Автоматизация газораспределительной станции Стерлитамакского линейного производственного управления магистрального газопровода

Развитие контроллерных интерфейсов, появление электронных систем отображения информации, SCADA систем и внедрение модульного принципа построения ПЛК привело к структуре контроллерной системы ПАЗ (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Структура контроллерной системы ПАЗ

3.1.4 Описание функциональной схемы автоматизации.

Функциональная схема автоматизации ГРС «Энергия-1» представлена на рисунке 3.3. Она выполнена в соответствии с объемом автоматизации для данного объекта.

На схеме можно отметить следующие контуры:

- измерение параметров и отображение их по месту или на щите;

- контроль и сигнализация предельных значений или уставок;

- регулирование необходимых технологических параметров с целью поддержания технологического процесса.

Рисунок 3.3 - Функциональная схема АГРС «Энергия-1»

Измерение, сбор, первичная обработка и трансляция на верхний уровень диспетчеризации параметров телемеханизации различных технологических объектов осуществляется информационно-измерительным комплексом «Магистраль-2», который будет рассмотрен подробно в следующем подразделе.

Измерение всех технологических параметров необходимо для визуализации технологического процесса и определения соответствия режиму работы ГРС. В связи с этим применяются средства автоматизации, рассмотренные ниже.

Преобразователь температуры интеллектуальный «Метран-286» предназначен для точных измерений температуры нейтральных, а также агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким.

Термопреобразователи сопротивления взрывозащищенные «ТСМУ-014» предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред во взрывоопасных зонах, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси категорий IIA, IIB,IIC групп Т1…Т4.

Измерение давления на входе и выходе ГРС осуществляется датчиком избыточного давления «Метран -100-Вн-ДИ» и манометром электроконтактным «ДМ 2005 CrlEx». Сигнализация о выходе значений уровня за установленные пределы осуществляется комплектом сигнализатора уровня ультразвуковым «УЗС-207И». Система газоаналитечская «СГОЭС» состоит из датчиков газовых оптических, установленных по месту, и устройства порогового «УПЭС-40», установленного на щите. Выключатель бесконтактный концевой «ВКЭ-02» осуществляют сигнализацию положений и управление кранами. Вычислитель комплекса «Суперфлоу-2ЕТ» ведет автоматический сбор, обработку и хранение данных о расходе газа, который включает в себя датчики давления, счетчики газа с преобразователем импульсов и датчики температуры.

Кран-регулятор «Ду80» с электроприводом позволяет осуществлять дистанционное регулирование краном. В блоке редуцирования давление регулируется регуляторами давления «Лорд». Электронный корректор «SEVC-D» является ключевым элементом коммерческого узла учета расхода газа, использующимся для приведения измеренного счетчиком объема газа к стандартным условиям.

Блок управления «БУК-5ПГ» предназначен для управления процессами нагрева газа и их смесей в блочных подогревателях с промежуточным теплоносителем и обеспечения безопасности работы этих подогревателей.

В случае аварии включается световая сигнализация, звуковая сигнализации и производится остановка подогревателя с запоминанием первопричины аварии.

Устройство связи и управления комплекса «Магистраль-2» обеспечивает сбор и обработку телеметрической информации с датчикового оборудования в реальном масштабе времени и функционирование в составе АСУ ТП.

Прибор приемно-контрольный охранно-пожарный предназначен для централизованной и автономной охраны объекта от несанкционированных проникновений и пожаров.

В таблице 3.1 приведен перечень КИП и ТСА ГРС «Энергия-1».

Таблица 3.1 - Перечень КИП и ТСА ГРС «Энергия-1»

Позиционное обозначение	Наименование	Коли- чество	Приме- чание
1-3	Преобразователь температуры интеллектуальный типа «Метран-286»	3	-
4, 5	Термопреобразователь сопротивления типа «ТСМУ-205»	2	-
6-8	Датчик избыточного давления типа «Метран -100-Вн-ДИ»	3	-
9, 10	Манометр электроконтактный типа «ДМ 2005 CrlEx»	2	-
11.1 11.2 11.3	Сигнализатор уровня ультразвуковой искробезопасный типа «УЗС-207И» в составе: датчики акустический типа «АД101И-1600-0» датчик акустический типа «АД101И-1000-Н» преобразователь вторичный типа «ВП-201И»	1 1 1	комплект - - -
12.1, 12.2 12.3	Система газоаналитическая типа «СГОЭС» в составе: датчик газовый оптический типа «СГОЭС» устройство пороговое типа «УПЭС-40»	2 1	комплект - -
13-23	Выключатель бесконтактный концевой типа «ВКЭ-02»	11	-
24, 25	Выключатель путевой взрывозащищенный типа «ВПВ -1А11У1»	2	-
26	Вычислитель комплекса «Суперфлоу-2ЕТ»	1	-
26.1; 26.4	Датчик абсолютного давления типа «Rosemount 3051CA»	2	-
26.2; 26.5	Счетчик газа с преобразованием импульсов	2	-
26.3; 26.6	Термопреобразователь сопротивления типа «ТСП 012.02»	2	-
27	Кран-регулятор «Ду80» с электроприводом «AUMA»	1	-
28, 29	Регулятор давления «Лорд»	2	-
30	Корректор объема газа «SEVC-D»	1	-

В таблице 3.2 представлена информация о условиях срабатываниях ПАЗ и действии защиты.

