Модернизация АСУ ректификационной колонны

Теплообменники. Теплообменники или теплообменные аппараты классифицируются по характеру теплообменивающихся сред: между двумя жидкими средами, между паром и жидкостью, между двумя газовыми средами.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся аппараты непосредственного смешения, где охлаждение (нагрев) продукта происходит за счет прямого контакта с охлаждающей (нагревающей) средой. Такие аппараты на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах практически не применяются. Также теплообменные аппараты бывают поверхностного типа, в которых теплообменивающиеся среды разделены стенкой. Аппараты этого типа, используемые в нефтеперерабатывающей промышленности, по способу компоновки в них теплообменной поверхности делятся на следующие виды:

погружные;

типа труба в трубе;

кожухотрубчатые;

пластинчатые;

аппараты воздушного охлаждения.

В настоящее время погружные теплообменники серийно не выпускаются, так как они занимают много места и характеризуются низким коэффициентом теплопередачи [2].

Теплообменники типа труба в трубу легко разбираются и применяются при любой разности температур.

Кожухотрубчатые теплообменники классифицируются по конструктивным особенностям на аппараты типа Н - аппараты с неподвижными трубными решетками, а теплообменники типа К - аппараты с термокомпенсатором на кожухе. Теплообменные аппараты с плавающей головкой в зависимости от их назначения подразделяются на:

конденсаторы (ГОСТ 14247-79);

холодильники (ГОСТ 14244-79);

собственно теплообменники (ГОСТ 14246-79).

Конденсаторы и холодильники применяются при температуре конденсирующей среды до 400 ⁰С и температуре охлаждающей воды до 60 ⁰С. Теплообменники допускается использовать в пределах рабочих температур от -30 ⁰С до +450 ⁰С.

Последний вид теплообменников - это теплообменники воздушного охлаждения, где горячая жидкость проходит по трубам, имеющим наружное поперечное оребрение. Охлаждение трубы происходит благодаря обдуву воздухом, который нагнетается осевым вентилятором. Аппараты воздушного охлаждения (АВО) в зависимости от компоновки поверхности делятся на горизонтальные и зигзагообразные, а также выпускаются малопоточные АВО и АВО для высоковязких сред.

Насосы. На установке КТ-1 и общезаводском хозяйстве ПНХЗ применяются лопастные (центробежные, осевые), вихревые и объемные (поршневые, плунжерные, шестеренчатые, винтовые, пластинчатые) насосы. Центробежные насосы обеспечивают равномерную подачу продукта, занимают меньше места, чем поршневые, имеют более доступную конструкцию. На ПНХЗ используются центробежные нефтяные консольные насосы типа НК, выпускаемые по ТУ 26-02-766-77.

Номинальная производительность этих насосов составляет 35-560 м³/час, дифференциальный напор колеблется от 26 до 240 метров ст. жидкости.

Для уплотнения вала насосов НК применяются одинарные и двойные торцевые, а также сальниковые уплотнения.

С точки зрения безопасной эксплуатации пожаро- и взрывоопасных производств бессальниковые герметичные центробежные электронасосы ХГ, которые представляют собой агрегаты, состоящие из собственно насоса и специального встроенного асинхронного двигателя.

Отсутствие сальника обеспечивает полную герметичность агрегата. Эти насомсы выпускаются в соответствии с ГОСТ 20791-75.

Емкости. Емкостные аппараты используются на заводе ПНХЗ для хранения воздуха, газа и жидкостей на технологических установках. В настоящее время на заводе применяются емкости, выпускаемые по ГОСТу 26-02-1496-76. Этим ГОСТом установлены три типа сосудов и аппаратов:

горизонтальные для жидкости (42ч0м³);

вертикальные для воздуха и газов (1ч25м³);

вертикальные для жидких сред (1ч100м³).

Ниже приведены краткие характеристики технологического оборудования, используемого в данном технологическом процессе

