Введение
В химической промышленности – комплексноймеханизации и автоматизации уделяется большое внимание, это объясняетсясложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а так жечувствительностью их к нарушению режима.
С увеличением нагрузокаппаратов, мощностей машин, сложности и масштабов производства. С повышениемдавлений, температур и скоростей химических реакций, ручной труд даже намеханизированном производстве подчас просто не мыслим. В таких условиях рабочийчасто не в состоянии своевременно воздействовать на процесс, в случае егоотклонения от нормы.
Ограниченные возможностичеловеческого организма является препятствием для дальнейшей интенсификациипроизводства.
Наступает новый этап машинногопроизводства автоматизации, когда человек освобождается от непосредственногоучастия в производстве.
Под автоматизацией понимаютприменение методов и средств автоматизации для управления производственнымипроцессами. Понятие управления производственными процессами, подразумеваетцеленаправленные воздействия на этот процесс, который обеспечивает оптимальныйили заданный режим его работы. Процесс управления складывается из многихэлементарных операций, которые по их назначению можно объединить в три группы:
Получение и обработкаинформации о фактическом состоянии управляемого технологического процесса.
Анализ полученной информации ипринятие необходимого решения о воздействии на процесс.
Осуществление принятогорешения, то есть воздействие на технологический процесс изменением материальныхили энергетических потоков.
Развитие химической технологиипотребовало гораздо более совершенных систем управления, чем локальные системыавтоматизации, они получили название автоматизированные системы управлениятехнологическими процессами – АСУТП. Создание АСУТП, стало, возможно, благодарявнедрению мощных УВМ, что позволило использовать их для управления технологическимипроцессами в реальном масштабе времени.
АСУТП отличаются от локальныхсистем автоматизации более совершенной организации потоков информации.Практически полной автоматизацией процессов получения, обработки ипредставления информации. Возможностью активного диалога оперативного персоналас УВМ в процессе управления, для выработки наиболее эффективных решений. Болеевысокой степенью автоматизации функции управления, включая пуск и остановкупроизводства.
Глобальная цель управления ТОУс помощью АСУТП состоит в поддержании экстремального значения критерияуправления при выполнении всех условий определяющих множества допустимыхзначений управляющих воздействий. Прямое решение такой задачи оптимальногоуправления возможно лишь для относительно простых ТОУ. В большинстве же случаевприходится производить декомпозицию глобальной цели управления на ряд частныхслучаев. Для достижения каждой из них требуется решения более простой задачиуправления, меньшей размерности.
По мере осуществлениямеханизации производства сокращается тяжёлый физический труд, уменьшаетсячисленность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличиваетсяпроизводительность труда и т.д.
В механизированномтехнологическом процессе человек продолжает принимать непосредственное участие,но его физическая работа сводится лишь к нажатию кнопок, поворота рычагов ит.п. Здесь на человека возложены функции управления машинами. Автоматизацияприводит к улучшению основных показателей: эффективности производства,увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемойпродукции.
1. Характеристика объектаавтоматизации
1.1 Описаниетехнологического процесса
1.1.1 Описание процессаоксиэтилирования алкилфенолов
Реакция оксиэтилированияалкилфенолов проводится в реакторах периодического действия поз. SA-201А, В.
Реакторный блок состоит изтрех параллельных реакционных узлов, которые работают со сдвигом по времени, тоесть в первом реакторе идет загрузка сырья, во втором – реакция, в третьем – выгрузкаготового продукта. Таким образом обеспечивается более равномерный выходпродукта.
Каждый реакторный узел состоитиз трех цилиндрических горизонтальных аппаратов поз. SA-201А, В, расположенныхна двух уровнях.
Нижний аппарат поз. SA-201Аслужит для приема сырья и сбора продуктов реакции, а верхние аппараты поз. SA-201Вслужат для проведения реакции оксиэтилирования в паровой фазе.
Как нижний, так и верхниеаппараты реактора снабжены обогревающими «рубашками». При необходимости обогревпроизводится паром 1,6 МПа реакторов поз. SA-201В, С 0,2 МПа реакторов поз. SA-201Адля поддержания температуры продукта 120оС. Cброс конденсата низкогодавления производится в емкость поз. SR-705, среднего давления- в емкость поз. SR-704.
Реакционные верхние аппараты поз.SA-201В, С оснащены распылительными соплами для ввода реагирующей массы и окисиэтилена.
Внутри нижнего аппарата поз. SA-201Атакже предусмотрены распылительные сопла для подачи циркулирующей массы.
Реакция оксиэтилированияалкилфенолов – периодическая операция, состоящая из нескольких стадий:
1 Загрузка катализированыхалкилфенолов.
2 Начало реакции.
3 Реакция оксиэтилирования.
4 Выдержка и выгрузка готовогопродукта.
5 Опорожнение реактора.
Каждая стадия включает в себяряд последовательных мероприятий и, в зависимости от марки получаемых неонолов,время проведения реакции может варьироваться.
Процесс оксиэтилирования алкилфеноловпротекает следующим образом.
Перед приемом катализированныхалкилфенолов в реактор поз. SA-201А необходимо проверить содержание кислорода вреакционной системе, для чего через клапан поз. 9–3 подать азот в реакторы поз.SA-201А, В, С и создать избыточное давление 0,01?0,03 МПа. Анализатором поз. 8–5 определяется содержаниекислорода, которое должно быть не более 0,015% масс.
При удовлетворительном анализена содержание кислорода в реакторе поз. SA-201А, В, катализированныеалкилфенолы после теплообменника поз. Е-107А, В с температурой 130?140оС загружаются в реактор поз.SA201А.
Уставка на вихревомрасходомере поз. 1–1 выбирается в зависимости от марки получаемыхоксиэтилированных алкилфенолов. По окончанию отсчета заданного значениязагруженных катализированных алкилфенолов в реактор поз. SA-201А, автоматическизакрывается клапан поз. 1–3, установленный на входе в реактор.
От насоса поз. РС-701А, черезклапан поз. 6–12 конденсатом водяного пара заполняются испаритель поз. Е-201 исепаратор поз. SV-204.
Регулирование уровня всепараторе переводится на автоматический режим от регулятора поз. 6–10.
Циркулирующие алкилфенолыподогреваются за счет подачи пара 1,6 МПа в наружные змеевики реакторов поз. SA-201В,С до температуры 150оС, после чего начинается подача окиси этиленана оксиэтилирование. Расчетное количество окиси этилена выбирается взависимости от марки получаемых оксиэтилированных алкилфенолов иустанавливается на суммирующем расходомере поз. 8–1. С постепенным увеличениемподачи окиси этилена в реакторы поз. SA-201В, С обороты турбонасоса поз. РС-201А,В также увеличиваются с 2400 обмин.
Начало реакции характеризуетсяподъемом давления и температуры в реакторе. Процесс оксиэтилирования протекаетс выделением тепла, которое отводится в испарителе поз. Е-201 за счет вскипанияконденсата водяного пара. Система охлаждения действует по принципу естественнойциркуляции, парожидкостная смесь сепарируется в сепараторе поз. SV-204, пар поступаетв коллектор водяного пара с давлением 0,2 МПа, а конденсат возвращается виспаритель. Подпитка системы конденсатом производится из емкости поз. SR-701насосом поз. РС-701А, В.
Температура реакционной смесина выходе из испарителя поз. Е-201 выдерживается регулятором поз. 3–1, регулирующийклапан которого поз. 3–4 установлен на выходе вторичного пара из сепаратора поз.SV-204.
Реакция оксиэтилированияалкилфенолов проводится при температуре 160?190оС и давлении 0,4?0,7 МПа.
Регулирование реакцииоксиэтилирования и контроль за параметрами протекания процесса осуществляетсясложной системой регулирования, контроля и блокировок.
При выходе параметровтемпературы, давления, уровня за регламентные значения при проведении реакцииоксиэтилирования происходит закрытие клапана поз. 6–5, установленного на линииприема окиси этилена в реакторы поз. SA-201В, С. По окончании отсчетазаданного значения окиси этилена, загружаемого в реакторы поз. SA-201В, Савтоматически закрывается клапан поз. 8–8, установленный на входе в реакторы.Уровень в реакторе контролируется уровнемером поз. LR-8–6, установленном нареакторе поз. SA-201А.
Давление в системе по мерепротекания реакции изменяется и проходит через 5 стадий:
1 – создание давления вреакторе азотом и загрузка сырья.
2 – повышение давления настадии инициирования реакции.
3 – подъем давления дозаданного значения проведения реакции.
4 – падение давления в периодвыдержки после окончания реакции.
5 – падение давления привыгрузке продукта турбонасосом.
Датчик регулятора давления поз.8–2 установлен на газовом трубопроводе реактора поз. SA-201А, В, С. Наприборе устанавливается значение общей уставки на стадии инициирования ипротекания реакции.
Изменение же давления по всемстадиям выдерживается по программе, в зависимости от времени операции.
При протекании 2-ой и 3-ейстадии реакции регулятор давления непрерывно определяет разность между уставкойдавления и значением давления в измеряемый момент. Через систему дешифраторовпередается сигнал на клапан поз. 8–8, установленный на трубопроводе подачиокиси этилена в реакторы поз. SA-201В, С.