Таблица 3.2 - Условия срабатования и действия ПАЗ

№ позиции защиты	Условие срабатывания	Действие защиты
1	Превышение аварийной уставки по давлению газа на входе 5,4 МПа	Закрытие входного и выходного крана ГРС
2	Превышение аварийной уставки по давлению газа на выходе 0,6 МПа	Закрытие входного и выходного крана ГРС
3	Превышение аварийной уставки по концентрации газа в блоке редуцирования, переключения	Закрытие входного и выходного крана ГРС

3.1.5 Анализ системы автоматизации ГРС «Энергия-1»

ГРС предназначена для подачи потребителям газа с определенным давлением, степенью очистки и одоризации. Основным назначением системы автоматизации ГРС является сбор данных телеметрии и управлением оборудованием ГРС.

ГРС «Энергия-1» является технологическим объектом с высокой степенью автоматизации. Станция оснащена системой автоматического управления и регулирования, телемеханическими системами и иными средствами автоматизации.

При квалификации учета газа на ГРС как коммерческого, требуется определять не только количество, но и качество учитываемого газа. Вычислитель комплекса «Суперфлоу-2ЕТ» позволяет автоматически непрерывно измерять давление, температуру, расход и объем, а также получать информацию о качестве газа.

ГРС должна обеспечивать функции защиты потребителя (автоматический контроль и управление запорной арматурой для предотвращения аварийных ситуаций), телемеханики. Информационно-измерительный комплекс "Магистраль-2» предназначен для реализации оперативного контроля и управления технологическим объектом на ГРС «Энергия-1».

Газоаналитическая система «СГОЭС» применяется для измерения уровней загазованности и выдачи предупредительной и аварийной сигнализации о достижении значений заданных уставок и для реализации программ автоматических защит.

К преимуществам газоаналитической системы «СГОЭС» можно отнести повышенную точность контроля, надежность источников питания, улучшенную помехозащищенность системы.

Однако на входе и выходе ГРС установлены датчики избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ», которые морально устарели и не отвечают современным требованиям. Более того, датчик избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ» снят с производства. Поскольку давление является одним из самых важнейших контролируемых параметров на ГРС, особое внимание в данном дипломном проекте было уделено датчикам избыточного давления.

3.2 Информационно-измерительный комплекс «Магистраль-2»

Информационно-измерительный комплекс «Магистраль-2» предназначен для измерения, сбора, первичной обработки и трансляции на верхний уровень диспетчеризации параметров телемеханизации различных технологических объектов с переменным набором телефункций, таких как: крановые площадки, объекты линейной части трубопроводов, пункты замера газа, ГРС, удаленные технологические сооружения и другие рассредоточенные объекты. Отличительной особенностью комплекса является многоуровневая распределенная структура, блочно-модульное построение аппаратных средств контролируемого пункта и открытая архитектура.

Комплекс выполняет следующие функции:

-телеизмерение, преобразование и нормирование текущих мгновенных и/или интегральных значений технологических параметров как постоянно, по внутреннему алгоритму, так и по команде с пункта управления;

- телесигнализация положения, состояния и режимов работы технологического оборудования и вспомогательных объектов

- телесигнализация аварийных ситуаций и режимов работы технологического оборудования и вспомогательных объектов;

- телеуправление технологическими объектами;

- телерегулирование;

- формирование и передача на верхний уровень телеметрической информации о состоянии каналов связи и устройств комплекса, в том числе сигналов недостоверности информации по телеизмерению, телесигнализации, телесигнализации аварийных ситуаций и информации о невозможности выполнения телеопераций телерегулирования и телеуправления;

- защита от выполнения ложных команд или передачи ложной информации;

- автоматическое переключение устройств комплекса с рабочих на резервные источники питания при исчезновении напряжения на рабочем вводе питания и обратное переключение при его восстановлении;

- передача информации на верхний уровень и прием команд с верхнего уровня;

- регистрация и накопление в базе данных информации по функционированию устройств комплекса и изменению технологических параметров.

Комплекс «Магистраль - 2» имеет уровни передачи данных и диспетчерского контроля (верхний) и технологический (нижний).

На верхнем уровне комплекса используются следующие компоненты:

- автоматизированные рабочие места диспетчеров на базе дублированных и одиночных персональных компьютеров промышленного исполнения (пункты управления);

- рабочие станции, функционирующие в режиме коммуникационных серверов и поддерживающие диагностические функции (центральные концентраторы информации);

- устройства сбора, обработки и хранения технологической информации группы объектов из состава нижнего уровня комплекса (концентраторы информации).

Аппаратура пункта управления располагается в диспетчерской, а аппаратура центрального концентратора информации - в узле связи. Для обеспечения надежной работы пункт управления и центральный концентратор информации комплектуются персональными компьютерами промышленного исполнения. Связь между ними осуществляется с применением стандартных средств и систем связи (физическая линия, оптоволокно, радиосвязь, GSM-связь, сеть Ethernet). Концентратор информации предназначен для интеграции нескольких объектов комплекса нижнего уровня.

На нижнем уровне комплекса возможно использование контролируемых пунктов телемеханики, САУ ГРС и устройств управления объектом, территориально распределенных в соответствии с расположением технологических объектов.