№№ п/п	Наименование оборудования (тип, назначение, номер чертежа)	Номер позиции по схеме индекс	К-во	Материал	Техническая характеристика
1.	Реактор г. Дзержинск Россия	Р-201	1	Корпус 16ГС; в оборудование 08Х13. Решетка панцирная, патрубки штуцеров, сталь углеродистая Внутренняя поверхность футеруется жаростойким торкрет - бетоном	Д-8000 мм/4500 мм/ 1600 мм Н-55200 мм, Ррас.-4 кгс/см2 08Х13 t: зона транспорта 700-540°С. Реакционная зона - 545°С
2.	Регенератор г. Дзержинск Россия	Р-202	1	Корпус 16ГС; внутреннее оборудование 08Х18Н10Т Решетка панцирная 08Х13, патрубки штуцеров сталь углеродистая. Внутренняя поверхность футеруется жаростойким торкерт-бетоном	Д-11000/9000 мм Н-27200 Ррас. - 3,5 кгс/см2 Трас. - до 700°С
3.	Топка под давлением г. Черновцы Украина	П-201	1	Сталь углеродистая	Д-2600 мм, L-9077 мм В камере сгорания Ррас.-7 кгс/см2 Трас. - до 1300°С В камере смешения Ррас.-7 кгс/см2 Трас. - до 550°С
4.	Выносные циклоны для улавливания катализаторной пыли Е-201/1-4 г. Дзержинск	Е-201/1-4	4	Корпус, днища-09Г2С	Д-4000/2800 мм Н-16700 мм Ррас. - 3,4 кг/см2 Трас. - 700°C
5.	Бункер уловленного катализатора г. Дзержинск	Б-203	1	Корпус, днища-09Г2С	Д-3800/2400 мм Н-16870 мм Ррас. - 3,4 кг/см2 Трас. - 700°С
6.	Аппарат для снижения давления газов регенерации	Д-201	1	Корпус-сталь 12Х18Н10Т Внутренние несущие элементы из стали 12Х18Н10Т, внутреннее оборудование из стали 08Х13 и чугуна марки ЖЧХ - 2,5. Внутренняя поверхность футеруется жаростойким торкретбетоном	Д-2800 мм, Н-34400 мм Ррас. - 3,5 кгс/см2 Трас. - до 700°С
7.	Аварийный бункер катализатора г. Дзержинск	Б-201	1	Сталь углеродистая	Д-9000 мм, Н-33524 мм Ррас. - 2 кгс/см2 Трас. - до 450°С
8.	Бункер для свежего катализатора г. Салават	Б-202	1	Сталь углеродистая	Д-3400 мм, Н-17271 мм Ррас. - 2 кгс/см2 Трас. - до 450°С
9.	Бункер промежуточной выгрузки катализатора	Б-204	1	Углеродистая сталь Ст3сп5	Д-1000 мм, Н-3500 мм Ррас. - 8 кгс/см2 Трас. - до 300°С
10.	Дозировочный бункер свежего катализатора г. Павлоград Украина	Б-205	1	Сталь углеродистая	V-3,2м3 Ррас. - 3,8 кгс/см2 Трас. - до 50°С
11.	Эжектор	ЭЖ-202	2	Углеродистая сталь	ПС 640ммх160 мм 10-20

1.3 Технологические требования по производительности, ресурсам, регламентам и аварийным ситуациям

Для стабильной работы и предотвращения аварийных ситуаций, выполнения требований по производительности, регламенту комбинированной установки КТ-1 ПНХЗ необходимо соблюдать следующие требования:

а) поддержание кратности циркуляции катализатора согласно регламенту;

б) возрастание перепада давления между Р-202 и Р-201 не должно превышать более 0,15 кг/см²;

в) поддержание t°С в Р-202 не выше 700°С;

г) режимные параметры технологических параметров отдельных аппаратов должны соответствовать зоне допустимых значений (зона определяется характеристиками аппаратов и свойствами перерабатываемого сырья).

Также для стабильной работы необходимо соблюдать нормы технологического режима.

№ п/п	Наименование стадий процесса, аппаратов, показателей режима	№ поз. приборы по схеме	Ед. изм.	Допустимые пределы параметра	Класс точности прибора	Примечание
1.	Реактор Р-201	2-220	м3/ч % от общ загр. сырья	100-360	2,5	регулир.
	Расход сырья - в узел смешения			70-100		регистр. блокир. сигнализ.
	- в форсунки 1-5 на отм. 8,1 м	2-220-1	м3/ч % от общ загр. сырья	30-100 0-30	2,5	регистр. регулир. сигнализ.
	- расход тяжелого газойля с УЗК или фр. 450-500	6-201-1	м3/ч % от загр. сырья	10-40 н.б. 20	2,5	регулир. регистр. блокировка со щита оператора сигнализ.
	- расход бензина вторичного происхождения	2-38	м3/ч % от загр. сырья	10-40 н.б. 15	2,5	регулир. регистр. блокировка со щита оператора сигнализ.
	- расход шлама	2-161	м3/ч	10-55	2,5	региср. блокировка сигнализ.
	Температура
	- сырье на выходе в Р-201	2-109	С	280-355	1,0	региср.
	- давление в линии сырья Р-201	2-220	Кг/см2	2-8	1,5	регистр.
	- давление пара на реакторный блок	2-132	Кг/ч	3-4	2,5	регулир. показан. сигнализ.
	- расход водяного пара - на распыл сырья	2-158	Кг/ч	1500-3000	2,5	регулир. показан. сигнализ.
	- на распыл тяжелых газойлей, шлама	2-156	Кг/ч	800-200	2,5	регулир. показан. сигнализ.
	- на распыл вторичных бензинов	2-156-1	Кг/ч	500-1200	2,5	регулир. показан.
	- в зону десорбции Р-201	2-157 2-159	Кг/ч Кг/ч	2000-6000	2,5	регулир. показан. сигнализ.
	- аварийного в Р-201	2-155	Кг/ч	1500-1700	2,5	регулир. сигнализ. показан.
	- на продувку в компенсаторы транспортных линий катализатора	2-171 2-172	Кг/ч Кг/ч	500-1000 500-1000	2,5	показан. регистр.
	- на парораспределитель, вокруг сборной камеры Р-201	2-173	Кг/ч	500-1000	2,5	показан. регистр.
	Температура по зонам Р-201
	- низа лифт-реактора	2-113-12	С	530-570	1,0	регистр.
	- середины лифт-реактора	2-113-11	С	530-560	1.0	регистр.
	- реакционной смеси на выходе из сепарационного устройства	2-112-7 2-104-1	С С	500-530	1,0	регулир. регистр. сигнализ.
	- отстойной зоны	2-112-3-5	С	500-530	1,0	регистр.
	- зоны десорбции	2-113-1-4 2-113-5-8	С С	495-530	1,0	регистр.
	Давление
	- в отстойной зоне Р-201	2-130	кгс/см2	1,1-1,55	1,5	регистр.
	Концентрация катализатора
	- в лифт-реакторе	2-140-2	кг\м3	до 80	2,5	регистр.
	- в зоне десорбции	2-196	кг/м3	350-800	2,5	регистр.
	Перепад давления
	- по высоте лифт-реактора с сепарирующим устройством	2-140-1	кгс/см2	700-1500	2,5	регистр.
	- по сепарирующему устройству	2-139-1	кгс/см2	500-1000	2,5	регистр.
	Уровень кипящего слоя	2-181-1 2-180-1	%шк. %шк.	35-60 н.б. 85	2,5 2,5	регулир. регистр. сигнализ.
	Перепад давления на запорно-регулирующих клапанах транспортных линий	2-104-2 2-181-2	кгс/см2	0,25-0,65	2.5	регистр. регулир. сигнализ. блокир.
	Перепад давления между реактором и регенератором	2-121	кгс/см2	20,70-0,15	2,5	регистр. регулир. сигнализ.
2.	Регенератор Р-202
	Расход воздуха на регенерацию по линии 213/1	2-103-3	нм3/ч	70000-10000	2,5	регистр регулир. блокир. сигнализ.
	- по линии 213/3	2-102-2	нм3/ч	10000-40000	2,5	регистр регулир. блокир. сигнализ.
	Температура по зонам регенератора
	- в сборной камере зоны циклонов	2-114-1-4	С	н.б. 700	1,0	регистр. сигнализ.
	-верха отстойной зоны	2-114-5-7	С	660-700	1,0	регистр. сигнализ
	- в кипящем слое	2-115-8-9 2-116-5-8 2-116-9-12	С	640-690	1,0	регистр. сигнализ.
	Разность температур между отстойной зоной и кипящим слоем (по разнице показаний поз. 2-103-1 и 2-103-3)	2-103	С	н.б. 60	1,0	регистр. регулир. сигнализ.
	Давление в отстойной зоне	2-131	кгс/см2	1,2-1,7	1,5	регистр. регулир. сигнализ.
	Уровень кипящего слоя	2-186	%шк, м	40-60	1,5	регистр.
	Концентрация катализатора в кипящем слое	2-185	кг/м3	300-650	1,5	регистр.

