,34
Пропан	C3H8	0,36
Изобутан	IC4H10	0,35
Норм. бутан	NC4H10	0,26
Изопентан	IC5H12	0,12
Норм. пентан	NC5H12	0,10
Углекислый газ	CO2	0,20
Плотность при 20 0С	0,7002
Содержание меркаптановой серы не более г/м3	Менее 0,036
Содержание сероводорода, не более г/м3	Менее 0,02
Диапазон изменения состава газа	+ 5%

Готовая продукция:

Готовой продукцией является попутный нефтяной газ того же состава, очищенный от механических примесей, компримированный до Р=7,5-10,0 МПа (75-100 кг/см²), осушенный и дросселированный до давления P=3,5-5,5 Мпа (35-55 кг/см²).

Смазочные и уплотняющие масла:

Масла, применяемые для смазки узлов трения компрессоров должны иметь следующую характеристику (Табл. 1.4.).

Таблица 1.2 - Характеристика смазочных и уплотняющих масел

№	Наименование показателей	Требования Французского проекта	Соответствующее масло отеч. производства
			КП 8с ТУ38401512-85 и КП 8Сст
1	Плотность при 150С г/см3	Не более 0,88	При 200С 0,885
2	Вяз-ть кинемат. С ст.
	При 500С	25-30	30,0
	При 1000С	6,0-6,93	6,7
3	Число вязкости	Не менее 90	Не менее 95
4	Темп-ра вспышки, 0С	не менее 2000С	В откр. тигле не <2000С
5	Точка застывания, 0С	Не выше (-120С)	Не выше (-150С)
6	Точка анилиновая	Не менее 900С
7	Кислотное число (МГ кон.на 1гр)		0,05
8	Опыт окисления (2000ч при 950С)	Отсутствие шлама Отсутствие коррозии
9	Стабильность против окисления осадка в %	-	Не более 0,05
10	Кислотное число окисленного масла мг на 1г. масла	-	0,5
11	Зольность в %	-	Не более 0,005
12	Коксуемость в %	-	Не более 0,05
13	Массовая доля мехпримесей в %	-
	--“-- воды		Отсутств.
	--“-- фенола		Отсутств.
	--“-- серы		0,05

Таблица 1.3 -Характеристика смазочных и уплотняющих масел для двигателя

Показатель	МС-8п	МС-8гп
Вязкость кинематическая, мм2/с:
при 500С, не менее	8,0	8 (10)*
при - 400С, не более	4000	-
Температура, 0С:
вспышки в закрытом тигле, не ниже	150	150
застывания, не выше	- 55	-
Кислотное число, мг КОН/г, не более	0,05	0,03(0,4)*
Содержание водорастворимых кислот, щелочей, воды, механических примесей	отсутствие	отсутствие
Содержание воды, в % не более	отсутствие	отсутствие
Зольность, % не более	0,008

Азот газообразный:

Применяется для продувки аппаратов и трубопроводов при подготовке их к ремонту и пуску в работу. Азот газообразный соответствует требованиям ГОСТ 9293-74.

2. Автоматизация технологического процесса ВКС

2.1 Структура АСУТП

Нефтяной газ от ДНС поступает на измерительные линии узлов учета газа, где производится замер и нормирование поступившего газа.

Газ после учета газа подается на входные газовые сепараторы ГС-1,2, где происходит отделение капельной жидкости, нефти и газового конденсата, которые сбрасываются в емкость ЕП-2.

Освобождённый от капельной жидкости газ из сепараторов ГС-1,2 поступает на приём газокомпрессорных агрегатов ВКГ-1,2,3 типа «7ГВ-50/7». В газокомпрессорной установке газ поступает на вход маслонаполненного винтового компрессора, где смешивается с маслом и сжимается до заданных параметров. Газомасляная смесь поступает в маслоотделители М-1…3, где происходит разделение смеси на масло и газ.

Нагревшийся при компрессировании газ поступает в напорный трубопровод, где он охлаждается при помощи температуры окружающего воздуха.

Из напорного трубопровода, через узел учета газа, газ подается в сборный газопровод на ГПЗ.

При аварийном отключении одного из компрессоров или аварии на газопроводе производится сброс газа на факел.

Дренаж от компрессорных установок осуществляется в емкость ЕП-1. При заполнении дренажных емкостей ЕП-1,2 скопившаяся жидкость откачивается в трубопровод нефти на ДНС.

Смазочное масло используется в компрессорах как охлаждающая, смазывающая и уплотняющая среда. Смазочное масло через фильтры подается в камеру сжатия компрессоров для образования газомасляной смеси, смазки и охлаждения роторов компрессоров, а также к подшипникам для их смазки и охлаждения.

Чистое масло для компрессорной станции из автоцистерн поступает в емкости Е-1,2 для промежуточного хранения. Насосы Н1/1,1/2 используются для перекачки чистого и отработанного масла.

Отработанное масло от компрессорных установок поступает в емкости Е-1,2. Из емкости Е-1,2 при помощи насосов Н- 1/1,1/2 отработанное масло заканчивается в автоцистерны и отправляется на регенерацию.

Функциональная схема автоматизации объекта приведена в приложении А.

2.2 Объекты и объёмы автоматизации

В качестве объектов автоматизации рассматриваются:

1) узел учёта газа;

2) два входных газовых сепаратора ГС-1,2;

3) три компрессорных агрегата ВКГ-1…3 марки 7ГВ-50/7;

4) встроенная маслосистема;

5) две подземные емкости.