Датчик регулятора температуры поз.6–2 установлен на трубопроводе выхода реакционной смеси из реактора поз. SA-201Ак турбонасосу поз. РС-201А, В.
При протекании реакциитемпература, так же как и давление, изменяется по стадиям:
1 – температура загрузкисырья.
2 – температура инициированияреакции.
3 – температура протеканияреакции.
На 2-ой и 3-ей стадияхпроведения реакции регулятор температуры
непрерывно определяет разностьмежду значением уставки температуры и значением температуры в данный момент.Через систему дешифраторов оказывается регулирующее воздействие на клапан окисиэтилена поз. 6–5.
В случае увеличениятемпературы или давления выше установленных происходит снижение расхода окисиэтилена и таким образом выдерживаются заданные режимные значения температуры идавления в реакционном узле.
По окончании приема окисиэтилена в реакторы поз. SA-201В, С циркуляция реакционной массы черезиспаритель поз. Е-201 продолжается для достижения максимального поглощенияокиси этилена, имеющейся в объеме реакторов. Процесс выдержки характеризуетсяпадением давления и его стабилизацией на уровне 0,1?0,25 МПа, а также снижением температуры навыходе из реактора поз. SA-201А до 160?165оС.
Далее производится опорожнениереактора поз. SA-201А от готового продукта, для чего производится переключениеклапанов:
– открываются клапаны поз.17–4, 16–3 на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов в резервуар поз. SR-301;
– открывается клапан поз.10–5 на линии откачки оксиэтилированных алкилфенолов от турбонасоса поз. РС-201А,В в резервуар поз. SR-301;
– закрывается клапан поз.10–7 на линии циркуляции от турбонасоса поз. РС-201А, В в испаритель поз. Е-201;
– открывается клапан поз.10–11 на линии опорожнения испарителя поз. Е-201;
– открывается клапан поз.10–3 на линии опорожнения реактора поз. SA-201А.
При минимальном уровне вреакторе поз. SA-201А срабатывает блокировка поз. 10–1, что ведет к закрытиюклапана на линии подачи пара 0,2 МПа в турбину поз. ТР-201А, В и остановутурбонасоса.
При окончательном освобожденииреактора поз. SA-201А производится следующее переключение клапанов:
– открывается клапанопорожнения линии нагнетания турбонасоса поз. РС-201А, В-поз. 10–9 в линиювсаса насоса поз. РV-201А, В;
– открывается клапан навходе циркулирующей массы в испаритель поз. Е-201, поз. 10–7;
– закрывается клапан налинии откачки готового продукта от турбонасоса поз. РС-201А, В; поз. 10–5 врезервуар поз. SR-301;
– открывается клапан налинии откачки готового продукта от насоса поз. РV-201А, В; поз. 10–13 врезервуар поз. SR-301.
Включается в работу насос поз.РV-201А, В и производится окончательное освобождение реактора поз. SA-201А, В,С от готового продукта в резервуар поз. SR-301, после чего производитсяобратное переключение всех клапанов в начальное положение.
Реакторный блок готов кпроведению следующего цикла реакции. С целью исключения накоплениянесконденсировавшихся паров окиси этилена существуют схемы освобожденияреактора от этих паров вакуум-насосом поз. РAL-201А, В. Выброс газовойфазы производится через сепаратор поз. SV-201 в коллектор ВД-7 и далее в скрубберпоз. С-801. Технологическая вода после вакуум-насосов возвращается в емкость поз.SR-501.
Для освобождения реактора ваварийной ситуации или при получении несоответствующей продукции имеетсявозможность вывода продукта из реактора насосом поз. РС-201А, В в резервуар поз.SR-304, а также приема несоответствующей продукции из резервуара поз. SR-304 вреактор поз. SA-201А на переработку.
1.1.2 Узел деаэрации инейтрализации оксиэтилированных алкилфенолов
Резервуар поз. SR-301предназначен для приема и усреднения партий оксиэтилированных алкилфенолов,полученных в реакторах поз. SA-201А, В, С за счет постоянного перемешиваниямешалкой поз. АG-301.
Температура в резервуаре поз. SR-301поддерживается в пределах 100?150оСрегулятором поз. 21–1, клапан которого установлен на линии подачи пара 0,2 МПав наружный змеевик резервуара со сбросом конденсата в емкость поз. SR-705.Уровень в резервуаре поз. SR-301 контролируется уровнемерами поз. 16–1, клапанкоторого поз. 16–3 установлен на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов.Из резервуара поз. SR-301 оксиэтилированные алкилфенолы насосом поз. РС-301А, Вподаются на деаэрацию для удаления «следов» окиси этилена и азота в деаэратор поз.SA-301. Уровень в деаэраторе поддерживается регулятором поз. 18–1, клапанкоторого установлен на линии приема оксиэтилированных алкилфенолов изрезервуара поз. SR-301. Температура в деаэраторе выдерживается в пределах 80?135оС регулятором поз. 22–1,клапан которого установлен на входе термостатированной воды в его наружный змеевик.
Деаэрация обеспечивается засчет распыления оксиэтилированных алкилфенолов на входе в аппарат под вакуумоми постоянного перемешивания продукта мешалкой поз. AG-303.
Поддержанию температуры иуровня в деаэраторе поз. SA-301 также способствует наличие линии циркуляции отнасоса поз. РС-301А, В.
Давление в деаэраторевыдерживается в пределах 3724?6650Па вакуумным насосом поз. PAL-303А, В за счет регулирования подачей охлажденнойтехнологической воды в жидкостное кольцо насоса. Сброс жидкой и газовой фаз отнасоса поз. РАL-303А, В осуществляется в сепаратор поз. SV-301.
В сепараторе поз. SV-301происходит разделение газовой и жидкой фаз, газы сбрасываются в скруббер поз. С-801на поглощение, жидкая фаза – сливается в емкость поз. SR-501.
Уксусная кислота периодическипринимается со склада кислот и щелочей тит. 1221 цеха №2811 в емкость поз. SR-302.
Уровень в емкости поз. SR-302выдерживается и контролируется измерителем поз. 13–1, который связан с клапаномпоз. 13–3, установленным на линии приема уксусной кислоты. При минимальномуровне в емкости поз. SR-302 клапан поз. 13–3 открывается и производится приемуксусной кислоты, при максимальном – закрывается. Из емкости поз. SR-302уксусная кислота периодически подается в расходную емкость поз. SR-303.
Уровень в емкости поз. SR-303выдерживается и контролируется измерителем поз. 12–1, который связан с клапаномпоз. 12–3, установленным на линии приема уксусной кислоты. При минимальномуровне в емкости поз. SR-303 клапан поз. 12–3 открывается и производится приемуксусной кислоты, при максимальном – закрывается.
Из деаэратора поз. SA-301щелочные оксиэтилированные алкилфенолы насосом поз. РС-302А, В подаются на нейтрализациюуксусной кислотой в смеситель поз. МХ-301А через вихревой расходамер поз. 23–1,связанный с регулятором подачи уксусной кислоты и дозировочным насосом поз. РД-305А,В из емкости поз. SR-303.
Подача уксусной кислотыизменяется за счет регулирования производительности насоса поз. РД-305А, В.
Нейтрализированныеоксиэтилированные алкилфенолы после смесителя поз. МХ-301А охлаждаются втеплообменнике поз. Е-301А, В до температуры 75?85оС и подаются на товарно-сырьевой склад цеха №2805для хранения и отгрузки.
Температура оксиэтилированныхалкилфенолов после теплообменника поз. Е-301А, В выдерживается регулятором поз.24–1, клапан которого установлен на линии подачи термостатированной воды втеплообменник поз. Е-301А, В.
Таблица 1 – Описание сырьевыхпотоков и вспомогательных потоковN Наименование Показатели качества, обязательные для проверки Норма 1 2 3 4 1
Сырье:
Моноалкилфенолы на основе тримеров пропилена С15Н23ОН
1. Внешний вид
2. Цветность, единицы йодной шкалы, не более
3. Массовая доля моноалкилфенолов, %, не менее
4. Массовая доля диалкилфенолов, %, не более
5. Массовая доля фенола, %, не более
6. Массовая доля воды, %, не более
Маслянистая жидкость
10
98,0
1,0
0,1
0,05 2 Этилена окись
1. Массовая доля этилена окиси, %, не менее
2. Массовая доля воды, %, не более
3. Массовая доля альдегидов в пересчете на ацетальдегид, %, не более
4. Цвет единицы Хазена, не более
99,9
0,01
0,01
10 3
Вспомогательные материалы:
Кислота уксусная
синтетическая и регенированная СН3СООН
1 Внешний вид и цвет
2 Растворимость в воде
3 Массовая доля уксусной кислоты, %, не менее
Бесцветная прозрачная жидкость без механических примесей
Полная, раствор прозрачный 99,5 4 Азот газообразный 1 Объемная доля азота, %, не менее 99,95
1.2 Основные характеристикии особенности технологического объекта с точки зрения задач управления
В качестве объекта управленияпринята установка, состоящая из реакторов SА-201А, В, С, испарителя Е-201,сепаратора SV-204, емкостей SR-301, SR-304, деаэратора SA-301, смесителей МХ-301А,В, теплообменника Е-301А, В, емкостей SR-302, SR-303.