1.4 Постановка и декомпозиция задачи управления процессом регенерации катализатора

Процесс регенерации инерционный и сложный. Целью управления процессом регенерации является получение на выходе регенератора продукта с заданным качеством. Для этого необходимо поддерживать соответствующий гидродинамический и температурный режим в регенераторе. Одновременно с поддержанием этих режимов необходимо учитывать внешние факторы, влияющие на работу регенератора, и следовательно на качество выходного продукта.

При автоматизации данного технологического процесса преследуется несколько целей:

обеспечение оператора-технолога необходимой информацией об объекте управления и процессах, протекающих там;

осведомление и обеспечение оператора-технолога управления в области оптимального режима, а если параметры выходят из заданного диапазона, то информировать оператора-технолога сигнализацией (световой, звуковой);

Управляемыми параметрами процесса регенерации являются:

- У1 - состояние катализатора (содержание кокса на нем) на выходе Р-202;

- У2 - давление паров в верхней части регенератора Р-202;

- У3 - разность температур между плотным слоем катализатора в кипящем слое и отстойной зоной регенератора;

- У4 - уровень кипящего слоя в верхней части регенератора;

- У5 - уровень кипящего слоя в нижней части регенератора;

- У6 - содержание свободного кислорода в дымовых газах, после регенератора.

К управляющим воздействиям можно отнести:

- И1 - расход воздуха, подаваемого в регенератор Р-202;

- И2 - расход жидкого топлива к форсункам регенератора.

Управляющее воздействия - параметры объекта управления, при изменении значения которых можно добиться однозначного изменения режима работы объекта в нужном диапазоне.

Возмущающие факторы, которые могут повлиять на режим работы объекта управления, следующие:

- Z1 - качество исходного сырья (закоксованного катализатора);

- Z2 - изменение метеоусловий (интенсивность теплообмена с атмосферой);

- Z3 - степень износа оборудования;

- Z4 - влияние человеческого фактора.

Основная задача автоматического управления процессом регенерации - это поддержание оператором-технологом заданного температурного и гидродинамического режима работы регенератора. Эта задача может быть разбита на несколько подзадач автоматического регулирования, т.е. проводится структуризация задачи управления.

Локальными функциями управления являются:

а) стабилизация расхода жидкого топлива к форсункам регенератора происходит по ПИ - закону регулирования при изменении положения клапана на соответствующем трубопроводе;

б) стабилизация расхода воздуха, подаваемого в регенератор, происходит по ПИ - закону регулирования при изменении положения клапана на соответствующем трубопроводе;

в) стабилизация расхода свежего катализатора. Стабилизация происходит по ПИ - закону регулирования при изменении положений клапана на соответствующем трубопроводе;

г) регулирование уровня кипящего слоя в регенераторе. Регулирование происходит по ПИ - закону путем выдачи задающего воздействия регулятору, стабилизирующему расход свежего катализатора;

д) стабилизация выгрузки равновесного катализатора. Стабилизация осуществляется по ПИ - закону регулирования при изменении положения клапанов на соответствующем трубопроводе;

е) регулирование содержания свободного кислорода в дымовых газах. Регулирование происходит по ПИ - закону регулирования при изменении положения клапанов на соответствующем трубопроводе;

ж) регулирование температур между плотным слоем катализатора в кипящем слое и отстойной зоной регенератора. Регулирование происходит по ПИ - закону путем выдачи задающего воздействия регулятору, стабилизирующему расход воздуха.