Структура контроля и управления.

Проектом автоматизации для создания системы управления ВКС предусматривается следующая структура контроля и управления. На технологических объектах, устанавливаются первичные датчики, местные приборы контроля технологических параметров. Для осуществления дистанционного контроля и управления технологическим процессом в операторной устанавливается программный технологический комплекс (ПТК), а в разделе внутриплощадочные сети будет выполнена кабельная связь между датчиками и исполнительными механизмами с ПТК.

Объемы контроля.

Для перечисленных выше технологических объектов, проектируемых и выполненных заводами-изготовителями блочно-комплектного оборудования объемы автоматизации обеспечивают:

На узел учета газа проектом предусматривается:

1) дистанционное и местное измерение температуры газа на узле;

2) дистанционное и местное измерение давления газа на узле;

3) дистанционное и местное измерение расхода газа на узле;

4) сигнализация загазованности узла учёта газа.

Входные газовые сепараторы ГС-1,2.

Проект должен обеспечивать:

1) дистанционное измерение и сигнализация уровня газа в сепараторе;

2) дистанционное, местное измерение и сигнализация давления в сепараторе;

3) дистанционное измерение и сигнализация загазованности;

4) дистанционное измерение давления на выходе газосепаратора.

Компрессорные агрегаты ВКГ-1…3 марки 7ГВ-50/7.

Проектом осуществляется:

1) дистанционное измерение и сигнализация температуры подшипников двигателя ВКГ;

2) дистанционное измерение и сигнализация температуры масла в масловводе ВКГ;

3) дистанционное измерение и сигнализация температуры газомасленной смеси на выходе ВКГ;

4) изменение уровня масла в Е ВКГ;

5) дистанционное измерение и сигнализация давления на масловводе ВКГ;

6) дистанционное измерение и сигнализация давления на выходе ВКГ;

7) дистанционное измерение и сигнализация давления на всасе ВКГ;

8) ток двигателя ВКГ;

В подземных емкостях ЕП-1,2 проектом предусматривается:

1) дистанционное измерение и сигнализация уровня в емкости ЕП;

2) дистанционное измерение и сигнализация давления на выходе ЕП;

Система обеспечивает выполнение следующих функций управления:

1) автоматическое регулирование;

2) дискретное (логическое) управление;

3) дистанционное управление с рабочего места оператора;

4) ручное управление по месту;

5) технологические блокировки.

Предусмотрена следующая последовательность приоритетов функций управления:

1) технологические блокировки;

2) местное управление;

3) дистанционное управление;

4) дискретное (логическое) управление.

Управление технологическим оборудованием ВКС должно производиться:

1) в автоматическом режиме контроллером;

2) с автоматизированного рабочего места оператора с использованием средств операторского интерфейса;

3) с местных постов управления.

Система должна обеспечивать управление следующими типами исполнительных устройств:

1) регулирующими клапанами;

2) задвижками и кранами с электроприводом;

3) электродвигателями насосных агрегатов;

4) электродвигателями вентиляторов;

5) сигнализирующими устройствами (световая и звуковая сигнализация).

Автоматическое регулирование.

Система обеспечивает регулирование давления газа на приеме газокомпрессорных установок ВКГ-1,2,3. Регулирование должно выполняться по датчику давления- разрежения Кл-34. При повышении давления на приёме газ сбрасывается на факел при помощи регулирующего клапана Кл-36. При понижении давления на приеме с выхода на прием подается газ через регулирующий клапан Кл-35.

Дискретное управление.

Система осуществляет:

1) автоматическое открытие регулирующего клапана Кл-27 при максимальном уровне и автоматическое закрытие при минимальном уровне в газосепараторе ГС-1;

2) автоматическое открытие регулирующего клапана Кл-31 при максимальном уровне и автоматическое закрытие при минимальном уровне в газосепараторе ГС-2;

3) автоматическое включение вентиляторов маслоохладителей при максимальной температуре масла в коллекторе; автоматическое включение вентиляторов маслоохладителей при минимальной температуре масла в коллекторе;

4) автоматическое включение вытяжных вентиляторов в контейнере компрессорной установки при превышении уровня загазованности 7% от нижнего предела взрываемости;

5) автоматическое включение насоса Н-1 по максимальному уровню и автоматическое отключение по минимальному уровню жидкости в емкости ЕП-1;

6) автоматическое включение насоса Н-2 по максимальному уровню и автоматическое отключение по минимальному уровню жидкости в емкости ЕП-2;

Система обеспечивает дистанционное управление с рабочего места оператора:

1) пуск и остановка компрессоров;

2) пуск и остановка насосов;

3) пуск и остановка вентиляторов;

4) управление регулирующими клапанами;

5) управление электрифицированными задвижками.

Все компрессора и насосные агрегаты, электрифицированные задвижки и вентиляторы имеют ручное управление по месту.

Технологические защиты и блокировки.