Для установки полученияоксиэтилированных алкилфенолов в качестве критерия управления ставитсяследующая задача управления процессом – получение на выходе оксиэтилированных алкилфеноловзаданного качества с минимальными энергозатратами: по пару, по оборотной водепри обеспечении безаварийности и пожаровзрывобезопасности производства.
Технологический процессполучения оксиэтилированных алкилфенолов относится к пожаро- и взрывоопаснымпроизводствам. Взрывоопасность производств в наибольшей степени обусловленафизико-химическими свойствами применяемого сырья, конечных и побочныхпродуктов, полупродуктов. По пожарной опасности наружная установка полученияоксиэтилированных алкилфенолов принадлежит к категории «Ан», а помещениеоператорной к категории «Г». Согласно ПУЭ класс пожароопасной зоны: наружнойустановки В-1г, операторной П-IIВТ2.
Таблица 2 – Характеристика веществ, применяемых и получаемых на узле полученияоксиэтилированныхалкилфеноловНаименование сырья, полупродуктов, готовой продукции Класс опасности Характеристика токсичности
ПДК, мг/м3 1 2 3 4 Алкилфенол 4 Моноалкилфенолы не обладают аллергонными свойствами, но при попадании на кожные покровы вызывают раздражение. 93 Кислота уксусная 3 Легковоспламеняющаяся жидкость с резким запахом уксуса. Растворы уксусной кислоты концентрации 30% и выше при соприкосновении с кожей вызывают ожоги. Пары раздражают слизистые оболочки дыхательных путей. 5,0 Окись этилена 2 Окись этилена оказывает наркотическое действие, вдыхание окиси этилена в концентрациях, превышающих ПДК, может привести к острому отравлению и хронической интоксикации. Окись этилена оказывает раздражающее действие при попадании на кожные покровы, слизистые оболочки верхних дыхательных путей и глаз. 1,0
Таблица 3 – Категориии группы взрывоопасных смесей, газов и паров№ Наименование наружной установки Категория и группа взрывоопасных смесей Наименование веществ, определяющих категорию и группу взрывоопасных смесей Средства пожаротушения 1 2 3 4 5 1 Наружная установка участка 01 Ан окись этилена ППА, ЛС-1, ЛС-2, огнетушители: ОУ-5, ОУ-6, ящик с песком, кошма 2 Закрытая насосная №1 участка 01 А окись этилена ППА, огнетуши-тели: ОУ-5, ОУ-6, ОУ-80, ящик с песком, кошма 3 Закрытая насосная №2 участка 02 в осях 4?14 Б уксусная кислота, щелочь, окись этилена ППА, огнетуши-тели: ОУ-25, ОУ-80, ОУ-5, ОУ-6, ящик с песком, кошма 4 Наружная установка участка 02 в осях 4?14 Ан окись этилена, уксусная кислота, щелочь ЛС-3, огнетушители: ОУ-5, ОУ-6, ящик с песком, кошма 5 Наружная установка участка 02 в осях 15?21 Ан уксусная кислота, щелочь ЛС-4, огнетушители: ОУ-5, ОУ-6, ящик с песком, кошма
Таблица 4 – Техническая характеристика оборудования№ Наименование оборудования Номер позиции по схеме Количество Техническая характеристика 1 2 3 4 5 1 Реактор с наружным змеевиком для приема катализируемого алкилфенола с узла деаэрации, защелачивания и осушки алкилфенола, а также приема реакционной массы с аппаратов поз. SA-201В, С SA-201А 1
Давление расчетное, кгссм2:
– в аппарате 7,0
– в рубашке 20,0
Температура разрешенная, оС:
– в аппарате 190
– в рубашке 133 2 Реактор с наружным змеевиком для проведения реакции оксиэтилирова-ния в паровой фазе SA-201В, С 2
Давление расчетное, кгссм2:
– в аппарате 7,0
– в рубашке 16,0
Температура разрешенная, оС:
– в аппарате 190
– в рубашке 230 3 Испаритель кожухотрубчатый для съема тепла реакции оксиэтилирования путем теплообъема между реакционной смесью и конденсатом водяного пара Е-201 1
Давление расчетное, кгссм2:
– в трубном пространстве 3,5
– в межтрубном пространстве 11
Температура разрешенная, оС:
– в трубном пространстве 128
– в межтрубном пространстве 190
Химические реакторы с позициизадач управления являются сложными объектами с нелинейными статическимихарактеристиками.
По тепловым характеристикамреактора являются экзотермическими, т.е. в них протекает реакция с выделениемтепла. При экзотермической реакции даже небольшое изменение температуры вреакторе может привести к значительным изменениям степени конверсии. Такиеизменения могут повлиять также на устойчивость процесса, если выделенное приреакции количество тепла не сможет быть скомпенсировано соответствующимизменением скорости отводимого тепла. Поэтому экзотермические реакторы требуютпостроения автоматизированной системы регулирования температурного режима,быстродействующей и высокоточной.
Данное производство похарактеру сырья и получения продуктов, а также в связи с наличием углеводородовс высокими энергетическими потенциалами, относятся к категории пожаро- ивзрывоопасных производств, что обуславливает необходимость противоаварийнойзащиты.
Данная установка относится к ТОУ с переодическимхарактером производства.
Трудность регулирования процесса объясняется частотой иамплитудой возмущений. Реальные объекты управления подвергаются возмущающимвоздействиям, которые нарушают нормальный ход процесса в объекте. Различаютвнешние и внутренние возмущающие воздействия.
Внешние возмущающие воздействия проникают в объектыуправления извне: вследствие изменения входных параметров, некоторых выходных,а также параметров окружающей среды.
Внутренние возмущающие воздействия возникают в самомобъекте управления, например, при загрязнении и коррозии внутреннихповерхностей аппарата.
При управлении процессомособое внимание следует обратить на внешние возмущающие воздействия, так какони поступают в объект чаще, чем внутренние, нередко имеют ступенчатыйхарактер, большую амплитуду изменения и в ряде случаев могут быть устранены допоступления в объект.
В объекте имеют место такие возмущения, какизменение начальных параметров реагентов, а также теплоносителей, изменение свойствтеплопередающих поверхностей, осаждение веществ на стенках, изменение свойствкатализатора и т.д. Кроме того, на технологический режим реакторов,устанавливаемых на открытых площадках, влияют колебания температурыатмосферного воздуха.
Поэтому для решения задачи управления принимаемСУ на основе микропроцессорной технике.
Поскольку затраты являютсяодной из самых существенных составляющих в себестоимости продукции, задачаавтоматизации установки часто ставится как задача оптимального управления, которойподчиняются задачи автоматического регулирования отдельных параметров.
Показателем эффективностипроцесса является концентрация целевого продукта. Целевым продуктом является неонол,а целевое управление – снижение потерь сырья, вспомогательных продуктов.
2. Анализ существующей системы автоматизации технологическогопроцесса2.1 Анализ организационно-технической структуры
алкилфенол технологический автоматизацияоксиэтилирование
В производстве реализованараспределенная структура управления процессом, основанная на использованиилокальных одноконтурных автоматических системах регулирования. Эти системывыполняют следующие функции:
– сбор и первичнаяобработка информации от датчиков;
– регистрация и индикацияпоказаний датчиков;
– автоматическое и ручноеуправление параметрами процесса;
– сигнализация иблокировка вышедших за пределы параметров, регистрация их.
АСУ ТП завода реализует информационные функции:
– опрос групповых преобразователей и первичнаяпереработка информации;
– средние значения в смену, сутки, месяц;
– суммарное значение параметров за смену,сутки, месяц;
– расчеты технико-экономических показателей.
На производстве используютсяприборы и средства автоматизации фирмы Kent, которые отвечают требованиямсовременного управления, используют аналоговые и дискретные электрическиеунифицированные сигналы для передачи информации:
– термометр сопротивленияТСП с градуировкой 50П;
– нормирующийпреобразователь TC-Rсм2.
Приборы, использующиеся вданной разработке, обладают рядом преимуществ: высокая точность,быстродействие, простата настройки. Но система управления недостаточна гибка,чтобы решать оптимизационные задачи, недостаточно быстра для решениямногоконтурных задач.
Приборы контроля исигнализации вынесены на центральный щит.
В качестве регулирующихустройств используются пневматические клапана фирмы «MASONEILAN s.p.a Italy»серии 10000 с пневматическими позиционерами серии 7400 и серии 4600 ипневматические клапана CAMFLEX II серии 35002.
2.2 Анализ существующейсистемы автоматизации
Существующая системаавтоматического управления создана по иностранному проекту и не учитываетотечественной организации производства. Она реализована на локальныходноконтурных системах регулирования. Несущий информационный сигнал 4–20 мАпостоянного тока, что на время разработки системы являлось большим шагом впередпо сравнению с отечественными системами, использовавшими пневматическиесигналы.
АСУТП реализована наотечественных системах, функции АСУТП только информационные.
Приборы используют различнуюградуировку шкал, и она не всегда даёт достаточную информацию, что затрудняетработу оперативного персонала.
Существующая системаблокировок и защит достаточно эффективна, но приводит к немедленному останову иневозможности быстрого пуска.
Используется большоеколичество ручного дистанционного управления.