Пункт управления представляет собой комплекс программно-технических средств, предназначенных для функций телеизмерения, телеконтроля, телеуправления и телерегулирования объектами магистральных газопроводов в составе комплекса телемеханики «Магистраль-2», а также для управления информационной составляющей комплекса (изменение режимов, задание уставок, запуск алгоритмов).

Центральный концентратор информации представляет собой комплекс программно-технических средств, предназначенных для выполнения всех функций, присущих пункту управления, но без постоянного пользователя. Концентратор информации не имеет средств человеко-машинного интерфейса и в автоматическом режиме выполняет функции сбора и обработки технологической информации с подчиненных ему контролируемых пунктов. Конструктивно концентратор информации выполнен в пластиковом корпусе, где размещаются процессорный модуль, источник питания и, при необходимости, модуль расширителя последовательного интерфейса.

На рисунке 3.4 представлена структурная схема информационно-измерительного комплекса «Магистраль-2».

ПУ - пункт управления; АПД - аппаратура передачи данных; ИЧМ - интерфейс человеко-машинный; ЦКИ - центральный концентратор информации; КИ - концентратор информации; КП - контролируемый пункт; ЛВС - локальная вычислительная сеть; УУО - устройство управления объектом

Рисунок 3.4 - Структурная схема информационно-измерительного комплекса «Магистраль-2»

В качестве программного обеспечения, устанавливаемого на концентраторе информации, центральном концентраторе информации и пункте управления применяется комплекс программ «ЗОНД». Программное обеспечение в совокупности обеспечивает сбор технологической информации в реальном масштабе времени, ее отображение и архивирование, трансляцию команд управления оборудованием, а также выполнение других функций, присущих SCADA-системам.

Технические характеристики информационно-измерительного комплекса «Магистраль-2» представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Технические характеристики информационно-измерительного комплекса «Магистраль-2»

Наименование параметра	Показатель
Среднее количество телеопераций для одного контролируемого пункта (при трех функциональных модулях на устройстве связи и управления и трех устройств управления объектом), шт., в том числе: - телеизмерений - телесигнализаций - телеуправлений	88 28 36 24
Максимальное количество контролируемых пунктов на одном направлении, шт.	256
Максимальное количество устройств управления объектом в составе одного контролируемого пункта, шт.	15
Быстродействие при обмене данными между контролируемым пунктом и пунктом управления, бод	300- 9600
Быстродействие при обмене данными между устройством связи и управления и устройством управления объекта, бод	2400
Быстродействие при обмене данными между блоками устройства связи и управления, бод	57600

Аппаратура пункта управления расположена в диспетчерской, а центрального концентратора информации - в узле связи. Связь между пунктом управления и центральным концентратором информации осуществляется с помощью стандартных средств. Длина линии связи между устройством связи и управления и устройством управления объектом до 4000 м, длина канала передачи данных между блоками устройства связи и управления до 1000 м, емкость резервного источника питания до 160 А/ч, гарантированное минимальное время работы от источника резервного питания 3 суток; рабочий диапазон температуры окружающей среды от минус 40 до +70 °С [6].

3.3 Методы преобразования давления

Важнейшими контролируемыми параметрами ГРС являются температура, давление и расход. Измерение указанных параметров и представление информации об их значениях и изменениях являются абсолютно необходимыми на всех стадиях протекания данного технологического процесса. Ни один технологический процесс не может управляться ни вручную, ни автоматически без получения такой информации с помощью соответствующих технических средств измерений, основанных на использовании различных методов измерений и способов получения результатов измерений. Далее рассмотрим датчики давления и основные методы преобразования давления.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от метода преобразования давления в электрический сигнал: тензорезисторный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный.

3.3.1 Тензорезисторный метод.

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом действия которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране.

Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления тензорезисторов при их деформации. Связь между изменением сопротивления ТР и его деформацией устанавливается соотношением:

автоматизация газораспределительный одоризатор

, (3.1)

где R/R - относительное изменение сопротивления ТР;

SТ - коэффициент тензочувствительности, определяемый материалом ТР. Тензочувствительность считается положительной, если ДR/R>0,и отрицательной - если ДR/R<0;

l/l - относительное изменение длины ТР.

На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преобразователи давления (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными) являются самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются ТР. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям ТР, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста (рисунок 3.5).

R1, R2, R3, R4 - тензорезисторы (плечи моста), ac - диагональ питания, bd - измерительная диагональ

Рисунок 3.5 - Схема четырехплечего уравновешенного моста

При этом одна пара ТР, включенных в противоположные плечи моста (например, R1 и R3), имеет положительную тензочувствительность, а другая (соответственно R2 и R4) - отрицательную. Их сопротивления при подаче давления соответственно увеличиваются и уменьшаются на величину ДR. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине (R1 = R3 = R2 = R4 = R) и мост сбалансирован (ток Ibd в измерительной диагонали равен нулю). При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.

ТР выполняются как из металлов (проволочные, фольговые), так и из полупроводников. Чувствительность полупроводниковых ТР в десятки раз выше, чем у металлических, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как ТР, так и микроэлектронный блок обработки. Поэтому в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя способами:

1) по гетероэпитаксиальной технологии КНС, в соответствии с которой тонкая пленка кремния выращивается на подложке из сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране;

2) по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n переходами - технология КНК. В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных измерительных преобразователей давления в настоящее время получила технология КНС. К ее преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость. Однако структура КНС имеет и недостатки - временную нестабильность градуировочной характеристики и существенную погрешность гистерезиса от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Измерительные преобразователи давления, выполненные на основе структуры КНК, имеют бульшую временную и температурную стабильности по сравнению с преобразователями на основе КНС - структур.

Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит влияние температуры. Для ее уменьшения, в связи с широким использованием в последнее время интеллектуальных преобразователей, как правило, используется автоматическое введение поправок на температуру. При этом первичный преобразователь (тензорезисторный чувствительный элемент) подвергается предварительной градуировке при различных значениях температуры. Эти градуировочные данные вводятся в память микропроцессора интеллектуального преобразователя. При эксплуатации преобразователя измеряется температура и выходной ток датчика, и путем аппроксимации градуировочных данных вычисляется измеряемое давление.

Схематичное изображение чувствительных элементов показано на рисунке 3.6.

а) технология КНС

б) технология КНК

Рисунок 3.6 - Схематичное изображение тензорезисторных чувствительных элементов

Внешний вид тензорезистроных чувствительных элементов показан на рисунке 3.7.

а) технология КНК

б) соответствующий измерительный преобразователь давления

Рисунок 3.7 - Внешний вид тензорезисторного чувствительного элемента

3.3.2 Ёмкостной метод

Схема, поясняющая принцип действия ёмкостного измерительного преобразователя давления показана на рисунке 3.8.

1 - металлическая мембрана; 2 - неподвижный электрод; 3 - изолятор; Р - измеряемое давление

Рисунок 3.8 - Схема ёмкостного измерительного преобразователя давления

Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной 1, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод 2 изолируется от корпуса с помощью изолятора 3.

Зависимость ёмкости С конденсатора от перемещения д мембраны 1, которое, в свою очередь, зависит от давления, имеет вид:

, (3.2)

где - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор;

S - площадь электродов;

д0 - расстояние между электродами при давлении, равном нулю.

Известны керамические или кремниевые ёмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение ёмкости.

В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны центральной обкладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих ёмкостей конденсаторов.

Достоинством чувствительного ёмкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум. К недостатку можно отнести нелинейную зависимость ёмкости от приложенного давления.

В ёмкостных дифференциальных измерительных преобразователях давления (рисунок 3.9) чувствительный элемент состоит из двух соединенных конденсаторов.

1 - капсульная защита; 2 - пластины конденсатора; 3 - чувствительная мембрана; 4 - разделительные мембраны; 5 - заполняющая жидкость

а) схема чувствительного элемента (ёмкостной ячейки)

б) изображение чувствительного элемента в разрезе

в) внешний вид

Рисунок 3.9 - Ёмкостной дифференциальный измерительный преобразователь давления

Ёмкостные преобразователи давления применяют для измерения быстро изменяющегося давления с верхним пределом до 120 МПа.

3.3.3 Резонансный метод.

Резонансный метод используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером резонансного метода может служить резонансный измерительный преобразователь давления с кремниевым механическим резонатором - разработка фирмы «Yokogawa» (DPHarp технология). Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. Резонатор возбуждается сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления.

Схема, поясняющая принцип работы кремниевого резонатора, показана на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Схема, поясняющая принцип действия кремниевого резонансного чувствительного элемента

На рисунке 3.11 показан внешний вид кварцевого резонансного чувствительного элемента, принцип действия которого аналогичен принципу действия рассмотренных кремниевых резонансных чувствительных элементов, и соответствующих измерительных преобразователей давления.

Рисунок 3.11 - Внешний вид кварцевого резонансного измерительного преобразователя давления

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проведения измерений в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

3.3.4 Индуктивный метод

Индуктивный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению. Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость. Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Принципиальная схема индуктивного преобразователя давления

3.3.5 Ионизационный метод

Принцип действия электронного преобразователя основан на прямой пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Основными элементами электронного ионизационного манометрического преобразователя являются прямонакальный катод, анод-сетка и коллектор ионов (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 - Ионизационный датчик вакуума

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, а также - нагревателем. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла.

Электронный ионизационный манометрический преобразователь действует следующим образом. Накаленный прямым пропусканием тока катод испускает электроны. Электроны ускоряются в пространстве между катодом и анодом. Большинство электронов пролетает анод-сетку, попадая в замедляющее электрическое поле. Поскольку замедляющая разность потенциалов больше ускоряющей разности потенциалов, электроны, не долетая до коллектора ионов, изменяют направление движения. Затем, приобретая скорость в направлении к аноду, электроны вновь пролетают анод-сетку, тормозятся около катода и вновь направляются к аноду. Таким образом, электроны совершают колебательные движения около анода.

На своём пути электроны производят ионизацию газа. Положительные ионы, образовавшиеся в пространстве между анодом и коллектором ионов, притягиваются последним. При постоянном токе электронной эмиссии (эмиссионный ток в рассматриваемых вакуумметрах устанавливается на уровне 5 мА.) постоянном числе электронов, колеблющихся около анода, количество актов ионизации, т.е. количество образующихся ионов, будет пропорциональным концентрации молекул газа в пространстве, т.е. давлению. Таким образом, ионный ток коллектора служит мерой давления газа.