Система обеспечивает отключение компрессоров:

1) при понижении давления газа в коллекторе всасывания ниже заданной установки;

2) при понижении давления газа в коллекторе нагнетания ниже заданной установки;

3) при понижении давления газа в коллекторе нагнетания выше заданной установки;

4) при понижении давления масла в коллекторе ниже заданной установки;

5) при повышении температуры подшипников электродвигателя компрессора выше заданной установки;

6) при повышении температуры в коллекторе нагнетания выше заданной установки;

7) при понижении уровня масла в маслоотделителе ниже заданной установки;

8) при загазованности контейнера компрессорной установки свыше 50% НПВ;

9) при повышении уровня жидкости в газосепараторах выше заданной установки;

10) при пропадании напряжения питания ~220В станции управления;

11) при перезагрузке электродвигателя по току;

12) при пожаре;

Перечень информационных функций.

Система обеспечивает выполнение следующих информационных функций:

1) сбор, первичная обработка и хранение информации о технологическом процессе и технологическом оборудовании;

2) автоматическое управление технологическими объектами в соответствии с заданной программой;

3) дистанционное исполнение команд оператора;

4) распознавание и сигнализацию аварийных ситуаций, отклонений процесса от заданных пределов, отказов технологического оборудования;

5) отображение информации о технологическом процессе и состоянии оборудования в виде мнемосхем процесса и стандартных видеограмм;

6) учет наработки технологического оборудования;

7) ведение журнала событий;

8) формирование отчётной документации (двухчасовые, сменные, суточные, месячные рапорта).

Технические средства автоматизации.

Применяемые датчики и измерительные преобразователи имеют, как правило, унифицированные выходные сигналы с одним из следующих параметров:

1) аналоговые (токовые 4…20 мА) для контроля и регулирования режимных технологических параметров;

2) дискретные типа «сухой контакт» для сигнализации предельных значений технологических параметров ( 24В ).

Все датчики, преобразователи и исполнительные механизмы соответствуют требованиям по степени защиты от воздействия окружающей среды:

1) по взрывопожаробезопастности;

2) по климатическому исполнению;

3) по устойчивости к воздействию пыли и влаги;

4) по устойчивости к воздействию агрессивных сред.

Применяемые приборы и средства автоматизации изготовлены предприятиями России, разработаны в последние годы и учитывают опыт эксплуатации в условиях Западной Сибири, соответствуют требованиям экологической безопасности и не оказывают вредного воздействия на окружающую природную среду.

Все блочно-комплектные технологические установки оснащаются средствами контроля на заводах изготовителях этих установок.

2.3 Обоснование и выбор комплекса технических средств нижнего уровня

Комплекс технических средств (КТС) автоматизированной системы управления должен быть достаточным для выполнения всех технических требований, изложенных выше.

В КТС используются унифицированные, серийно выпускаемые средства, опробованные в промышленной эксплуатации. Любое из технических средств допускает замену его аналогичным средством без каких-либо конструктивных изменений или регулировки в остальных устройствах. Конфигурация технических средств не ограничивает возможность расширения системы.

КТС обеспечивает построение двухуровневой иерархической системы и включать в себя:

1) микропроцессорные программируемые логические контроллеры (РLС);

2) рабочую станцию оператора на базе персонального компьютера с монитором, клавиатурой и печатающим устройством;

3) устройство передачи информации;

4) источники бесперебойного электропитания.

Контроллер должен обеспечивать функции:

1) ввода-вывода, преобразования и нормирования сигналов;

2) обмен данными с рабочей станцией;

3) автоматического управления;

4) исполнение дистанционных команд с рабочей станции;

5) локальной диагностики и самодиагностики.

Модули ввода аналоговых сигналов должны обеспечивать ввод унифицированных токовых сигналов (4ч20 мА) с полным гальваническим разделением цифровой части от аналоговой. Дискретные модули должны обеспечивать полное гальваническое разделение внешних цепей от внутренних. Модули ввода дискретных сигналов должны обеспечивать ввод сигналов 12-24В током не более 5 мА/сигнал. Модули вывода дискретных сигналов должны обеспечивать ток до 5 А при напряжении до ~220В.

Обмен информацией между контроллерами и компьютером должен производиться через последовательный порт RS-232 или RS-485.

Компьютер должен обеспечивать функции накопления и обработки информации, операторского интерфейса и дистанционного управления.

Программное обеспечение должно быть достаточным для выполнения всех технических требований, изложенных в настоящем техническом задании.

Программное обеспечение системы должно включать в себя:

1) операционную систему рабочей станции оператора;

2) пакет операторского интерфейса.

Устройство электроиспытательное регулирующее взрывозащищенное УЭРВ-1М.

Устройство предназначено для поддержания на заданном уровне параметров (давления, температуры, расхода, уровня раздела фаз и др.) различных технологических процессов на установках подготовки нефти, сборных пунктов, товарных парков, объектах внутрипромыслового транспорта нефти и газа, насосных станциях.

Регулирование параметров осуществляется путем автоматического открытия и закрытия регулирующих органов по сигналам управляющих устройств.

Устройство предназначено для эксплуатации во взрывоопасных зонах помещений всех классов и наружных установок.

Технические данные:

1) устройство может устанавливаться на трубопроводе с условным рабочим давлением, регулируемой среды не более 6.4мПа (64 кг/см²) и температуры не более 20°С;

2) предел основной допускаемой погрешности хода штока не более 4%;

3) температура окружающего воздуха от - 50 до 50°С;

4) относительная влажность воздуха 95 + 3%;

5) атмосферное давление от 84 до 106.7 кПа ( от 630 до 800 мм. рт. ст.);

6) ток переменный

- напряжение 220/380 В

- частота 50Гц

- потребляемая мощность = 100Вт.