Проблемы возникают сустаревшими вторичными приборами КИП:
– низкие метрологическиехарактеристики;
– истекший срок службы;
– механический износподвижных частей.
Существующая системаавтоматизации не реализует функции верхних уровней управления, слабоиспользуется многосвязное управление, что приводит к большому участиюоперативного персонала, склонному к субъективным ошибкам. Не используютсякомпенсации возмущений на входах и выходах объектов регулирования.
Некоторые параметры контроля ирегулирования, выбраны таким образом, что не всегда обеспечивается качественноеуправление процессом. Это, прежде всего, объясняется недостаточным уровнемтехнических средств и построением системы управления на базе релейных схем.
Отсутствие приборов качественного анализа, аточнее сказать невозможность их использования, вследствие их износа иневозможностью правильной работы, привело к большому запаздыванию внесениярегулирующих воздействий и пересмотру уставок регулирования. Это привело кснижению оперативности в управлении качеством.
Вследствие частых отказов и нестабильной работыоборудования в последнее время часто возникает потеря важных технологических итехнико-экономических показателей, снизилась надёжность системы управления, чтов конечном итоге может привести к инцидентам и авариям.2.3 Выводы по необходимости модернизации системыПосле анализа существующейсистемы управления на производстве приходим к следующим результатам:
- настоящаясистема управления не удовлетворяет нормам и требованиям, предъявляемым ксовременным производствам, управлению и эксплуатации;
- врезультате физической и моральной изношенности оборудования невозможнодальнейшее наращивание производства, улучшения качества выпускаемой продукции;
- всоответствии с возрастающей потребностью предприятия в оперативной информации,появилась необходимость создания информационной сети, связывающей всеподразделения ОАО «НКНХ»;
- настоящаясистема управления не способна вести чёткий контроль расхода сырья иматериалов, а также экономить энергоресурсы.
Основным направлением модернизации существующейСАУ является модернизация схемных методов регулирования, использование приборовэлектрической системы, имеющих малую погрешность и большое быстродействие, а также применение АСУТП. Существующая система автоматизации может быть переведена наАСУТП на нижний уровень иерархического управления.
В качестве управляющей системы предлагаетсяинтегрированная система управления производством «CENTUM CS 3000» японской фирмы«YOKOGAWA». Все приборы, участвующие в управлении процессом, предлагаетсявыбрать марки этой же фирмы, так как все их показатели соответствуюттребованиям, предъявляемым к современному ведению технологическим процессом.
2.4 Постановка задачидипломного проектирования
Целью модернизации системы управления процессомявляется повышение технико-экономических показателей работы технологическогооборудования за счет усовершенствования системы контроля и управления,направленного на достижение оптимальных режимов работы объекта за счет заданнойточности поддержания технологического регламента в любых условиях производствапри соблюдении надежной безаварийной работы оборудования и требований взрыво- ипожаробезопасности.
Целью управления при ведении технологическогопроцесса является высокоэффективная работа технологического объекта управления.
Эффективность работы оценивается значениемкритерия управления – показателем, характеризующим функционированиетехнологического объекта управления в целом и принимающим числовые значения взависимости от возмущающих и управляющих воздействий.
Для установки производства оксиэтилирования алкилфенолов в качествекритерия управления ставится следующая задача управления процессом: получениецелевого продукта заданногокачества с минимальными энергозатратами при обеспечении безаварийности ипожаровзрывобезопасности производства.
Для реализации данной задачи необходимо:
– проанализировать установки производства;
– разработать и обосноватьмодернизированную функциональную схему системы управления производством оксиэтилированияалкилфенолов с целью повышения качества регулирования;
– разработать структуру АСУ ТП и еётехническое обеспечении современными средствами автоматизации. Обосновать ихвыбор;
– провести анализ работоспособностипроектируемой АСУ ТП.
3. Разработка системы управления технологическим процессом3.1 Формулировка критерия управления иограничений Постановка задачи управления процессом
Целью управления при ведении технологического процессаявляется высокоэффективная работа технологического объекта управления. Эффективностьработы оценивается значением критерия управления – показателем, характеризующимфункционирование технологического объекта управления в целом и принимающимчисловые значения в зависимости от возмущающих и управляющих воздействий.
Спецификой автоматизации массообменных процессов являетсято, что они очень сложны в управлении и стоимость сырья и конечных продуктов достаточновелика, поэтому система автоматизации должна способствовать упрощению управленияпроизводством, повышению пожаровзрывобезопасности, снижению затрат на сырье приболее полном его использовании и снижении брака, при условии обеспечениязаданного качества продуктов. Тогда возможная словесная постановка задачи принахождении оптимального режима работы такова – требуется выбрать режим работыреактора таким, чтобы при заданной общей производительности и заданныххарактеристиках конечных продуктов, затраты на их получение были минимальными.Одной из основных задач производства оксиэтилирования алкилфенолов являетсяполучение целевого продукта заданного качества с минимальными энергозатратами при обеспечениибезаварийности и пожаровзрывобезопасности производства.
В данном случае, как объектуправления, будем рассматривать узел оксиэтилирования алкилфенолов. В реактореSA-201A, B, C происходит процесс смешения. Показателем эффективности процессасмешения является помутнение компонента в смеси, а цель управления будет получениесмеси с определённой степенью помутнения этого компонента. В реактор SA-201A,B, C могут поступать возмущающие воздействия, поэтому следует регулироватьнепосредственно температуру смеси Qсм, внося регулирующеевоздействие изменением расходов окиси этилена, катализированного алкилфенола, греющегопара поступающего в рубашки реакторов SA-201А, B, C. В данном случае будемрегулировать концентрацию неонола марки АФ9–9. Значение получаемой маркинеонола задается оператором.
На основе этих переменныхможно представить структурную схему объекта управления на рис. 3.1.
/>
Рис. 3.1. Структурнаясхема объекта управления
Основной выходной координатой– «у» является расход неонола с заданной степенью помутнения.
Основными входнымикоординатами является расход катализированного алкилфенола – х1, расход окисиэтилена – х2, расход греющего пара в рубашки реакторов – х3. Кроме того, объектподвержен неконтролируемым возмущениям: изменение температуры и давлениеокружающей среды – z1, изменение давления в реакторах – z2, изменение давленияв коллекторе пара на обогрев аппаратов – z3, старение оборудования – zn и т.д. Критерийуправления:
При действии на объект вектора возмущений Z нужно найти векторуправляющих воздействий U*= минимизирующий значение целевой функцииQ:
Q*=min Q,
при соблюдении ограничений на входные переменные процесса:
R1≥0
…
…
…
Rk ≥0.
Таким образом, мы подходим ккритерию эффективности управления процессом. Критерием эффективности объектауправления является получение сырья заданной степени помутнения, с минимальнымиэнергозатратами при обеспечении безаварийности и пожаро – взрывобезопасностипроизводства.
Q Qзад. при min.энергозатрат.
Целевая функция численно выражает нашу заинтересованность в томили ином режиме объекта.
В качестве целевой функции принимаем критерий, имеющий технологическуюприроду – производительность установки, показатели качества получаемогопродукта.
При заданном объеме выпуска конечной продукции критерий приметвид:
Q=/>→ min,
где Цi – цена i-го вида материала или энергии;
Gi – количество израсходованного за год i-го вида исходных материаловили энергии;
m – количество затрачиваемых в процессе параметров.
3.2 Выбор и описание структурной схемы системы автоматизации
АСУ ТП должна способствоватьвыполнению основной задачи управления процессом. Система обеспечивает централизованный контроль работы технологическихагрегатов, сигнализацию отклонений параметров от регламентных норм,дистанционное управление исполнительными механизмами, регулирование отдельныхтехнологических параметров, защиту технологического процесса и оборудования привозникновении аварийных ситуаций, формирование и печать протокола нарушений исообщений, формирование и печать отчётных документов.
Исходя из основной задачи управлениятехнологическим процессом, предлагается использовать трехуровневуюраспределенную систему управления.
Структурная схема предлагаемой системыразбивается на 3 уровня:
1) уровень датчиков и исполнительныхмеханизмов;
2) уровень контроллеров;
3) уровень ЭВМ.
Уровень датчиков и исполнительных механизмов.
На этом уровне реализуютсяследующие функции:
1) непрерывное измерение технологических параметров;
2) первичная обработка информации;
3) передач полученной информации о состояниитехнологического объекта на следующий уровень в аналоговом виде.
Первичная обработка включает всебя следующие операции:
1) линеаризация выходныхсигналов датчиков с нелинейными или слабо линейными характеристиками и ихмасштабирование;
2) фильтрация выходныхсигналов датчиков от высокочастотных помех, искажающих полезный сигнал;
3) проверка исходнойинформации на достоверность и коррекция результатов измерений;
4) коррекция показанийдатчиков при отклонении условий измерений от расчетных.
На уровне датчиковпредлагается использовать интеллектуальные датчики. Тенденция их развития,связанная с расширяющимися возможностями встроенных в них микропроцессоров,заключается в передаче им от контроллеров всё большего числа простейших типовыхфункций контроля и управления.
Уровень контроллеров.