Преимуществом таких ламп является возможность регестрировать низкое давление - вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, ёмкостными.

Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Подводя итог, приведем основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал, результаты сведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления

Метод	Преимущества	Недостатки
Тензорезисторный	-высокая степень защиты от агрессивной среды; -расширенный диапазон рабочих температур; -налаженность серийного производства; -низкая стоимость	-неустранимая нестабильность градуировочной характеристики; -высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры; -низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Емкостной	-высокая точность; -высокая стабильность характеристик; -возможность измерять низкий вакуум; -простота конструкции; -стойкость к перегрузкам	-нелинейная зависимость емкости от приложенного давления; -необходимость в дополнительном оборудовании или электрической схеме для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных сигналов
Резонансный	-высокая стабильность характеристик; -высокая точность измерения давления	-при измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения; -индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Индуктивный	-незначительное влияние температуры на точность измерения	-сильное влияние магнитного поля; -чувствительность к ударам
Ионизационный	-возможность измерения высокого вакуума; -высокая точность; -высокая стабильность характеристик	-невозможность использования при высоком давлении; -нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления; -ненадежность конструкции

Различные сферы применений определяют свои требования к датчикам: для промышленности - надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений и расходометрии - точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной метод преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант - соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индуктивных, ёмкостных датчиков [7].

Проанализировав преимущества и недостатки методов преобразования давления, выбраны 3 метода (тензорезисторный, резонансный и емкостной). В следующем разделе будут рассмотрены датчики избыточного давления, принцип действия которых основан на этих методах преобразования давления.

4. Модернизация системы автоматизации ГРС

В данном разделе сформулирована необходимость модернизации ГРС «Энергия-1», определены критерии выбора, рассмотрен ряд датчиков избыточного давления, составлена сводная таблица основных технических характеристик, на основе которой выбран датчик избыточного давления «EJX430A». Также составлен алгоритм программы перехода ГРС на байпасный режим.

4.1 Формулировка задачи и анализ проблемы

ГРС «Энергия-1» должна обеспечить протекание технологического процесса подачи газа потребителю с определенным давлением, необходимой степенью очистки, одоризации и учетом газа, а при необходимости контролем качественных показателей газа. Один из важнейших показателей работы ГРС - давление, значение которого необходимо измерять, регулировать и поддерживать в заданных пределах в процессе работы.

В настоящее время на входе и выходе ГРС установлены датчики избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ», которые выполняют функции регулирования давления, контроля выхода за пределы заданных значений давления, а также неисправности основных объектов ГРС. Датчики избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ» морально устарели и не отвечают современным требованиям. Более того, датчик избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ» снят с производства и на производстве остро стоит вопрос его замены.

4.2 Обоснование выбора датчика

На сегодняшнее время выбор датчиков избыточного давления весьма большой. В первую очередь необходимо определить критерии выбора по приоритетам в порядке убывания:

- погрешность измерения давления;

- срок службы и безотказность работы;

- диапазон измерения давления;

- диапазон рабочих температур;

- стоимость.

Анализ методов преобразования давления выявил достоинства и недостатки датчиков избыточного давления. При выборе преобразователя давления необходимо определить наиболее выгодное соотношение цены к возможностям прибора.

4.3 Выбор датчика

Рассмотрим датчик избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ», используемый на ГРС «Энергия-1», который основан на тензорезисторном методе, и другие датчики: «Сапфир-22МА-ДИ» (производитель «Элемер», Россия, тензорезисторный метод); «Rosemount 3051S» (производитель «Эмерсон», США, емкостной метод); «EJX430A» (производитель «Yokogawa», Япония, резонансный метод).

4.3.1 Датчик избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ»

Датчик избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ» состоит из преобразователя давления и электронного преобразователя. Конструкция датчика представлена на рисунке 4.1.

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 2. Внутренняя полость 4 заполнена кремний органической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 5, приваренной по наружному контуру к основанию 2. Полость 7 сообщается с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 6 фланца 9, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 5 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из блока чувствительного элемента в электронный преобразователь 1. Полость 7 герметизирована и сигнал передается в электронный преобразователь по проводам через гермоввод 10.

1 - электронный преобразователь; 2 - основание; 3 - Мембранный тензопреобразователь; 4 - внутренняя полость; 5 - гофрированная мембрана; 6 - камера; 7 - полость; 8 - прокладка; 9 - фланец; 10 - гермоввод

Рисунок 4.1 - Конструкция датчика давления «Метран-100-Вн-ДИ»

В таблице 4.1 приведены основные технические характеристики датчика избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ».

Таблица 4.1 - Основные технические характеристики «Метран-100-Вн-ДИ»

Характеристика	Значение
Диапазон измерений давления, МПа	0 … 100
Основная приведенная погрешность канала измерения давления, %	±0,15
Температура измеряемой среды, 0С	- 40 … + 70
Температура окружающей среды, 0С	- 40 … + 70
Наработка датчика на отказ, час, не менее	150000
Средний срок службы, лет, не менее	15
Стоимость, руб	15600

Функционально электронный преобразователь состоит из АЦП, источника опорного напряжения, блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, ЦАП, стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех и НАRТ-модема для преобразователей. Кроме того, в электронный преобразователь входит жидкокристаллический индикатор. АЦП, источник опорного напряжения и блок памяти АЦП размещаются на плате АЦП, которая объединяется с измерительным блоком в сборочную единицу - чувствительный элемент давления. Остальные элементы функциональной схемы размещаются в корпусе электронного преобразователя. Плата АЦП принимает аналоговые сигналы преобразователя давления, пропорциональные давлению и преобразовывает их в цифровые коды. Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик блока чувствительного элемента и других данных о блоке чувствительного элемента. Микроконтроллер, установленный на микропроцессорной плате, принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики блока чувствительного элемента, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передаёт его в ЦАП. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал [8].