Устройство и работа.

Устройство состоит из следующих частей: регулирующего клапана, электрического исполнительного механизма прямоходного кронштейна, муфты, гайки, стрелки и шкалы указателя положения штока регулирующего клапана.

Принцип действия устройства основан на изменении пропускной способности регулирующего клапана в соответствии с входным электрическим сигналом. Поступающий на электродвигатель электрический командный сигнал посредством редуктора и прямоходной приставки исполнительного механизма преобразуется в возвратно-поступательное движение штока клапана.

Изменения положения штока влечет за собой изменение расхода жидкости или газа через регулирующий клапан.[7]

Технические характеристики сигнализатора уровня ультразвукового УЗС-207И:

1) напряжение переменного тока 220В;

2) частота 50 Гц;

3) допустимые отклонения от номинальных значений по напряжению +10-15 %, по частоте 2 %;

4) потребляемая от сети мощность на одну точку контроля не более 6 ВА;

5) электрическая нагрузка на контакты входных реле ток от 0.5 до 2.5 А частотой 50Гц, напряжение от 12 до 250 В, коммутируемая мощность не более 100 ВА;

6) напряжение в искробезопасной электрической цепи не более 17В, ток не более 84А;

7) допустимые значения параметров линии связи между датчиками и вторичным преобразователем емкости 0.25 мкФ, индуктивности 0.33 мГц, сопротивление каждой жилы 10 Ом;

8) погрешность срабатывания относительно номинального уровня срабатывания не более 2 мм при вертикальной установке и 5 мм при горизонтальной установке датчика;

9) сигнализаторы устойчивы к воздействию температур окружающего воздуха.

10) относительная влажность воздуха до 98 % при температуре 35°С, для сигнализаторов исполнения ОМ - при температуре 40°С.[7]

Манометр сигнализирующий ДМ-2005Сг-1Ех:

Манометр сигнализирующий предназначен для измерения избыточного и вакуумметрического давления различных сред и управлений внешними электрическими цепями от сигнализирующего устройства прямого действия. Прибор является взрывозащищенным с видом защиты “взрывонепроницаемая оболочка” и имеет маркировку по взрывозащите 1ЕхdIIВТ4, а по защищенности от воздействия окружающей среды прибор имеет исполнение защищенное от воздействия агрессивных сред.

Технические характеристики:

1) контролируемая среда - жидкость, газ, пар;

2) диапазон показаний - от 1 до 1.6, 2.5, 4, 6, 10, 16, 25, 40 кг/см²;

3) класс точности - 1.5;

4) сила тока - до 1А;

5) параметры сигнализирующего устройства - 24,27,36,40,110,220В - для цепей постоянного тока;

6) предел допускаемой основной погрешности - 2.5% от диапазона показаний - для приборов со скользящими контактами, 4% - для приборов с магнитным поджатием контактов;

7) прибор устойчив к воздействию температуры окружающего воздуха от -50 до +60°С и относительной влажности до 98% при 35°С и более низких температурах конденсации влаги;

8) прибор устойчив к воздействию вибрации частотой 5-35Гц с амплитудой смещения 0.35мм.[7]

Термопреобразователь ТСПУ Метран-276.

Термопреобразователь ТСПУ Метран-276-Ех может применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категорий НА, ИВ и МС, групп Т1-Т6 по ГОСТ 12.1.011.

Предназначен для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Технические характеристики и параметры

Диапазоны унифицированных выходных сигналов, номинальная статическая характеристика (НСХ) первичного преобразователя, диапазоны преобразуемых температур, пределы допускаемой погрешности, зависимость выходного сигнала от температуры указаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Технические характеристики

Тип и исполнение термопреобразователя	НСХ	Выходной сигнал, мА	Диапазон преобразуемых температур, °С	Предел допускаемой основной приведенной погрешности, ±г,%	Зависимость выходного сигнала от температуры
ТСПУ Метран-276	100П	0-5; 4-20	-50. ..50, 0...100, 0...200, 0...300, 0...400, 0...500	0,25; 0,5	линейная
ТСПУ Метран-276-Exia		4-20
ТСПУ Метран-276-Exd

Материал головки:

1) стеклонаполненный полиамид ПА 66 - для обыкновенного исполнения;

2) сплав АК12 - для взрывозащищенного исполнения.

Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP65 по ГОСТ 14254.

Маркировка взрывозащиты:

1) ExiallCTS, ExiallCT6 с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" - "ia";

2) 1ExdllCT5, 1ExdllCT6 с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка d".

Напряжение питания:

1) от 18 до 42 В постоянного тока - для термопреобразователей с выход-ным сигналом 4-20 мА;

2) 36 В постоянного тока - для термопреобразователей с выходным сигна-лом 0-5 мА .

Допускаемое отклонение напряжения питания - не более ±2%.

Потребляемая мощность:

1) не более 0,9 Вт - для термопреобразователей обыкновенного исполнения;

2) не более 0,5 Вт - для термопреобразователей взрывозащищенного исполнения. [2]

Сигнализатор загазованности СТМ-30.

Сигнализатор загазованности СТМ-30 предназначен для непрерывно контроля взрывоопасных концентраций в воздухе помещения и открытых пространств горючих газов, паров и их смесей. Сигнализатор СТМ-30 является автоматическим стационарным прибором, состоящим из блока сигнализации, блока питания и выносных датчиков.