Это специализированная сетьмикропроцессорных контроллеров РСУ и ПАЗ, ориентированная на автоматизированноеуправление производственными процессами в режиме реального времени ивыполняющая следующие функции:
1) сбор информации с нижнего уровня;
2) обнаружение отклонений текущих значенийпараметров за пределы допускаемых значений, сигнализация и регистрация при их наличии;
3) расчет оптимальных значенийтехнологических параметров;
4) расчет не измеряемых величин иобобщенных показаний;
5) реализация сложных законов управления иосуществление оптимального управления процессом по критериям управления;
6) формирование управляющих воздействий позаконам регулирования, с целью стабилизации параметров;
7) обмен информацией с рабочими станциями промышленного исполнения;
8) прием управляющих воздействий отрабочих станций и выдача их на исполнительные механизмы;
9) непрерывный самоконтроль в процессеработы и подробная самодиагностика при обнаружении неисправностей;
11) ведение информационной базы данных.
Уровень ЭВМ.
Рабочие станции промышленногоисполнения включают станцию оператора истанцию инженера.
Станция оператора выполняет следующиефункции:
– управление в реальноммасштабе времени технологическим процессом;
– визуализация состояниятехнологического оборудования в удобном для восприятия и анализа виде, ведениебазы данных, обработку данных;
– автоматическое и ручноеуправление технологическим процессом;
– сигнализация отклоненийпараметров от регламентных норм;
– расчеттехнико-экономических показателей;
– контроль заработоспособным состоянием системы ПАЗ, регистрация срабатывания системы ПАЗ;
– самодиагностика;
– формирование и выдачапротокола нарушений и сообщений.
Станция инженера выполняетследующие функции:
– задание уставокблокировки;
– дистанционная настройкарегуляторов, установка диапазонов датчиков;
– отладка программ,настройки мнемосхем, трендов и.т.д.;
– связь с другимисистемами автоматизации;
– защита баз данных ипрограммного обеспечения от несанкционированного доступа.
В комплект рабочих станцийвходят печатающее устройство, сенсорные экраны, соединяющие устройства,источники бесперебойного питания, манипуляторы, звуковые устройства, различныенакопители информации.
Связь между уровнем датчиков иуровнем контроллеров АСУ ТП должна осуществляться электрическим способом, спомощью аналоговых и дискретных сигналов.
Связь между уровнем контроллерови уровнем рабочих станций промышленного исполнения должна осуществлятьсякодовым способом посредством специализированных промышленных компьютерных сетейобеспечивающих полный цикл обмена данными между компонентами в пределах однойсекунды. Связь во время управления процессом между контроллерами должнаработать в режиме односторонней передачи информации – от ПАЗ к РСУ.
Уровень рабочих станцийпромышленного исполнения АСУ ТП должна иметь программные и аппаратные средствадля подключения к информационно-управляющей системе завода, организованной набазе протокола Ethernet.
АСУ ТП должна бытьориентирована на работу в жёстком реальном времени, то есть быть предсказуемойи обеспечивать выполнение всех функций точно в срок.
Система должна иметь возможностьоперативного конфигурирования прикладного программного обеспечения на отдельнойинженерной станции без нарушения работоспособности системы, кроме того, системадолжна быть резервируема и полностью автономна.
Функционирование системыдолжно быть рассчитано на круглосуточный режим работы, с остановкой напрофилактику не чаще чем 1 раз в год в период капитального ремонта.
Технические средства ПАЗдолжны быть резервированы. При выходе из строя какого-либо из блоков, системаПАЗ должна автоматически переходить на резервный блок с выдачейсоответствующего сообщения.
Должна быть предусмотренавозможность замены неисправных модулей в оперативном режиме работы системы ПАЗ.Так же система должна иметь автономные средства отображения, регистрацииинформации и архивизации, то есть должна быть автономной.
3.3 Разработка и описаниефункциональной схемы автоматизации технологического объекта управления
Процесс получения оксиэтилированных алкилфенолов включает в себя следующие технологическиеобъекты управления: реакторныйблок SА-201А, В, С, испаритель Е-201, сепаратор SV-204, емкости SR-301, SR-304,деаэратор SA-301, смесители МХ-301А, В, теплообменники Е-301А, В, емкости SR-302,SR-303.
Функциональная схемаавтоматизации разрабатывается на основе действующих инструкций и технологическогорегламента, заказной спецификации на приборы и средства автоматизации,контроллера и сигналов ввода / вывода, соблюдая нормы и требования,предъявляемых к проектированию функциональных схем.
В качестве параметров контролявыбираем те, которые необходимы при пуске, останове и эксплуатации установки,которые дают наиболее полное представление о процессе, при минимальном ихколичестве. Параметры регулирования выбираются из тех параметров, которыеактивно влияют на показатели эффективности и на критерий управления процессом.
Таблица 5 – Показатели технологического режима, сигнализации иблокировокНаименование технологических параметров Единица измерения Предельные значения параметров Контроль Регулирование Сигнализация Блокировка 2 3 4 5 6 7 8 Регулирование расхода катализированного алкилфенола в реакторе SA-201A
м3/ч 72 + + + Контроль давления в сепараторе SV-204 МПа 1 + +
Повышение качествапереходных процессов и повышение качества регулирования возможно за счетусложнения структурных схем регулирования.
Выбор и построение системы ПАЗосуществляется на основе требований Госгортехнадзора ПБ 09–170–97 «Общиеправила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимическихи нефтеперерабатывающих производств»:
1. Надёжность и времясрабатывания систем ПАЗ определяется разработчиком с учётом требованийтехнологической части проекта. При этом учитывается категория взрывоопасноститехнологических блоков, входящих в объект, и время развития возможной аварии.Время срабатывания систем защиты должно быть таким, чтобы исключить опасноеразвитие процесса. В системах ПАЗ запрещается применение многоточечных приборовконтроля параметров, определяющих взрывоопасность производства.
2. Выбор систем ПАЗтехнологических объектов и её элементов осуществляется исходя из условийобеспечения её работы при выполнении требований при эксплуатации, обслуживанию,и ремонту в течение всего межремонтного пробега защищаемого объекта. Нарушениеработы системы управления не должно влиять на работу системы ПАЗ.
3. Системы ПАЗ и управлениятехнологическими процессами должны исключать их срабатывание от случайных икратковременных сигналов нарушения нормального хода технологического процесса,в том числе и в случае переключений на резервный или аварийный источникпитания.
4. Надёжность системы ПАЗобеспечивается аппаратурным резервированием различных типов, временной ифункциональной избыточностью и наличием систем диагностики и самодиагностики.Достаточность резервирования и его тип обосновывается разработчиком проекта.
5. Надежность контроляпараметров, определяющих взрывоопасность процесса, на объектах стехнологическими блоками I и II категорий взрывоопасности обеспечиваетсядублированием систем контроля параметров, наличием систем самодиагностики синдикацией рабочего состояния, с сопоставлением значений технологическисвязанных параметров.
Определим степень риска по немецкомустандарту DIN V 19250 четырьмя факторами, каждый из которых конкретизируетсяуказанным ниже путем.
1. Вероятность аварийного события, связанная с работой средствавтоматизации: W1 – крайне низкая вероятность, W2 – низкая вероятность, W3 – относительновысокая вероятность.
2. Продолжительность нахождения людей в опасной зоне: A1 – редкоенахождение, A2 – частое или постоянное нахождение.
3. Возможный травматизм от аварии: S1 – незначительные травмы, S2 –серьезные травмы нескольких человек, смерть одного человека, S3 – смертьнескольких человек, S4 – катастрофа с большим числом жертв.
4. Предотвращение аварии: G1 – возможно при определенныхобстоятельствах, G2 – невозможно.
Узел получения и первичного фракционирования по степени рискаотносится к 7 классу.
На основании данного класса внедряем системуПАЗ CENTUM CS 3000, которая имеет следующую кодировку архитектуры системызащиты: 2оо4D.
Система ПАЗ CENTUM CS 3000обеспечивает двойное резервирование платы процессора устройства FCU путемиспользования системы дублированного сравнения по принципу «пара+резерв». Этасистема предлагает решение нескольких проблем, которые не могут быть разрешены врамках традиционных систем с двойным резервированием:
– устранение ошибок втекущих вычислениях. Если возникает ошибка в текущих вычислениях вследствиеэлектрических помех или в начальной стадии отказа системы, то схема сравненияобнаруживает ошибку путем сравнения результатов вычислений, получаемых от обоихцентральных процессоров. Если результаты отличаются, то активная платапроцессора и плата процессора, находящегося в резерве, меняются местами.
– безударный переход нарезервную плату. Плата постоянно ведет контрольные вычисления синхронно сосновной платой процессора. Это обеспечивает плавную передачу данных отосновной платы процессора к плате резервного. Это дает возможность пользователюсконцентрироваться на прикладных задачах управления технологическим процессом,не обращая внимания на саму систему.
– высокая надежность.Плата процессора установлена как на левой, так и на правой сторонах. Однаработает в качестве основного процессора, другая – в качестве резервного. Когдаплата процессора обнаруживает и исправляет вычислительную ошибку, она передаетуправление следующим образом:
1) плата процессора имеет 2центральных процессора, каждый из которых выполняет одинаковые вычисления.Схема сравнения сравнивает результаты вычислений, получаемые от обоихпроцессоров в течение всего времени вычислений. Если результаты, полученныеобоими центральными процессорами, совпадают, управление вычислением считаетсяправильным, и данные посылаются в блок основной памяти или на плату интерфейсашины. Блок основной памяти с кодом обнаружений и исправления ошибок исправляетобнаруженные ошибки инвертирования разрядов для предотвращения серьезных ошибокв запоминающем устройстве.