1.5 Описание подзадач управления

После проведения декомпозиции общей задачи управления регенератором секции каталитического крекинга и ректификации С-200 следует выделить следующие подзадачи управления:

а) стабилизация разности температур между отстойной зоной и кипящим слоем регенератора Р-202 не должна превышать 60⁰С. При этом температура верха отстойной зоны должна быть не выше 700⁰С, а температура кипящего слоя - не выше 690⁰С (необходимо поддерживать именно в таком пределе во избежание термического разложения гидроочищенного сырья каталитического крекинга). Температура, как показатель термодинамического состояния системы, используется как выходная координата при регулировании процесса регенерации. Основной особенностью автоматической системы регулирования температуры является значительная инерционность тепловых процессов;

б) стабилизация расхода свежего и выгрузки равновесного катализатора. Так как процесс регенерации является непрерывным, следовательно, существует необходимость в регулировании расхода. Основными особенностями автоматической системы регулирования расхода является малая инерционность и наличие высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, которые могут быть вызваны пульсациями давления в трубопроводе как следствие работы насосов или других причин. В системе урегулирования расхода используется дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе, которым является клапан;

в) контроль давления верхней части регенератора Р-202. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе регенератора и выходе из него. Постоянное давление свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе;

г) контроль и регулирование уровня кипящего слоя в регенераторе. Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в регенераторе. При постоянном уровне можно говорить о соблюдении материального баланса, т.е., когда приток катализатора равен стоку, а скорость изменения уровня равна нулю. Приток и сток катализатора учитывают фазовые превращения вещества. Так как процесс регенерации сопровождается фазовыми превращениями вещества, то уровень является не только характеристикой гидравлических процессов, но и тепловых. В регенераторе осуществляется непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня в заданном диапазоне [1].

2. Выбор принципиальных технических решений

2.1 Анализ существующего уровня автоматизации

Автоматический контроль и управление технологическими процессами осуществляется централизованно из операторной, с помощью автоматизированной системы управления, созданной на базе пневматического комплекса «Режим» и вычислительного комплекса СМ-2.

Для С-200 в операторной создана своя зона обслуживания (рабочее место оператора).

Рабочее место оборудовано пятью стойками «Режим» и дисплейным модулем.

На стойке «Режим» расположены:

- мнемосхема процесса, с встроенными в нее лампами технологической сигнализации, задатчиками дистанционного и автоматического управления, переключателями дистанционного и автоматического управления;

- многошкальный показывающий прибор по выводу текущего значения параметра;

- пять двухзаписных приборов для постоянной регистрации десяти технологических параметров;

- один двухзаписный прибор для регистрации по вызову любых 12 подключенных к данной стойке технологических параметров;

- табло аварийной сигнализации.

Над щитом расположена мнемосхема процесса со встроенными в нее лампами аварийной сигнализации.

Дисплейный модуль предназначен для связи оператора с вычислительным комплексом. По вызову оператора на дисплей выводится таблица текущих значений параметров по любому из технологических процессов секции.

Вычислительный комплекс осуществляет автоматический сбор, обработку и выдачу информации о ходе технологических процессов. Автоматический опрос датчиков осуществляется с периодичностью один раз в 2, 3 минуты. Информация о мгновенных значениях параметров хранится в памяти машины 48 часов и может выводиться на автоматическую печать по вызову обслуживающего персонала.

Усредненные за час значения технологических параметров представляются в виде режимного листа оператора, который автоматически печатается один раз в смену.

Вычислительный комплекс выполняет также расчет технико-экономических показателей работ установки. Результаты расчета выдаются в виде сменного и суточного рапортов.

С помощью технических средств Режим-1М достигается две цели:

использование в пневматике агрегатного принципа построения систем;

централизованный контроль и управление.

Централизованное управление позволяет:

управлять с одного пульта N-однотипными агрегатами либо цепочкой, взаимосвязанных по технологии агрегатов непрерывного действия;

обеспечить связь с ЭВМ;

осуществлять автоматический переход с режима на режим, обходясь минимальным количеством аппаратуры.

КТС Режим-1М может выполнять следующие функции:

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

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

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

г) непрерывная регистрация значений важнейших технологических параметров;

д) сигнализация и контроль на общей мнемосхеме N однотипных объектов;

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

ж) сигнализация об отклонениях параметров для любого из N агрегатов;

з) централизованное управление задатчиками номиналов и задатчиками ручного дистанционного управления исполнительными механизмами.

Агрегатный комплекс КТС Режим-1М содержит два типа стоек:

операционные аналоговые стойки. В них располагаются приборы контроля регистрации, мнемосхема и органы управления. Операторскую зону контроля и управления образуют операторские аналоговые стойки, панели щита, в которых размещены электрические приборы контроля и регистрации температур, а также устройства защиты;

функциональные аналоговые стойки. В них осуществляется обработка параметров, результаты которых передаются на операторские аналоговые стойки. Часть результатов обработки поступают постоянно, а часть периодически. Функциональные аналоговые стойки установлены в магнитном зале.

На объекте установлены датчики и первичные преобразователи с выходом в форме стандартного пневматического сигнала. Эти датчики морально устарели, также для них характерна существенная инерционность.

Большая собственная инерционность системы управления недопустима и пагубно влияет на качество регулирования технологических параметров.