Принцип действия сигнализатора - термохимический, основанный на изменении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика.

Сигнализаторы СТМ-30 имеют:

1) сигнализацию красного цвета о достижении концентрации срабатывания аварийной сигнализации;

2) сигнализацию красного цвета о достижении концентрации срабатывания предупредительной сигнализации;

3) сигнализацию желтого света о наиболее вероятной неисправности сигнализатора;

4) контакты для коммутации внешних цепей сигнализации;

5) индикацию концентрации.

Технические характеристики:

1) выходной унифицированный сигнал 0-1 В;

2) ток через коммутирующие контакты до 2,5 мА;

3) потребляемая мощность 15 Вт;

4) питание от сети однофазного тока 220 В и частотой 50 Гц;

5) переход на резервное питание - автоматическое, в течении 1 минуты

Датчики давления Метран-100 (в дальнейшем датчики) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART - протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.

Датчики Метран-100 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкости, пара, газа (в т.ч. газообразного кислорода и кислородосодержащих газовых смесей) в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HART - протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.

Датчики разности давлений могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значения уровня жидкости, расхода жидкости, пара или газа в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HART-протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.

Датчики предназначены для работы во взрывобезопасных и взрывоопасных условиях. Взрывозащищенные датчики с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» имеют обозначение Метран-100-Вн, взрывозащищенные с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» имеют обозначение Метран-100-Ех.

Датчики Метран-100-Вн, Метран-100-Ех предназначены для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно главе 7.3 ПУЭ, и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных условиях.

Датчики Метран-100-Вн имеют вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» и «специальный» с уровнем взрывозащиты «взрывобезопасный» с маркировкой по взрывозащите «1ЕхdsIIBT4/H₂X», соответствуют требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.1, ГОСТ 22782.3 и предназначены для применения во взрывоопасных зонах всех классов, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси газов и паров с воздухом категории ПА, ПВ групп Т1, Т2, ТЗ, Т4 и категории ПС группы Т1 по ГОСТ Р 51330.0 [ 3 ].

Датчик разности давлений Метран-100-ДД, модель 1495, с материалами, контактирующими с рабочей средой 36НХТЮ и 12Х18Н10Т, с микропроцессорным электронным преобразователем без индикатора, климатического исполнения ТЗ, с пределом допускаемой основной погрешности 0,1, с верхним пределом измерения 40 кПа, с предельно допускаемым рабочим избыточным давлением 16 МПа, с выходным сигналом 4-20 мА и линейной характеристикой, с вентильной системой, подсоединяемой к датчику сверху, с сальниковым вводом, с выносным индикаторным устройством [ 4 ].

Датчик избыточного давления Метран-100-ДИ модель 1161, поставляется для эксплуатации на объектах АС, с материалами, контактирующими с рабочей средой, титановый сплав и 12Х18Н10Т, с микропроцессорным электронным преобразователем с индикатором, климатического исполнения УХЛ 3.1, с пределом допускаемой основной погрешности 0,15, с верхним пределом измерений 16 МПа, с выходным сигналом 4-20 мА и линейной характеристикой, с ниппелем с накидной гайкой М20х1,5, со штепсельным разъемом 2РМ22Б4ШЗВ1, класс безопасности 2НУ [ 3 ].

3. Програмируемый логический контроллекр в систее автоматизации

3.1 Обоснование выбора контроллера

SCADA - система предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологическое оборудование в соответствии с принятыми критериями управления и обеспечения обслуживающего персонала станции оперативной и достоверной информацией.

Одно из самых распространенных и давно используемых решений для автоматизации различных технологических объектов - применение программируемых логических контроллеров (PLC). Изделия подобного класса выпускают несколько крупных компаний: Siemens, General Electric, Allen-Bradley (Rockwell Automation), PLC Direct by Koyo и другие.

Контроллеры SLC500 могут иметь фиксированную и модульную конструкцию. Модульный контроллер представляет собой шасси, блок питания, модуль процессора и набор модулей ввода- вывода для объекта, определяемый количеством входных и выходных сигналов. В состав модульных программируемых контроллеров серии SLC входит 12 модификаций процессоров, более 80 типов модулей ввода/ вывода, специальные модули, 4 типоразмера шасси для установки модулей (4,7,10,13 мест). Каждый модуль центрального процессора может поддерживать до 30 модулей ввода/вывода в системе и до 3 шасси.

Имеются 3 типа модулей ввода/вывода: входные, выходные и комбинированные, с числом каналов 4, 8, 16, 32. Модули могут быть аналоговые и дискретные. Аналоговые модули ввода работают с постоянными напряжениями 10 В и токами 20 мА, сопротивлениями и термопарами. Модули дискретного ввода работают с переменными и постоянными напряжениями, в т.ч. ТТЛ - уровня. Модули аналогового вывода имеют выходы постоянного тока 10 В и 20 мА. Модули дискретного вывода содержат в своем составе полупроводниковые выходы постоянного и переменного тока, а также релейные выходы. Набор специальных модулей включает в себя модули программирования на BASIC, коммуникационные модули и т.д.