4.3.2 Датчик избыточного давления «Сапфир-22МА-ДИ».

Датчик избыточного давления «Сапфир-22МА-ДИ» предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами взрывоопасных производств и обеспечивает непрерывное преобразование значения избыточного давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи [9].

Основные технические характеристики датчика приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Основные технические характеристики датчика «Сапфир-22МА-ДИ»»

Характеристика	Значение
Диапазон измерений давления, МПа	0,25 … 60
Основная приведенная погрешность канала измерения давления, %	±0,15
Температура измеряемой среды, 0С	- 40 … + 120
Температура окружающей среды, 0С	- 40 … + 70
Наработка датчика на отказ, час, не менее	100000
Средний срок службы, лет, не менее	12
Стоимость, руб	15664

4.3.3 Датчик давления «Rosemount 3051S»

В датчиках давления «Rosemount 3051S» применяется конструкция SuperModuleТМ. Она представляет собой полностью герметичный узел, обеспечивающий самую высокую защиту от проникновения пыли и воды. В состав узла входит плата электроники и ёмкостный преобразователь давления, выполненный по технологии SaturnТМ. Основной и дублирующий чувствительные элементы ёмкостной ячейки, выполненные по этой технологии, увеличивают надежность работы датчика и значительно улучшают метрологические характеристики [10].

Основные технические характеристики датчика приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Основные технические характеристики «Rosemount 3051S»

Характеристика	Значение
Диапазон измерений давления, МПа	0 … 70
Основная приведенная погрешность канала измерения давления, %	±0,025
Температура измеряемой среды, 0С	- 73 … + 205
Температура окружающей среды, 0С	- 51 … + 85
Наработка датчика на отказ, час, не менее	150000
Средний срок службы, лет, не менее	10
Стоимость, руб	90000

4.3.4 Датчик давления «EJX430A»

Датчик давления «EJX430A» фирмы «Yokogawa» - предназначен для измерения избыточного давления различных сред: жидкости, газа и пара [11].

Датчики давления серии «EJA» и «EJX» обладают всеми функциями современных интеллектуальных датчиков. Отличительной особенностью преобразователей серий «EJA» и «EJX» является метод измерения давления: в качестве чувствительного элемента в них используется кремниевый механический резонатор - уникальная разработка фирмы «Yokogawa».

«EJX» в своей основе используют тот же, что и в преобразователях «EJA», "частотно-резонансный" метод преобразования давления в частотный сигнал на базе кремниевого кристалла (DPHarp технология). При этом в серии «EJX» уменьшено время отклика, оно составляет 95 мс.

Основные технические характеристики датчика приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.4 - Основные технические характеристики «EJX430A»

Характеристика	Значение
Диапазон измерений давления, МПа	0,1 … 16
Основная приведенная погрешность канала измерения давления, %	±0,04
Температура измеряемой среды, 0С	- 40 … + 120
Температура окружающей среды, 0С	- 40 … + 85
Наработка датчика на отказ, час, не менее	100000
Средний срок службы, лет, не менее	10
Стоимость, руб	16520

После рассмотрения ряда преобразователей давления, существующих на рынке, составлена сводная таблица 4.5.

Таблица 4.5 - Сводная таблица основных характеристик приборов

Характеристика	Модель прибора
	«Сапфир-22ДИ-Ех»	«Rosemount 3051S»	«EJX430A»	«Метран 100-Вн-ДИ»
Диапазон измерений давления, МПа	0,25 … 100	0 … 70	0,1 … 16	0 … 100
Основная приведенная погрешность канала измеряемого давления, %	±0,5	±0,025	±0,04	±0,15
Температура измеряемой среды, 0С	- 50 … + 120	- 73 …+ 205	- 40…+ 120	- 40 … + 70
Температура окружающей среды, 0С	- 40 … + 70	- 51… + 85	- 40… + 85	- 40… + 70
Наработка датчик на отказ, не менее, час	100000	150000	100000	150000
Средний срок службы, не менее, лет	12	10	10	15
Стоимость, руб	5664	90000	16520	15 600

Из таблицы видно, что датчик избыточного давления «EJX430A» фирмы «Yokogawa», основанный на резонансном методе преобразования, обладает рядом преимуществ перед остальными рассмотренными альтернативами.

Во-первых, основная приведенная погрешность очень мала по сравнению с остальными, что обеспечит точное измерение и эффективность регулирования давления.

Во-вторых, «EJX430A» более надёжен, о чём свидетельствует большее количество часов наработки на отказ и расчётный срок.

В-третьих, диапазон измерения давления вполне достаточен для нормальной работы ГРС.

В-четвертых, датчик «EJX430A» имеет широкий диапазон температур измеряемой и окружающей среды, благодаря чему прибор может использоваться в разных температурных условиях.