2) Если результаты вычисленийцентральных процессоров не совпадут, управление вычислительным процессомсчитается неправильным и управление передается резервной плате процессора.
3) Благодаря синхронномувыполнению одних и тех же вычислительных операций вместе с основной платойпроцессора, резервный процессор немедленно передает вычисленные данные дляуправления на шинный интерфейс.
4) Плата процессора, накоторой была обнаружена погрешность в вычислениях, производит самодиагностику.Если все нормально, то вычислительная ошибка признается случайной и статусненормальной работы изменяется на статус резервного режима. Резервный процессорвыполняет контрольные вычисления синхронизируя свою работу с управляющимпроцессором.
3.4 Техническое обеспечение
3.4.1 Обоснование выбора иописание технических средств автоматизации
При выборе производителя техническихсредств автоматизации необходимо руководствоваться следующими основнымипринципами, предъявляемые к средствам автоматизации:
– надёжность средствавтоматизации;
– простота обслуживания;
– опыт работы нароссийском рынке фирмы – производителя;
– поддержка различныхпротоколов передачи данных;
– набор выполняемыхфункций.
Полевые приборы КИПиА,участвующие в управлении процессом, предлагается выбрать фирмы YOKOGAWA, таккак по оценкам независимых специалистов данные датчики являются лучшими в планеих надежности, точности и быстродействия. Это интеллектуальные датчики, имеющиеряд преимуществ: углубленную диагностику непосредственно в датчике, позволяющуюбыстро определить неисправность; возможность перенастройки шкалы измерения безснятия прибора и без останова технологического процесса непосредственно израбочей станции; более точные показания благодаря применению числовыхвычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента илитемпературной зависимости.
Датчики серии EJA используют вкачестве чувствительного элемента кремниевыймеханический резонатор, что дает следующие преимущества:
– цифровой выходной сигнал считываетсяпрямо в сенсоре, то есть выходной сигнал в виде частоты может быть сразуподсчитан процессором и не требует предварительных преобразований его ваналоговый, а затем в
цифровой;
– высокая стабильность и воспроизводимостьдатчика при практически полном отсутствии гистерезиса после перегрузок;
– влияние внешних факторов на выходнойсигнал сенсора чрезвычайно мало.
На выбор датчиков серииEJA повлияло также их устойчивость к вибрациям, широкий диапазон измерения иналичие всех российских сертификатов, разрешающих применение в РоссийскойФедерации.
Принцип действия датчиковсерии EJA – в зависимости от знака приложенного давления кремниевый резонаторрастягивается или сжимается, в результате чего частота его собственныхмеханических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебаниямеханического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебанияэлектрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элементаполучается сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления.
Вихревые расходомерыDigitalYEWFLO предназначены для измерения объемного расхода жидкости, пара илигаза.
Принцип действия вихревогорасходомера основан на широко известном природном явлении – образование вихрейза препятствием, стоящим на пути потока.
Минимальный расход, с которогорасходомер начинает четко определять сигнал, соответствует числу Рейнольдсаравном 5000, оптимальные же условия для измерения начинаются с Re>20000,когда частота вихрей становится зависящей только от скорости потока и независит от других параметров, входящих в число Рейнольдса.
Приборы относятся кинтеллектуальной серии, поддерживающей двусторонний обмен информацией по HART-протоколу.Благодаря этому пользователь имеет возможность сам сконфигурировать основныепараметры измерения расхода, давления и настроить выходной сигнал.
В данном вихревом расходомереDigitalYEWFLO применена новая уникальная цифровая электроника, использующаяразработанную фирмой технологию спектральной обработки сигнала «SSP». Благодаряэтому расходомер теперь постоянно анализирует вибрацию, состояние среды внутрисебя и, используя эти данные, автоматически подстраивает режимы обработкисигнала, а также вовремя информирует оператора или устройства верхнего уровня онештатных режимах потока и вибрации, если таковые возникают.
При выборе измерительных преобразователей и измерительныхсредств производства получения оксиэтилированныхалкилфенолов и усреднения партий оксиэтилированных алкилфенолов необходимо учитывать специфику процесса, в частности,такие особенности, как температурный режим, повышенная взрывопожароопасностьтехнологического процесса. Исходя из этого, датчики параметров процесса должныудовлетворять следующим требованиям:
1) должны быть обеспеченнысредствами искробезопасности;
2) должны быть интеллектуального типа с аналоговыми выходами4–20 мА и цифровыми выходами;
3) обладать высокой надежностью;
4) работать в требуемых условиях;
5) высокая точность измерений и достоверностьполученной информации;
6) должны иметь сертификаты Госстандарта РФ.
Руководствуясь этимифакторами, выбраны следующие типы преобразователей:
Вихревой расходомер Digital YEWFLO
Предназначен для измеренияобъемного расхода жидкости, пара или газа. Погрешность: ± 1%. Выходнойунифицированный сигнал: 4–20 мА. Номинальный диаметр: 15–400 мм.Температура рабочей среды: от -400до +1200С. Температураокружающей среды: от -400до +850С. Пылевлагозащищенность:IP 67. Взрывозащищенность: 1ExdIICT6X.
Датчик перепада давленияEJA110A
Предназначен для измерениярасхода, а также для измерения уровня и плотности гидростатическим методом.Погрешность: ± 0,075% шкалы. Выходной унифицированный сигнал: 4–20 мА. Температурапроцесса: от -400до +1200С. Температура окружающейсреды: от -400до +850С. Питание: от 10,5 до 42 В. Пылевлагозащищенность:IP 67. Взрывозащищенность: ЕExdIICT4.
Таблица 6 – Пределы измеренияшкалы
Капсула
Диапазон измерения, кПа
Диапазон перенастройки шкалы, кПа
М
-100…100
0–1…0–100
Н
-500 … 500
0–5…0–500
Датчик перепада давленияEJA310A
Предназначен для измеренияабсолютного давления жидкости, газа, пара.
Погрешность: ±0,075% шкалы.
Таблица 7 – Пределы измеренияшкалы
Капсула
Диапазон измерения, МПа
Диапазон перенастройки шкалы, МПа
А
0 … 0,2
0 …0,01 / 0 … 0,2
В
0 … 2
0 …0,01 / 0 … 2
С
0 … 10
0 …0,05 / 0 … 0,10
D
0 … 50
0 …5 / 0 … 50
Датчик избыточного давленияEJA530A
Предназначен для измеренияизбыточного давления различных сред: жидкости, газа, пара. Погрешность: ± 0,2%шкалы. Выходной унифицированный сигнал: 4–20 мА. Температура процесса: от -400до +1200С Температура окружающей среды: от -400до +850С.Питание: от 10,5 до 42 В. Пылевлагозащищенность: IP 67.Взрывозащищенность: ЕExdIICT6.
Таблица 8 – Пределы измерения/шкалы
Капсула
Диапазон измерения, МПа
Диапазон перенастройки шкалы, МПа
А
0 … 0,2
0 …0,01 / 0 … 0,2
В
0 … 2
0 …0,01 / 0 … 2
С
0 … 10
0 …0,05 / 0 … 0,10
D
0 … 50
0 …5 / 0 … 50
Электропневматическийпозиционер 3582i
Предназначен дляпреобразования электрических сигналов 4–20 мА и 10–50 мА постоянного тока впневматический сигнал для управления клапанами, цилиндрами и другимиисполнительными механизмами. Измеряемый ход: от 10 до 100 мм. Температураокружающей среды: от -300до +850С.Пылевлагозащищенность: IP 63. Взрывозащищенность: ExdsIIB+Н2Т6.
Нормирующий преобразовательYTA70
Предназначен дляпреобразования сигналов низкого уровня в унифицированный выходной сигнал.Преобразователь имеет гальваническую развязку входныхс до 1,5
Мбит вывода и протоколовобмена информацией;
– удобство монтажаоборудования системы и настройки технических средств;
– удобныйчеловеко-машинный интерфейс в виде диалоговых окон и обзорных экранов дляконтроля и управления процессом, что делает систему удобной в эксплуатации;
– возможностьмодернизации системы управления без прекращения работы оборудования;
– непрерывныйсамоконтроль в процессе работы и подробная самодиагностика при обнаружениинеисправностей во время работы сети, каналов, модулей;
– ведениеинформационной базы данных;
– соответствиетребованиям норм взрывопожарной безопасности согласно НПБ 105–03;
– согласованность сдругими системами управления, то есть возможность объединения систем в единуюинформационную сеть в рамках предприятия.
АСУТП на базе средстввычислительной техники должна соответствовать требованиям Госгортехнадзора ПБ09–170–97 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических,нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств», техническому заданию иобеспечивать:
– постоянный контроль запараметрами процесса и управление режимом для поддержания их регламентированныхзначений;
– регистрациюсрабатываний и контроль за работоспособным состоянием ПАЗ;
– постоянный контроль засостоянием воздушной среды в пределах объекта;
– постоянный анализизменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможныхаварий;
– действия средствуправления ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;
– проведение операцийбезаварийного пуска останова и всех необходимых для этого переключений.