С учетом выше перечисленного и инерционностью технологического процесса регенерации складывается такое положение, когда внешне возмущающие факторы успевают изменить гидродинамический режим за время, пока система регулирования вырабатывает управляющие воздействие.

Собственная инерционность системы управления складывается из нескольких составляющих:

инерционность датчиков и преобразователей;

инерционность пневматических регуляторов, вырабатывающих управляющие сигналы для исполняющих устройств;

инерционность линии передачи пневматических информационных сигналов от регуляторов к исполнительным механизмам;

инерционность линии передачи пневматических информационных сигналов от первичных преобразователей к показывающим приборам и регуляторам, расположенным в помещении операторской;

самым минимальным быстродействием в существующей системе автоматизации обладают пневматические линии связи, в связи с тем, что их протяженность составляет от 100 до 150 метров.

Недостатками КТС Режим-1М является большая собственная инерционность, а также сложность устроения больших вычислительных устройств. Регистрация показателей приборов осуществляется недостаточно хорошо. Также составляет трудность сортировки и поиска информации, так как это занимает много времени.

В качестве средств полевой автоматики используются следующие приборы, регуляторы, преобразователи:

а) преобразователь термоэлектрический ТХА 9312 предназначен для измерения температуры жидких, газообразных, химически не агрессивных, агрессивных, не разрушающих защитную арматуру, сред газа, раствора установок получения серы, доочистки газа от H₂S и твердых тел в различных отраслях промышленности одноканальным (или двуканальным) неремонтируемым изделием с изолированным (или не изолированным) рабочем спаем.

Основные технические характеристики:

- Рабочий диапазон измеряемых температур от - 40 до + 1000 ⁰С;

- Длина монтажной части 250 мм;

- Исполнение рабочего спая - изолированный;

- Количество чувствительных элементов - 2;

- Масса термопреобразователя не более 32 кг;

- Предельная скорость потока измеряемой среды:

пар - 15 м/с

вода - 0,5 м/с;

б) сигнал с термопар поступает на измерительный преобразователь Ш711. Он предназначен для преобразования сигналов термопар, термоэлектрических преобразователей, термопреобразователей сопротивления, реохордов соответственно в унифицированный сигнал постоянного тока (0-5мА, 0-20мА, 4-20мА). Искробезопасность цепи датчика обеспечивается при работе преобразователя в комплексе с электропневматическими преобразователями ЭПП-12 и другими активными нагрузками, не имеющими собственного питания.

Некоторые технические характеристики Ш711:

максимальное количество каналов преобразования - 60. Максимальное количество подключаемых термопар - 54, остальных типов первичных преобразователей - 60;

выходной сигнал Ш711 (0-5мА, 0-20мА, 4-20мА) постоянного тока пропорционален изменению температуры;

количество аналоговых выходов - 16;

общее количество выходов сигнализации (Ш711 обеспечивает сравнение результата преобразования с уставкой и сигнализацию отклонения в виде замыкания бесконтактного ключа) - 80;

количество уставок, адресуемых одному входному сигналу - до 4;

максимальные токи и напряжения, коммутируемые ключами - 50мА и 30В соответственно;

максимальная скорость опроса каналов Ш711 - 20 каналов в секунду;

источник питания преобразователей - сеть переменного тока с напряжением 220В и частотой 50Гц;

употребляемая мощность не превышает 15Вт;

основная погрешность не более 1%;

средний срок службы Ш711 - 8 лет;

в) прибор контроля пневматический многоканальный ППМ-20П обслуживает все контуры контроля на установке. Этот прибор предназначен для контроля по вызову сигналов «переменная» и «задания», измеряемых в абсолютных единицах, и сигналов ДУ и ИМ - в кгс/см³, где ДУ - выходной сигнал задатчиков, а сигнал ИМ - выходной сигнал регуляторов [3].

При передаче на прибор сигнала вызова в его смотровом окне появляется шкала, соответствующая вызванной на контроль переменной. В приборе контроля ППМ-20П может быть установлено до 20 шкал с различными единицами измерения. Входные аналоговые сигналы должны быть стандартного диапазона (20100 кПа), а сигналы вызова шкал (110140 кПа).

г) унифицированный сигнал постоянного тока (05 мА) с преобразователя Ш711 поступает на электропневматический преобразователь ЭПП-12. Этот прибор предназначен для преобразования унифицированного непрерывного сигнала постоянного тока в унифицированный пропорциональный непрерывный пневматический сигнал (в данном случае - сигнал давления воздуха (0,21 кгс/см²)). ЭПП-12 применяется для связи электрических аналоговых приборов и систем регулирования с пневматическими приборами и системами [3];

д) после электропневматического преобразователя ЭПП-12 пневмосигнал поступает на прибор, контролирующий и регистрирующий ПКР-2 двухшкальный, пневмосигнал на выходе которого составляет (0,21 кгс/см²);

Прибор контроля пневматический регистрирующий ПКР-2:

количество входов: 2;

электропитание прибора: ~220 В;

пневмопитание прибора: 140 кПА;

количество переменных, которое можно подключить к каждому входу: до 5;

е) для измерения расхода установлены дифманометры типа 13ДД11.

Дифманометр представляет собой преобразователь, основанный на принципе силовой компенсации и состоящий из двух блоков: мембранного измерительного блока с жидкостным заполнением и однорычажного преобразователя. Разность давлений, подаваемых к камерам «+» и «-» измерительного блока, преобразуется в измеряемое усилие на 2-х мембранном чувствительном элементе, шарнирно связанным с рычагом вывода.