В-пятых, стоимость датчика соответствует понятию «цена-качество», что доказано в разделе экономическая эффективность доказана .

Помимо выше перечисленных достоинств датчика «EJX430A» относительно других, рассмотренных приборы для измерения давления фирмы «Yokogawa» обладают целым рядом преимуществ:

- развитие технологии роста кристаллических структур (переход от традиционного и уже исчерпавшего себя ёмкостного метода измерения к частотно-резонансным чувствительным элементам - DPHarp-технология). Конструкция чувствительного элемента DPHarp выполнена в чрезвычайно малых размерах (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния. Технология DPHarp позволяет изготавливать чувствительного элемента нового поколения большими партиями и по конкурентоспособной цене;

- существующие широко используемые методы преобразования давления в электрический сигнал имеют очевидные принципиальные ограничения по стабильности и устойчивости к перегрузкам:

1) для ёмкостного метода - это остаточная деформация и механическая усталость центральной мембраны «сердца» ёмкостного чувствительного элемента;

2) для тензорезисторного метода - это нестабильность стеклянной подложки и дрейф сопротивления пленок, связанный с диффузией примесей в материале.

Как следствие, производитель таких преобразователей не нормировал погрешность прибора после односторонней перегрузки по давлению. Кроме того - даже у самых лучших датчиков при нормировании стабильности ставятся существенные ограничения по рабочим условиям (температуре окружающей среды, давлению). В случае кремниевого резонатора DPHarp собственную частоту определяют всего три параметра - масса, геометрические размеры и форма. Масса резонатора измениться не может. Геометрические же размеры и форма также жестко зафиксированы кристаллической решеткой - самой стабильной и упругой структурой. Все выше сказанное в совокупности позволяет гарантировать стабильность во всем диапазоне рабочих условий безо всяких условий, включая перегрузки по давлению. На рисунке 4.5 показаны результаты испытаний на дрейф нуля в течение 15 календарных лет.

Рисунок 4.2 - Результаты испытаний на дрейф нуля

За 15 лет ни один из испытуемых датчиков ни разу не подстраивался и на них не корректировался ноль.

Еще одним преимуществом является устойчивость к внешним воздействиям (температуре и статическому давлению). Для ёмкостных и тензорезисторных чувствительных элементов это проблематичное направление:

- у ёмкостных датчиков происходит дрейф нуля из-за незаметного, но существенного для точных измерений, перекоса чувствительного элемента (идеально симметричной конструкции не бывает);

- в случае тензорезисторного чувствительного элемента - это существенная зависимость сопротивления полупроводниковых пленок от температуры и статического давления (естественно, большую зависимость гораздо сложнее скомпенсировать).

У кремниевых резонаторов ситуация кардинально лучше:

- геометрические размеры в десятки и сотни тысяч раз меньше подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (сопротивление, ёмкость);

- в чувствительном элементе используются не один, а два идентичных резонатора, расположенных так, что они по-разному реагируют на изменение перепада давления. Благодаря этому есть возможность разделить «полезный» и паразитные вклады в сигнал (разница частот резонаторов пропорциональна перепаду давления, а сумма частот статическому давлению с поправкой по температуре). Таким образом, возможна сразу аппаратная компенсация с одновременным получением дополнительной информации;

- сопротивление тела резонатора является индикатором температуры. Индивидуальные характеристики чувствительного элемента записываются в память электроники, и в дальнейшем по температуре чувствительного элемента происходит компенсация оставшихся влияний температуры и статического давления.

«Кремниевый резонатор» называют цифровым чувствительным элементом, так как в нем полностью отсутствует промежуточное аналого-цифровое преобразование (деформация сразу преобразуется в частоту) в отличие от ёмкостного и тензорезисторного датчиков, где промежуточный аналоговый параметр обязательно присутствует (деформация - ёмкость - частота, деформация - сопротивление - частота). Этот факт с чисто линейной зависимостью частоты от давления дает большое преимущество «кремниевому резонатору», благодаря чему, для достижения более высокой точности требуется только увеличить точность калибровки, а перестройка шкалы не требует подстройки нуля и калибровки, обязательных для ёмкостного и тензорезисторного датчиков [12].

На основе выявленных преимуществ датчика избыточного давления «EJX430A» фирмы «Yokogawa» предлагается внедрение данного прибора на ГРС «Энергия-1» Стерлитамакского ЛПУ МГ для более эффективного и надежного функционирования станции.

4.3 Алгоритм перехода ГРС на байпасный режим

В данном дипломном проекте предложена замена датчиков избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ» на современные датчики «EJX430A». Эти датчики, установленные на входе и выходе ГРС, выполняют функции регулирования давления, контроля выхода давления за пределы заданных значений. Со снижением приведенной погрешности, повышается реакция на обнаружение неисправностей основных объектов ГРС, минимизируется время переключения ГРС на байпасный режим.

Переключение ГРС на байпасный режим работы производится в случаях неисправности основных объектов ГРС, что контролируется датчиками избыточного давления «Метран-100-Вн-ДИ», замена которых предлагается. Программа логического управления позволяет автоматически, при обнаружении отклонений давлений от заданных параметров, переключаться на байпасный режим.