Необходимо учесть, что каждаяфирма имеет свою шкалу скидок, зависящую от следующих факторов:
– объёма закупаемыхсредств;
– перспективностипокупателя средств с точки зрения будущих продаж;
– значимости покупателядля ссылок для него в будущих рекламных компаниях;
– метода проведениязакупок.
Сравним микропроцессорныекомплексы, представленные на российском рынке, по некоторым техническимхарактеристикам и выберем наиболее подходящий.
Таблица 9 – Характеристикисистем управленияФирма YOKOGAWA АВВ Emerson Сетевой комплекс контроллеров CENTUM CS 3000 Advant Master Delta V 1 2 3 4 Начало выпуска 1994/98 г. 1993 г. 1997 г. Особенности архитектуры многовариантная сетевая структура верхнего и полевого уровней многовариантность системной сети и контроллеров в комплекс включены интел. приборы, он ограничен по мощности Открытость программам
OLE
DDE
Motif
ОРС
DDE
Motif
SQL
ОРС
ОРС COM/DCOM Active X
ODBC техническим средствам
OPC
Modbus
Siemens
Allen-Bradley
Mitsubish
OPC
Modbus
Siemens
OPC
Modbus
Profibus DP
DeviceNet Информационный уровень Ethernet, выход на FDDI Ethernet − Системный уровень
собств. сеть
V-Net:
длина − 1.5 км,
скорость − 10 Мбит/с,
число узлов − 64
собств. сеть MasterBus:
длина − 2.5 км, скорость − 1–10 Мбит/с,
число узлов − 45 Ethernet Полевой уровень
Fieldbus HI, собств. сеть
RIO bus
собств. сеть
Advant Fieldbus 100 Fieldbus HI, Profibus DP, HART Число вариантов контроллеров 22
8, включая
2 спецконтроллера 2 Число каналов вв/выв 1280 −анал., 4096 −дискр. 170–2500 512 Гальван. развязка
у всех серий групп, а для
ТП и ТC − индив. у всех серий групп индив. у ряда блоков
Выбор системы управления останавливаем на CENTUM CS 3000 фирмы YOKOGAWA, способной осуществлять комплексное управлениекак отдельными технологическими агрегатами и цехами, так и целымипроизводствами, имеющей удобный и легкодоступный интерфейс оператора ипозволяющей с помощью открытой среды со стандартизованными интерфейсами создатьинтегрированную систему управления с существующими компьютерными системамиверхнего уровня.
Одним из факторов выбора данной системыявляется наличие на заводе этилена сертифицированных специалистов по системеуправления CENTUM, что существенно снижает затраты на проектирование,установку и дальнейшую эксплуатацию системы, документация по системе управления CENTUM наиболее полно ихорошо переведена на русский язык.
Описаниераспределенной системы управления CENTUM CS 3000. Измерительно-управляющаясистема CENTUM CS 3000 разработана и производится фирмой YOKOGAWA. В Россиифирма YOKOGAWA поставляет свою продукцию через инжиниринговые фирмы более 30лет, она открыла свое представительство в 1992 г. Кроме того, фирма имееттри представительства в г. Ангарск, Казань. Тобольск и около 10 партнерови дистрибьюторов в разных городах СНГ. Фирма YOKOGAWA имеет сертификаты накачество производства комплексов ISO 9001, сертификат Госстандарта России насредство измерения на основные конструктивы комплекса.
Распределенная системауправления CENTUM CS 3000 является новой системой управления, предназначеннойдля оптимального управления крупнотоннажными производствами. Это открытаясистема, которая, имея расширенные функциональные возможности, предоставляетпользователю открытые гибкие возможности управления.
CENTUM CS 3000 позволяетосуществлять обмен данными между супервизорной системой такой, как системапланирования ресурсами, и системой производства, что позволяет строитьоптимальную стратегию управления всем заводом.
CENTUM CS 3000 предназначена дляобеспечения автоматизации технологических процессов на базе измерительнойинформации, включая сбор и обработку первичной информации о параметрахтехнологических процессов, преобразование хранение и передачу информации наболее высокие уровни управления, вычисление показателей, характеризующихпроцесс, формирование команд и управляющих воздействий, а также сигналов аварийнойзащиты.
Основными достоинствами системы являются:
1) высокая надежность системы, котораяосновывается на отказоустойчивости станции управления, блок управления которойимеет четыре процессора «работающая пара-резерв» и дублированием шины связиV-net и RIO шины. Каждая пара работает параллельно, контролируя правильностьвычислений. Если результаты пары не совпадают, то работа передается резервномуконтроллеру.
2) наличие функции объектного и виртуальноготестирования, позволяющая проверять правильность выполнения инженером схемуправления перед включением их в реальный процесс. Модернизация можетосуществляться без остановки управления технологическим процессом. Виртуальноетестирование осуществляется без участия станции управления участком.
3) наличие специального пакета для управленияпериодическими процессами.
4) эффективный инжиниринг: интерактивнаясистема генерации функций, требующая минимально необходимый ввод данных.Инжиниринг охватывает многочисленные операции, такие как проектированиесистемы, генерация системы применительно к конкретному технологическомупроцессу, запуск, добавление новых схем управления, модернизация уже созданных,создание технологических отчетов, тестирование, сервисное обслуживание.Инжиниринг может производится как на станции оператора, так и на отдельномкомпьютере.
5) возможность реализации на станции управлениясистемы противоаварийной защиты и сигнализации.
Архитектура системы.
Станция управления участком
FCS представляет собой станциюуправления нового поколения. Она объединяет в себе системы управлениятехнологическим процессом, компьютеры и пакетную обработку данных.
Станция FCS состоит из следующегооборудования:
– блок управленияучастком FCU;
– до восьми интерфейсныхблоков с выносными узлами NIU на каждый FCU;
– до пяти модулей вводаОна каждый NIU;
– шина дистанционноговвода-вывода удалено от блока управления, так как модули ввода-вывода,подключенного к рабочим сигналам или подсистемам, а также блока интерфейсаузла.
Блок интерфейса узла NIUпредставляет собой устройство для обработки сигнала. Оно считывает рабочиесигналы ввода-вывода и передает переменные в FCU.
Блок ввода-вывода, вставленныхв гнездо модуля. Возможно использование 4-рех типов модульных гнезд:
– AMN 11: модульноегнездо аналогового ввода-вывода с высокоскоростным сканированием;
– AMN 21: модульноегнездо релейного ввода-вывода и модульное гнездо связи;
Модули ввода-вывода подразделяются на следующие типы:
– аналоговые;
– релейные;
– дискретные;
– мультиплексорные.
Модули вводанапряжения. Данныемодули принимают токовые сигналы 4–20 мА от двухпроводниковых датчиков истандартизированные сигналы 1–5 В.
Таблица 10 – Техническиехарактеристики
Модель
AAM 11
1
2
Количество входных точек
1
Входной сигнал
От 0 до 10 В постоянного тока
От 0 до 20 мА постоянного тока
Входное сопротивление
1Мом при включенном питании
250 Ом
Допустимые входные ток/напряжение
От -10 до 30 В постоянного тока
Не более 40 мА постоянного тока
Питание, подаваемое на датчик
От 25,0 до 25,5 В постоянного тока
Вспомогательный выход напряжения
От 1 до 5 В постоянного тока. Выходное сопротивление: не более 1 Ом. Допустимое сопротивление нагрузки: не менее 10 кОм. Сигнальная земля – общая системой
Точность
Вход напряжения: ± 4 мВ. Токовый вход: ± 16 мкА. Вспомогательный выход напряжения: ± 12 мВ.
Воздействие изменения температуры окружающей среды
При изменении на 10 0С:
Вход напряжения: ± 4 мВ + ±0,15 от заданного значения
Токовый вход: ± 32 мкА
Вспомогательный выход напряжения: ± 24 мВ
Период обновления данных
50 мс
Потребляемый ток
Не более 300 мА
Развязка сигналов
Входные сигналы разных систем развязаны
Способ задания входных сигналов
Задание входных сигналов и их диапазона производится с помощью программной настройки
Модули выходов тока. Модульвыполняет преобразование и выдачу различных токов в диапазоне от 4 до 20 мА.
Таблица 11 – Техническиехарактеристики
Модель
AAM 50
1
2
Количество входных точек
1
Выходной сигнал
От 4 до 20 мА постоянного тока
Выходное сопротивление
Не менее 500 кОм
Допустимое сопротивление нагрузки
От 0 до 750 Ом
Выходной диапазон
От 1,0 до 21,5 мА постоянного тока
Предельное выходное напряжение
Не более 25,5 В постоянного тока
Обнаружение разомкнутого выхода
Не более 0,65 мА постоянного тока
Точность
Токовый вход: ± 48 мкА
Воздействие изменения температуры окружающей среды
При изменении на 10 0С: Токовый вход: ± 32 мкА
Мультиплексорные модули
Данный тип модулей принимаетдо 16 величин напряжения постоянного тока.