Под действием измеряемого усилия рычаг вывода поворачивается на небольшой угол вокруг опоры, образованной двумя тягами и упругой мембраной вывода, и перемещает заслонку индикатора рассогласования относительно сопла, питаемого сжатым воздухом. Возникший в линии сопла сигнал управляет давлением, поступающим с пневмореле в сильфон обратной связи и в линию выхода. Пружина корректора нуля служит для компенсации усилия, развиваемого сильфоном обратной связи при отсутствии перепада давления, а также для установки выходного сигнала 0,2 кгс/см при отсутствии перепада давления.

Преобразователь измерителей разности давлений пневматический 13ДД11:

входной сигнал: от 0 до номинального значения;

входной сигнал: (0,21 кгс/см²);

давление воздуха питания по ГОСТ 13053-76: РПИТ.=(1,40,14 кгс/см²);

расход воздуха питания в установившемся режиме: 8 л/мин.;

условия работы:

1) температура: -50⁰С…+50⁰С без конденсации влаги;

2) вибрация (580 Гц);

3) ускорение: до 10 м/сек.;

4) дождь: до 5 мм/мин.;

класс точности преобразования: 1,0;

средний срок службы: 8 лет;

ж) для измерения давления установлен пневматический преобразователь избыточного давления МС-П1. Каждый преобразователь состоит из пневмосилового преобразователя и измерительного блока. Принцип действия преобразователя основан на пневмосиловой компенсации измеряемого давления или разряжения, которое преобразуется на чувствительном элементе измерительного блока в пропорциональном усилии, которое автоматически уравновешивается усилием, развиваемым давлением сжатого воздуха в сифоне обратной связи. Это давление является выходным сигналом преобразователя:

верхний предел измерений: 106 кгс/см²;

предел допускаемой основной погрешности: 0,5 или 1%;

з) для измерения уровня используется дифманометр ДСП-3. Дифманометр сильфонный пневматический предназначен для измерения перепада давлений:

пневматический выходной сигнал: (0,21) кгс/ см²;

давление воздуха питания: Р_пит.=(1,40,14) кгс/ см².

2.2 Техническое задание на создание системы автоматизации

Можно составить техническое задание на основании выведенной формулировки задачи, ее декомпозиции и выделенных недостатках на существующем уровне автоматизации. С помощью технического задания будет в дальнейшем создана система автоматизации управляющего вычислительно комплекса (УВК).

Необходимо модернизировать систему автоматизации, и к УВК, проектируемой АСУ ТП вместе с приборами полевой автоматики, предъявляются следующие требования [4]:

высокое быстродействие, уменьшение собственной инерционности системы;

обеспечение связи с ЭВМ;

удобство контроля и обслуживания оборудования;

повышение точности регулирования для улучшения качества получаемых продуктов;

обеспечение пожаро- и взрывобезопасности оборудования;

наличие приборов в государственном реестре Республики Казахстан;

все приборы должны отвечать метрологическим требованиям и стандартам;

приборы должны быть искрозащищенного исполнения, так как необходимо учесть специфику данного производства;

эксплуатационные характеристики приборов такие как, стабильность показаний и надежность.

В связи с этими требованиями система автоматизированного управления должна выполнять следующие функции:

1) контроль над технологическим процессом, состоянием технологического оборудования и управление процессами и оборудованием с помощью средств «полевой» автоматики (сбор показаний датчиков);

2) преобразование сигналов с датчиков;

3) вторичная обработка принятой информации (показаний аналоговых и дискретных датчиков);

4) графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме (динамизированные мнемосхемы, таблицы, тренды);

5) диагностика и сигнализация нарушений и аварийных ситуаций с их протоколированием;

6) ведение истории состояния центробежных насосов гидросмесителей;

7) локальное регулирование - стабилизация расходов полупродуктов в аппараты;

8) каскадное регулирование - стабилизация плотности в сливе мешалок сгущенной пульпы;

9) реализация алгоритма динамического согласования потоков горячей воды и алгоритма распределения этих потоков по ниткам;

10) расчет и прогноз сводных технологических и технико-экономических параметров и оперативный контроль над ними в часовом, сменном и месячном разрезах.

Алгоритмы расчета включают в себя решение систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений.

а) обмен информацией с общезаводской управляющей сетью ПЭВМ, с серверами и другими рабочими станциями сети;

б) дистанционное управление регулирующими исполнительными механизмами;

в) архивирование и представление значений измеренных и расчетных величин.

Реализация последних двух функций (9 и 10) возлагается на общезаводскую информационно-управляющую систему.

Из измерительной цепи необходимо исключить приборы, вносящие инерционность и неточность показаний, и заменить их более точными. Для этого пневматические приборы необходимо исключить или заменить на электрические. В то же время необходимо сократить число средств полевой автоматики, в целях минимизации затрат на автоматизацию.

2.3 Выбор типа управляющего вычислительного комплекса

Чтобы выбрать и обосновать тип УВК в соответствии с поставленным техническим заданием на практике проводится тендер систем автоматизации [5].

Так как на сегодняшний день на рынке представлено большое количество программно - технических комплексов, то можно сказать, что существует превышение спроса над предложением, касающегося технических средств автоматизации. Для наиболее оптимального выбора технических средств автоматизации необходимо придерживаться следующей последовательности действий:

- проводится разработка технического задания на создания системы автоматизации, с помощью которого будет проведен тендер.