Модульные контроллеры SLC 500 предлагают дополнительную гибкость конфигурирования системы, более мощные процессоры и большую емкость ввода/вывода. Опции процессоров включают:

1) SLC 5/01 - процессоры с емкостью памяти от 1К до 4К с фиксированным набором инструкций, максимальное количество локальных В/В 256 точек (каталожные номера 1747-L511 или 1747-L514);

2) SLC 5/02 - процессор с емкостью памяти 4К с расширенным набором инструкций, максимальное количество локальных В/В 480 точек (каталожный номер 1747-L524);

3) SLC 5/03 - процессор с емкостью памяти 12К слов и дополнительными 4К для данных с гибкими коммуникационными возможностями и производительностью в 5-10 раз больше, чем у SLC 5/02, содержит полный набор инструкций, максимальное количество локальных В/В 960 точек. Обеспечивается возможность коммуникаций через RS-232 или DH-485 (каталожный номер 1747-L532С);

4) SLC 5/04 - процессор с емкостью памяти 20К слов и дополнительными 4К для данных с быстродействием превышающим SLC 5/03, содержит полный набор инструкций, максимальное количество локальных В/В 960 точек. Возможность подключения к сети DH+ (каталожный номер 1747-L543) [13].

Процессоры SLC500 имеют мощную систему команд, насчитывающую 99 инструкций:

1) инструкции релейной логики (битовые);

2) инструкции таймеров и счетчиков;

3) инструкции обработки данных;

4) инструкции сравнения;

5) инструкции передачи управления;

6) инструкции обработки прерываний;

7) логические и математические функции;

8) ПИД-инструкция;

9) инструкции передачи данных по сети;

10) ASCII - функции.

Возможны различные способы адресации: прямая, косвенная, индексная, косвенно-индексная. Размер памяти процессоров для хранения программ и данных варьируется от 1 К до 12 К и может быть расширен до 64 К. Программирование возможно как с использованием ручных программаторов, так и с помощью ПК с программным обеспечением APS или RSLogix500.

Контроллеры SLC 500 обладают хорошими коммуникационными возможностями, в зависимости от типа контроллера они поддерживают сети RS232DF1, DH-485, DH+, Ethernet. Кроме того, использую специальные модули, контроллеры могут включаться в сети Remote I/O и Device Net.

Наработка на отказ контроллеров серии SLC составляет до 400 000 часов. Рабочая температура контроллеров: от 0 до +60 С, влажность: 5…95% (без конденсата). В данном диапазоне температур принудительного охлаждения не требуется.

Иерархически система управления разделяется на два уровня. Согласно проведенному анализу первый уровень управления реализован на базе технологического микропроцессорного управляющего контроллера модели SLC 5/04 фирмы Allen-Bradley, который отвечает требованиям по быстродействию и имеет полный набор команд (в том числе и ПИД-инструкции).[ 8 ]

Предлагаемый программируемый логический контроллер модели SLC 5/04 обеспечивает выполнение следующих функций:

1) постоянный контроль и отображение технологических параметров;

2) автоматическое и дистанционное управление насосными агрегатами и электроприводными задвижками;

3) осуществляет ПИД регулирование для поддержания оптимального режима технологического процесса;

4) осуществляет функции противоаварийной защиты и сигнализации.

Программирование контроллера выполнено на языке лестничной логики Ladder Logic. [ 9 ]

Второй уровень управления, реализованный на базе рабочей станции (ПЭВМ), выполняет следующие основные функции:

1) обеспечение непрерывного круглосуточного обмена информацией с контроллером по проводной связи;

2) выполнение обработки полученной информации, формирование предыстории и текущих событий;

3) формирование массивов информации по заданным параметрам для последующей визуализации в виде графиков (трендов);

4) отображение полученной информации в форме таблиц или на мнемосхемах;

5) формирование и печать отчетно-учетных документов.

3.2 Выбор проектной конфигурации контроллера

Программируемый логический контроллер (PLC) - это полупроводниковое устройство, разработанное для выполнения логических функций ранее реализуемых такими компонентами как реле, счетчики, галетные переключатели и т. д.

Для реализации данного проекта выберем модульный контроллер серии SLC-500 с процессором SLC 5/04 (1747-L542B.

Характеристики процессорного блока:

1) память программ - 12K Words;

2) дополнительная память данных до - 4K Words;

3) максимальное количество локальных точек В/В - 960 дискретных;

4) максимальное количество удаленных точек В/В - 4096 входных и 4096 выходных;

5) стандартное ОЗУ - литьевая батарея - 2 года;

6) дополнительное резервное ОЗУ - FLASH;

7) типовое время сканирования 0.9 мс/К;

8) время выполнения битовой инструкции (XIC) 0.44 мкс;

9) потребляемая мощность - 500 мА для 5 В, 175 мА для 24 В.

Процессоры серии SLC-500 работают с модулями серии 1746.

1746 - это платформа модульного оборудования В/В, разработанная для оснащения системы управления модулями ввода/вывода с минимальными требованиями к занимаемому пространству и стоимости. Модули предлагаются в различных модификациях как по количеству сигналов - 4,8, 16,32 точек, так и по качеству постоянного тока, переменного тока, ТТЛ.

Таблица 3.3 - Преимущества дискретных модулей

Особенности	Преимущества
Модули высокой плотности на 32 канала и комбинированные.	Снижает требования к размерам шасси и монтажному пространству.
Монтируемые кроссовые панели для 16 канальных модулей.	Обеспечивает легкую обвязку модулей и их замену.
Промышленная разработка.	Обеспечивает фильтрацию входного сигнала и оптическую изоляцию для повышения надежности в промышленных приложениях.