4.3.1 Программирование задачи логического управления

При нормальном режиме работы ГРС газ поступает через входные линии через открытую входную задвижку КШ 1. В это время задвижки КШ 3, КШ 4 закрыты. Переключение на байпасный режим работы производится в случаях неисправности основных объектов ГРС, что контролируется датчиками избыточного давления (поз. РT7 и РT8).

При обнаружении отклонений давлений от заданных оператором параметров, переключение ГРС на байпасную линию начинается с полного открытия задвижки КШ 3. Далее на 10% приоткрывается регулирующая задвижка КШ 4 и, после того, как появляется давление в обводной линии, контролируемое манометром РC27 и выдержки времени 30 секунд, полностью закрывается задвижка КШ 1. После этого необходимо регулирующей задвижкой КШ 4 выставить необходимое для выхода линии значение давления, контролируемого датчиком давления РC27 (приоткрыть задвижку КШ 4 до момента достижения заданного давления PC27). После этого выдается сигнал оператору о нормальном переключении на байпасную линию.

Если после выдержки времени 30 секунд, давление в обводной линии не появляется, включается аварийная сигнализация, и закрывается задвижка КШ 3.

На рисунке 4.3 приведена упрощенная схема ГРС.

PT7, PT8 - позиции датчиков избыточного давления; РС27 - позиция датчика давления; КШ - кран шаровой.

Рисунок 4.3 - Упрощенная схема ГРС

4.3.2 Перечень сигналов и построение графа переходов

Работа начинается с создания проекта в ISaGRAF. Перед тем, как ввести текст программы, необходимо объявить используемые в ней переменные.

Среди переменных можно выделить следующие:

аналоговые;

логические;

таймерные.

Переменные могут быть входными, выходными и внутренними. Аналоговые переменные могут быть целочисленными или вещественными [13].

Список переменных, применяемых в программе для данного проекта, приведен ниже.

Входные сигналы:

PЕ1, PЕ2- обнаружено отклонение давления на датчиках PT7, PT8;

PЕ3 - давление на датчике PC27 достигло заданного значения;

P30 - давление на РC27 равно 0;

Х1о / Х1зz-задвижка КШ1 полностью открыта/закрыта;

Х3о / Х3z - задвижка КШ3 полностью открыта/закрыта;

Х10pr - КШ4 открыта на 10 %;

Х4z - КШ4 полностью закрыта;

Yсб - сброс аварии.

Выходные сигналы:

U1о / U1зz - сигнал на открытие/закрытие КШ1;

U3о / U3z - сигнал на открытие/закрытие КШ3;

U4о / U4зz- сигнал на открытие/закрытие КШ4;

Uок - сигнал оператору о нормальном переходе на байпасную линию;

Iс - сигнал об аварии при переходе на байпасную линию;

T -таймер.

Значения задания для регулирования составляют среднее между верхним и нижним предельными значениями для соответствующего технологического параметра. Выработанный управляющий сигнал поступает на привод регулирующего клапана.

Сигнализация осуществляется следующим образом. Каждый технологический параметр сравнивается поочередно с верхней и нижней уставками. Если параметр достиг верхней уставки, то вырабатывается соответствующая сигнализация и производится переход к следующему параметру. Для нижней уставки аналогично.

На рисунке 4.4 изображен граф переходов.

Рисунок 4.4 - Граф переходов

4.3.3 Текст программы на языке ST

Текст программы автоматического переключения ГРС на байпасный режим написан на языке ST, так как он наиболее приемлем как по уровню, так и по синтаксису, и удобен для реализации сложных алгоритмов и процедур.

Текст программы на языке ST приведен ниже:

CASE step of

0: U1о:= FALSE ;

U1z:= FALSE ;

U3о:= FALSE ;

U3z:= FALSE ;

U4o:= FALSE ;

U4z:= FALSE ;

Uok:= FALSE ;

Ic:= FALSE ;

IF PE1 OR PE2 THEN step:= 1; END IF;

1: U3o:= TRUE;

IF X3o THEN step:= 2; END_IF;

2: U3o:= FALSE;

U4o:= TRUE ;

IF x1pr THEN step:= 3; END IF;

3: U4o:=FALSE;

T:=t#0s;

Tstart(T); step:=50;

50: IF T>t#30s AND p30 THEN step:=7; END IF;

IF T>t#30s AND (not p30) THEN step:= 4; END_IF;

4: U1z:= TRUE;

Tstop(T) ;

IF x1z THEN step:= 5; END IF;

5:U4o:=TRUE;

U1z:=FALSE;

IF PE3 THEN step:= 6; END_IF;

6: Uok:= TRUE;

U4o:=FALSE;

IF Ysb THEN step:= 9; END IF;

7: Ic:=TRUE;

U3z:=TRUE;

Tstop(T);

IF X3z THEN step:= 8; END_IF;

8: U3z:= FALSE;

IF Ysb THEN step:= 9; END IF;

9: U1o:=TRUE;

U3z:=TRUE;

U4z:=TRUE;

Uok:=FALSE;

Ic:=FALSE;

IF x1o AND x3z AND x4z THEN step:=0; END_IF;

END_CASE;

Результаты работы программы.

Наблюдать за работой программы можно окне «Simulator" с зелёными кнопками и красными светодиодами (рисунок 4.5). Входные сигналы задаются с помощью кнопок, а изменение выходных отображается на светодиодах.