- из предлагаемых решений формируется перечень, участвующих в тендере фирм;

- после того, как определены фирмы, которые участвуют в тендере, ими представляется документация на ПТК, где отражены все требования технического задания;

- далее проводится анализ представляемой документации по каждому варианту, выбираются критерии, по которым происходит сравнение вариантов;

- формируются группы независимых экспертов, подготавливаются материалы для их работы;

- затем следует работа экспертов, где происходит формирование и численная оценка каждому варианту по выбранным и обоснованным критериям;

- далее производится анализ полученных данных и, как следствие, обсуждение результатов и принятие заказчиком решения по выбору для конкретного объекта автоматизации того или иного ПТК.

Примем три класса технических систем автоматизации:

микропроцессорный контроллер со SCADA-пакетом и ЭВМ;

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

УСО и SCADA-пакет, с введением этого УВК устраняются многие недостатки КТС Режим-1М.

Проведем имитацию тендера по выбору системы автоматизации. Для этого определим основные критерии, по которым будем производить сравнение УВК.

Основными критериями являются:

- стоимость;

- функциональные возможности;

- технические характеристики;

- потребительские характеристики.

Оценку систем автоматизации будут производить три независимых эксперта, баллы по критериям ставятся в порядке увеличения, т.е. Чем лучше система для данного критерия, тем выше балл.

Бальные оценки классов систем автоматизации

Критерии	Микропроцессорный контроллер со SCADA-пакетом и ЭВМ	КТС без микропроцессорного контроллера	УСО и SCADA-пакет
	эксперты	эксперты	эксперты
	1	2	3	1	2	3	1	2	3
1. Стоимость	9	8	9	4	5	5	2	1	5
2. Функциональные возможности	4	5	4	4	4	5	6	6	5
3. Технические характеристики	5	7	6	6	5	7	5	4	6
4. Потребительские характеристики	4	4	3	3	2	3	5	4	6

Результаты тендера

Классы УВК	Эксперты	Средняя оценка
	1	2	3
1. Микропроцессорный контроллер со SCADA-пакетом и ЭВМ	22	24	22	22,7
2 КТС без микропроцессорного контроллера	17	16	20	17,7
3. УСО и SCADA-пакет	20	18	24	20,7

Среднюю оценку считаем как отношение суммы баллов по всем критериям одного эксперта к числу вариантов. По результатам проведенного тендера видно, что самая высокая средняя оценка, а, следовательно, наилучшие показатели по критериям у класса 1.

В последнее время возрос интерес к проблемам автоматизации. Растет число фирм-предприятий, осуществляющих комплексную автоматизацию «под ключ», предлагая услуги по обследованию предприятия, проектированию, поставке, монтажу и наладке средств автоматизации, а также технической поддержке проектов [5].

В области программного обеспечения наблюдается тенденция предоставления пользователям бесплатной среды разработки, продажи приложений SCADA-систем по частям, снижение цен, как на программное обеспечение, так и на модули ввода / вывода информации.

На Казахстанском рынке контроллерных средств представлен широкий выбор зарубежных производителей, среди которых: ABB, Emerson, Yokogawa, Siemens, Rockwell Automation и другие. Рынок сбыта контроллеров «TREI-5B» достаточно велик. Заказчики оценили его надежность, быстродействие, простоту эксплуатации, наличие противоаварийной защиты. В контроллеры TREI-5B-хх встроены измерительные модули TREI-5B-М, что позволяет изменять конфигурацию и перекомпоновку контроллеров самостоятельно (без присутствия представителя органа государственной метрологической службы) [5]. Есть еще одно немаловажное качество: цена. Когда в условиях нестабильной экономики продукция высокого качества поставляется по строго расчетной цене, это говорит о солидности фирмы. В связи с тем, что контроллерные средства фирмы TREI GmbX хорошо зарекомендовали себя в нашей области и доказали свою практичность в обслуживании, то в качестве микропроцессорного контроллера принимаем «TREI-5B». Фирма «TREI GmbХ» предоставляет пользователям необходимый набор программного обеспечения (ПО) для адаптации контроллера в различных системах автоматического управления.

FIX Dynamics-SCADA - система, предназначенная для разработки АСУ ТП широкого назначения, разработана фирмой Intellution и занимает 17% мирового рынка SCADA-систем.

ТРЕЙС МОУД-SCADA система, предназначенная для разработки крупных распределительных ФСУ ТП широкого назначения. Она создана в 1992 году фирмой Ad Astra Research Group Ltd (Россия) и к настоящему времени имеет свыше 13000 инсталляций в России. Алгоритмы управления и обработки данных для контроллеров описываются на технологических языках, основанных на международной стандартизации IEC 1331-3.

В настоящее время функциональный набор предлагаемых на рынке SCADA-пакетов практически одинаков. В силу того, что на Павлодарском НХЗ специалисты из отдела АСУ изучают и начинают внедрять SCADA-пакет ТРЭЙС МОУД на других объектах автоматизации, то примем этот вариант.

При внедрении нового типа УВК:

во много раз уменьшается инертность системы автоматизации;

увеличивается экономический эффект из-за:

а) уменьшение численности приборов;

б) уменьшение численности регистрирующей аппаратуры;

процесс контроля и управления станет более удобным и наглядным;

можно будет реализовывать сложные алгоритмы управления.

Введение системы позволит:

отказаться от громоздких релейных щитов и перьевых самописцев;

вести автоматический контроль и регулирование технологических параметров;

повысить эффективность и оперативность управления.