Таблица 3.4 - Преимущества аналоговых модулей В/В

Особенность	Преимущества
Высокая точность	16-битные входные и 14-битные выходные преобразователи обеспечивают возможность высокочастотного управления
Питание от шасси расширения	Не требуется внешнего источника питания, снижает стоимость системы
Особенность	Преимущества
Конфигурируемые пользователем выходы	Возможность конфигурирования каждого канала отдельно
Фильтры входных каналов	Устраняет влияние высокочастотных помех, сопровождающих аналоговый сигнал
Образ памяти модуля отображается прямо в поле памяти SLC	Сохраняет объем памяти и повышает быстродействие

Количество сигналов с учетом сигналов от исполнительных механизмов следующее: 41 аналоговых входов; 60 дискретных выходов; 88 дискретных входов. Для обработки сигналов, а так же для управления исполнительными механизмами выберем следующие модули: 3 аналоговых входных модуля на шестнадцать каналов (1746-NI16); 2 дискретных выходных модуля на 32 контакта (1746-OB32); 2 дискретный входной модуль на 32 контакта (1746-IB32), 1 дискретный входной модуль на 16 контактов (1746- IB16), 1 дискретный входной модуль на 8 контактов (1746- IB8) [10, 11, 13]

Источник питания.

Суммарная потребляемая мощность контроллера

0.345 А при 24 В 1.946 А при 5 В

Необходимым условием при выборе источника питания является то, что его мощность должна быть больше мощности, потребляемой всеми модулями и процессором.

Выбранный источник питания - 1746 - Р2.

Характеристики блока питания:

1) напряжение - 85-132/170-265 VАС, 47-63Гц.;

2) потребляемая мощность - 180 ВА;

3) допустимая нагрузка - 5А для 5В, 0.96А для 24В.;

4) диапазон напряжения дополнительного источника питания - 18-30 В DC;

5) выходной ток для 24 В DC - 200мА.;

6) Rack - 1746-A11 (шасси на 11 слотов).

3.3 Описание алгоритма работы контроллера

В начале первого цикла программы производится инициализация модулей ввода/вывода. Затем происходит переход в подпрограмму опроса датчиков. После чего контроллер опрашивает, нажата ли кнопка пуска или остановки и если нажата, производится запуск или остановка установки, с помощью соответствующих подпрограмм. Если ни одна из этих кнопок не нажата, то вызывается подпрограмма управления, причем она вызывается не чаще чем один раз в секунду. Затем подпрограмма управления исполнительными механизмами приводит в движение клапаны и заслонки, если это необходимо. Последующие циклы основной программы проходят по тому же алгоритму, за исключением инициализации модулей.

В рамках данной работы разработаны подпрограммы инициализации системы, опроса аналоговых датчиков, опроса дискретных датчиков; пуск, остановка; а также устранение аварийных ситуаций. Блок-схемы алгоритма работы подпрограммы приведены в приложении В.

В подпрограмме опроса датчиков циклически опрашиваются аналоговые входы. В начале идет считывание показаний датчика. Затем определяется достоверность показаний, и если показания достоверны, то они переводятся в технические единицы и записываются в память в противном случае выставляется соответствующий бит ошибки. После того как контроллер опросит все датчики, произойдет переход в основную программу.

В случае совершении какой-либо аварии, вызывается подпрограмма остановки. В начале подпрограммы определяется, работает ли установка, и если она уже остановлена, то происходит выход из подпрограммы, не внося за собой ни каких изменений. Если же остановка в работе, то контроллер поочередно перекрывает соответствующие клапана, выключает двигателя. Если останов прошел благополучно, контроллер сбрасывает бит установка в работе, в противном случае выставляет бит аварии.

Подпрограмма управления клапанами и заслонками работает по следующему алгоритму. В начале определяется клапан в работе или нет. Если в работе, то контроллер проверяет, клапан отработал задание или нет, если отработал, то отключается механизм клапана, если нет то, выход из подпрограммы. Если клапан не в работе, то если ПИД-инструкция сработала подаются сигнал на открытие или закрытие, если нет то, контроллер выходит из подпрограммы [ 9 ].

3.4 Операторский интерфейс

В данной работе, в качестве программного пакета операторского интерфейса для представления оператору данных о состоянии технологического процесса в виде мнемосхем, численных значений, диаграмм, временных графиков и аварийных сигнализации выбрана система RSView32 v6.3.

Система RSView32 v6.3 отвечает требованиям общепромышленных MMI.

RSView32 является контроллер-ориентированной системой. Она хоть и содержит встроенный язык программирования, в ней отсутствует встроенный алгоритм управления. Она пользуется алгоритмами, которые имеются в контроллере, пользуется данными контроллера и заносит туда данные.

Разработанный операционный интерфейс выполняет следующие функции:

1) круглосуточный обмен информации с контроллером;

2) вывод на экран мнемосхем общего вида и отдельных участков с индикацией на них значений технологических параметров;

3) вывод экранов аварийной сигнализации;

4) дистанционное управление оборудования;

5) отображение трендов случайного времени и предысторий событий;

6) формирование и печать отчетно-учетных документов.

RSView32 v6.3. состоит из двух пакетов:

1) RSView32 Works (программное обеспечение разработчика системы управления);

2) RSView32 RunTime (программный модуль монитора реального времени).