3. Синтез системы автоматического управления

3.1 Описание объекта управления

Воздух компрессором ЦК-201/1,2 р подается в регенератор Р-202. Количество воздуха измеряется и регулируется с коррекцией по разности температур между плотным слоем катализатора в кипящем слое Р-202 и отстойной зоной прибором, диафрагма и клапан которого установлены на выкиде компрессора у входа в регенератор. Принципиальная схема автоматизации показана на рисунке 4.1.

1 - расходомер Сапфир-22ДД-Вн; 2 - термопары (ТХА 9312); 3 - исполнительное устройство; 4 - основной регулятор; 5 - исполнительный регулятор.

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема автоматизации

Система стабилизации температуры является одноконтурной, структуру которой можно условно разделить на два каскада. На регулятор поступает сигнал с датчиков температуры (термопар), этот сигнал сравнивается с заданием Y_зад, управляющее воздействие вырабатывается по ПИ-закону регулирования.

Итак, объектом нашего анализа является САУ, работающая по принципу обратной связи. Ее управляемая величина Y - разность температур между плотным слоем и отстойной зоной катализатора, она измеряется прибором и имеет диапазон 10 - 70⁰ С (0 - 100%). Заданная разность температур - Y_ЗАД. Управляющая величина X - расход воздуха, значение которого лежит в диапазоне 8 - 12 м³/час (0 - 100%).

Структурная схема объекта управления изображена на рисунке 4.2.

0

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.2 - Структурная схема объекта управления

На рисунке 4.2 обозначено: ОУ - объект управления; Д - датчик; Р - регулятор обратной связи; ИМ - исполнительный механизм; Х - входная величина (расход); Y - выходная величина (температура); Y_зад - задание на температуру; U - управляющее воздействие; U' - управляющее воздействие с учетом помех.

Сигнал с датчиков температуры поступает на регулятор обратной связи (Р), сравнивается с сигналом задания, и величина рассогласования поступает на исполнительный механизм, который воздействует на объект изменением количества подаваемого воздуха.

3.2 Ориентировочное оценивание динамических параметров канала управления

Передаточные функции (математические модели) по управляющему воздействию можно определить аналитически. Однако обычно при наладке системы автоматического регулирования передаточные функции определяют из экспериментальных временных характеристик (кривой разгона) путем их аппроксимации. Это вызвано тем, что, во-первых, для аналитического определения требуется выполнить большую трудоемкую вычислительную работу и, во-вторых, фактические динамические свойства могут отличаться от расчетных в процессе эксплуатации, например, за счет загрязнения поверхностного нагрева.

На рисунке 2 изображена кривая разгона, при которой возмущение µ составило 20% от полного перемещения исполнительного механизма, а отклонение температуры составило t = 16 ⁰С.

Рисунок 3 - Временная характеристика объекта регулирования

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

- постоянную времени объекта ;

- время запаздывания ;

- коэффициент усиления объекта .

Таким образом, передаточная функция (математическая модель) объекта регулирования имеет вид

. (1)

Передаточная функция регулятора будет иметь вид

. (2)

Коэффициент усиления регулятора К_Р рассчитывается по формуле

. (3)

Постоянная времени регулятора Т_Р равна

. (4)

Таким образом, передаточная функция (математическая модель) регулятора имеет вид

. (5)

Переходной процесс представлен на рисунке 3.



Рисунок 4. Переходной процесс САР температуры.

Из рисунка можно определить следующие характеристики переходного процесса:

1) время регулирования t_р=45 сек;

2) перерегулирование у=0%;

3) динамическое отклонение равно 0,1єС;

4) степень затухания =100%;

5) статическая ошибка регулирования равна 0,1%.

3.3 Определение устойчивости САУ

Одной из важных характеристик автоматической системы, наряду с точностью, является устойчивость. Причем, если показатели точности определяют степень полезности и эффективности системы, то от устойчивости зависит работоспособность системы. Устойчивость - это свойство системы возвращаться в исходный или близкий к нему установившийся режим после всякого выхода из него в результате какого-либо воздействия.

Исследуем полученную САР на устойчивость по критерию Найквиста. Для этого необходимо найти передаточную функцию разомкнутой системы, изображенной на рисунке 4, воспользовавшись правилами на эквивалентность преобразований структурных схем.

Рисунок 5 - Разомкнутая САР температуры воды

Тогда общая передаточная функция САР имеет вид

(6)

После преобразования получаем полином вида

(7)

Для определения устойчивости по критерию Михайлова необходимо найти характеристическое уравнение замкнутой системы:

(8)

Преобразуем рjw.

(9)

Выразим передаточную функцию через целую и действительную части:

 (10)

и (11)

Подставляя щ в выражения (10) и (11) найдем значения целой и действительной частей передаточной функции. Данные занесем в таблицу.

щ	U	V
0	1,28	0
0,1	-0,11837	-0,43865
0,2	-0,1172	-0,10741
0,3	-0,06679	-0,03731
0,4	-0,04106	-0,01671
0,5	-0,0274	-0,0088
0,6	-0,01946	-0,00517
0,7	-0,0145	-0,00329
0,8	-0,0112	-0,00222
?	0	0

По данным построим АФЧХ разомкнутой системы (рисунок 5).

Рисунок 6 АФХ разомкнутой системы

Так как АФЧХ не охватывает точку (-1j, 0), то данная система считается устойчивой.

Размещено на Allbest.ru