RSView32 RunTime обеспечивает функционирование системы управления, созданной в RSView 32Works в многозадачной системе Windows NT, 2000, XP.

Для создания системы управления необходим дополнительный пакет RSLinx, который обеспечивает связь с контроллерами, а так же с другими приложениями среды Windows.

Интерфейс позволяет оператору в режиме реального времени контролировать протекание процесса и управлять, при необходимости, технологическим оборудованием [12].

Разработанный интерфейс оператора имеет разноуровневую иерархическую структуру экранов, доставляющих до пользователя информацию о состоянии технологического процесса.

На главном экране «Схема ВКС» схематично изображен весь комплекс технологических узлов и аппаратов цеха, показаны связи между ними с направлениями технологических потоков. Установив курсор на интересующий пользователя объект и нажав левую кнопку мыши, можно перейти к экрану с подробным изображением данного узла или аппарата. Помимо основных аппаратов и агрегатов на мнемосхемах имеются изображения аварийных событий на схеме «Аварии» и показаны значения параметров технологического процесса на данный момент и за период времени.

Для информирования оператора о состоянии технологического процесса на всех мнемосхемах отображены физические значения технологических параметров. Значения параметров выводятся в специальных окнах, где помимо чисел также изображены единицы измерения параметра.

На всех экранах НMI имеются общие элементы: индикатор связи с контроллером (окрашивается в красный цвет при нарушении связи), изображение текущих даты и времени и строка событий, в которой отображается последнее самое серьезное событие. Цвет строки зависит от уровня серьезности отображаемого события, так для событий наивысшего 1-го уровня фон текста будет мигать красным цветом. При подтверждении оператором информация о событии исчезает из строки сообщения.

Все операции, выполняемые на экранах при помощи мыши, дублируются соответствующими клавишами на клавиатуре. Экраны непосредственно представлены в приложении Е.

4. Расчёт системы автоматического регулирования

4.1 Исходные данные для расчёта

В данном дипломном проекте предлагается рассчитать оптимальные параметры настройки ПИ регулятора для системы регулирования давления входного трубопровода сепаратора, при ступенчатом изменении положения регулирующего органа.

Одним из распространенных методов идентификации является определение передаточной функции объекта по его переходной характеристике, представляющей реакцию системы на ступенчатое входное воздействие [16].

- передаточная функция объекта,

где Y(S) - изображение по Лапласу выходной переменной объекта, X(S) - изображение по Лапласу входной переменной.

Для нахождения передаточной функции объекта используем графики (рис.3.1) переходных характеристик, давления во входном трубопроводе сепаратора при ступенчатом изменении положения регулирующего органа.

Передаточная функция объекта будет иметь следующий вид:

(4.1)

где: К_об - коэффициент усиления объекта регулирования;

Т_об - постоянная времени объекта;

_об - время запаздывания объекта.



Рисунок 4.1 - Графики переходных характеристик.

Выше приведенные параметры являются динамическими параметрами объекта регулирования и определяются графически по виду переходной характеристики (рис.4.1).

Постоянная времени объекта Т_об представляет собой временной отрезок от точки пересечения касательной, проведенной к переходной характеристике с линией установившегося значения параметра. Из графика видно, что Т_об = 4 с. , а _об = 2 с.

Для статического объекта коэффициент усиления может быть непосредственно найден из графика переходной функции:

 (4.2)

где: - относительное изменение выходной величины;

- относительное изменение входной величины.

Эти параметры рассчитываются по следующим формулам:

(4.3)

.(4.4)

где: Y_уст - установившееся значение уровня раздела фаз;

Y_ном - номинальное значение уровня раздела фаз;

Н_max - максимальное значение положения регулирующего органа;

Н_о - номинальное значение положения регулирующего органа.

Следовательно:

Передаточная функция объекта с учетом запаздывания будет иметь следующий вид:

(4.5)

По заданию необходимо рассчитать оптимальные параметры настройки ПИ регулятора, такие, чтобы перерегулирование не превышало 25%.

4.2 Расчет настроек ПИ-регулятора

Для расчета настроек регулятора были заданы показатели качества. Прямой показатель качества - перерегулирование составляет у=25%.

По заданному перерегулированию с помощью номограмм Солодовникова определяем частотный показатель колебательности М=1.1. Далее строится запретная зона, которая будет представлять собой окружность со следующими параметрами:

уравнение окружности с центром и радиусом .

Рисунок 4.3. - График АФЧХ и запретной зоны

Положение АФЧХ разомкнутой системы относительно запретной зоны зависит от выбранного коэффициента усиления регулятора и постоянных времени. Критические значения этих параметров будут определяться точкой касания [17].

Алгоритм расчёта настроек регулятора при заданной передаточной функции объекта:

1. Выбор типа регулятора

2. Построение передаточной функции разомкнутой системы.

3. По заданному М рассчитывается радиус и центр запретной зоны, которая строится на комплексной плоскости.

4. Выбирается интервал изменения постоянной интегрирования Т_и [Т_х-0.5Т_х; Т_х+0.5Т_х], где Т_х - это наибольшая постоянная времени объекта.

5. Выбирается произвольное значение к_р и Т_и построить АФЧХ разомкнутой системы.

6. Если АФЧХ разомкнутой системы пересекла круг, то к_р нужно уменьшить до тех пор, пока АФЧХ не займёт положение касательной к запретной зоне.

7. Полученные значения к_р и Т_и записываются в таблицу.