Таблица 12 – Техническиехарактеристики
Модель
AАM 12Т
1
2
Количество входных точек
16
Входной сигнал
Напряжение постоянного тока
Входной диапазон
От -10 до 10 В постоянного тока
Допустимое входное напряжение
От -30 до 30 В постоянного тока
Входное сопротивление
1 МОм
Развязка сигналов
Входные сигналы разных систем развязаны. Выдерживаемое напряжение: миним. 1500 В переменного тока.
Период обновления данных
1 с
Точность
± 4 мВ
Воздействие изменения температуры окружающей среды
При изменении на 10 оС:
Напряжение пост. тока: не более ± 8 мВ
Шина RIO
Шина дистанционноговводавывода, которая соединяет процессор станции управления и удаленную частьввода / вывода. Она подключается к FCU с помощью блоков узловыхинтерфейсов.
Таблица 13 – Техническиетребования
1
2
Максимальное количество подсоединяемых устройств
8 узлов
Топология сети
Шинного типа
Резервирование канала передачи
Имеется
Скорость передачи
2 Мбит/с
Передающий кабель
Кабель типа «витая пара»
Волоконно-оптический кабель
Станция оператора
Для сбора данных идиспетчерского контроля используется мощная легко управляемая станция оператора– она выводит на дисплей переменные процесса, управляющие параметры исигнализации, которые необходимы пользователям для быстрой оценки рабочегосостояния установки. Станция оператора также включает в себя открытыеинтерфейсы, позволяющие супервизорному компьютеру получить доступ к даннымтренда, сообщениям и данным процесса.
В качестве станции оператора выбрали персональныйкомпьютер с одним монитором с диагональю экрана 21 дюйм.
В комплект станции операторавходит печатающее устройство, сенсорные экраны, источники бесперебойногопитания, манипуляторы, звуковые устройства, различные накопители информации.
Во всех рабочих станцияхиспользуется процессор Intel Pentium 4. Этот 32-битный процессор хорошоподходит для высокопроизводительного ПО системы CENTUM CS 3000. Имеется до 2 ГБсовременной оперативной памяти с коррекцией ошибок, для ускорения работы 512 КБкэш-памяти с конвейерной пакетной обработкой. ПО CENTUM CS 3000 лучше всегоработает при разрешении 1024 x 768 пикселов или выше. Встроенныйвидеоконтроллер увеличивает производительность видеосистемы и помогает добитьсянужного разрешения. Можно расширить доступную площадь изображения, используядва монитора. Для того, чтобы в проекте автоматизации могла быть реализованазвуковая тревожная сигнализация, на системной плате всех ПК и рабочих станцийустановлена 16-битная звуковая подсистема.
Таблица 14 – Характеристика ПКЦентральный процессор Intel Pentium 4, 2 ГГц или выше кэш 512 КБ, ОЗУ 256 МБ или выше 1 2 Видео Встроенный контроллер 2X AGP с 4 МБ SGRAM 100 МГц Накопители Жесткий диск: 10 ГБ E-IDE или больший CD-ROM: 14/32X E-IDE или выше Дисковод для гибких дисков: 3,5 дюйма, 1,44 МБ WS340 использует SCSI Периферия Двухкнопочная мышь, Клавиатура Windows95, 104 кл. Полнодуплексная аудиосистема на системной плате Условия окружающей среды Рабочий диапазон температур: от 10 °C до 35 °C Относительная влажность: от 8 до 80%. Вибрация 0,25 G с частотой от 3 до 300 Гц в течение 15 минут. Сертификация Соответствует требованиям Канадской ассоциации стандартов, Научно-исследовательской лаборатории Национального совета компаний по страхованию от огня; маркировка CE электромагнитной совместимости в соответствии с директивой EEC 89/336.
Сеть V – net
Сеть V-net является вычислительной сетьюуправления в реальном времени. Она соединяет станции управления типа FCS сдругими станциями, такими как HIS, ICS, ABC и ACG. Конфигурация сети основанана стандарте IEEE 802.4. Применяется полностью детерминированный протокол сетис эстафетным доступом, со скоростью передачи 10Мбитзаписи и подсистему передачисообщений.
Сеть V-net обеспечивает следующие функции:
1) связь по считыванию записи. Например,станция оператора HIS посылает запрос в станцию управления FCS на посылкуданных и станция управления FCS в ответ посылает эти данные в станцию оператораHIS. Эта система связи используется, чтобы получать и посылать данные основноготехнологического процесса;
2) передача сообщений. Подсистема передачисообщений посылает данные в выбранные станции. Эта подсистема связи используетсядля передачи сообщений тревоги по ходу технологического процесса;
3) подсистема канала связи.Коммуникационная подсистема канала связи используется для того, чтобыодновременно пересылать данные во все станции. Период канала связи может бытьустановлен от 100 мсек до 2 сек в зависимости от применения.
Ниже приведены обычные применения канала связи:
1) электрически регулируемая операциямедленного продвижения, требующая высокой скорости передачи данных;
2) передача общих данных в системе;
3) передача между станциями управления FCSсинхронизированных сигналов при управлении очередностью.
Для подключения станции оператора HISиспользуется кабель YCB 141, для подключения станций, отличных от станцииоператора HIS − кабель YCB 111.
Сеть V-net может иметь двойное резервирование.
Посредством расширения сети,станции типа HIS могут контролировать станции типа FCS, разбросанные по всемупредприятию. Расстояние передачи для сети V может быть увеличено путемиспользования повторителей или оптических адаптеров.
Сеть Ethernet
Система CENTUM CS 3000 использует сетьЕthernet, в качестве локальной сети для пересылки данных между станциями HIS.Она позволяет решать организационно-экономические задачи используя базу данныхстанции оператора и станции управления, и, наоборот, решать задачи управленияпроцессом на основании информации, имеющейся в компьютерной сети. Обмен даннымимежду верхним уровнем и процессом осуществляется с помощью пакетов Open DataInterface for DDE и пакета Ехаорс OPC Interface, конфигурирующих функциюсервера OPC для доступа к данным процесса станции оператора из функции OPC длярешения задач верхнего уровня.
Конфигурация сети основана на стандарте IEEE802.3. Скорость передачи данных 10 Мбит/с.
HART – протокол
Связь станции управления HIS сдатчиками осуществляется через станцию управления FCS с помощью стандартногокоммуникационного протокола HART. Протокол HART является «открытым» и доступендля всех производителей приборов и систем управления, желающих его использовать.
HART протокол использует стандартBell 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига для обмена данными наскорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4–20мА. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты и 2200 Гц соответственно).Поскольку среднее значение FSK сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговыйсигнал 4–20 мА, несмотря на прохождение цифрового сигнала. Это достигаетсятакже введением в прибор однополюсного НЧ фильтра 10Гц, снижая помехи нааналоговом сигнале примерно до 0,01%. Каждое цифровое сообщение содержит адресисточника и назначения, а также имеет контрольную сумму для обнаружения любогоискажения сообщения.
Описание системы ПАЗ CENTUM CS3000.
Архитектура системы такая, как у РСУ CENTUM CS3000, кроме модулей ввода / вывода.
Модули ввода аналоговыхсигналов
Данные модули принимаюттоковые сигналы 4–20 мА от двухпроводниковых датчиков и стандартизированныесигналы 1–5 В.3.5 Описание структурной схемы РСУ CENTUM CS3000
РСУ CENTUM CS 3000. Сигналы 4–20мА от датчиков расхода, уровня, температуры, давления регулируемых параметровпоступают в модули аналогового ввода ААМ 11. Сигналы от датчиков контролируемыхпараметров сначала проходят через MUB, где происходит преобразование сигналатока 4–20 мА в сигнал напряжения 1–5 В. Затем он поступает намультиплексорный модуль ввода ААМ 12T.
В модулях ввода сигналы оцифровываются, масштабируются и по шине RIO передаются впроцессоры станции управления участком. Процессоры обрабатывает сигналы поалгоритму, заданному в соответствии с технологической схемой управления. Впроцессорах сигнал проходит проверку на выход за допустимые пределы сигнала.Для регулируемых параметров в процессоре рассчитывается величина управляющеговоздействия, которая после проверки на пределы передается в модуль аналоговоговывода ААМ 50, затем на исполнительные механизмы.
Программирование станцииуправления осуществляется на станции оператора. Соединение блока управления имодулей ввода-вывода.
Таблица 15 – Заказная спецификация наэлектрическую и трубную проводкиПоз. Наименование Марка Ед. изм Кол-во Прим. 1 2 3 4 5 6 1 Кабель силовой АВВГ 3х4 ГОСТ 16442–80 м 15 2 Кабель контрольный
МКЭШВ 2х2х1
ТУ16.к13–027–2001 м 2423 3 Кабель контрольный
МКЭШВ 8х2х1
ТУ 16.к13–027–2001 м 1808 4 Кабель V-сети YСB 111 м 40 5 Труба медная М3-М 8х1 ГОСТ 8734–75 м 858 6 Труба стальная бесшовная 14х2 ГОСТ 9941–81 м 100 7 Короб стальной
150х150 х250
ТУ 36.22.21.001–86 шт. 1 8 Кроссовый шкаф 180х80х50 шт. 1 9 Коробка соединительная SS-JB-16 ТУ 36.1753–78 шт. 18 10 Вентиль 14нж12 ГОСТ 4627–81 шт. 35 11 3-х вентильный блок SVM – 3S – W22 – NB шт. 4 12 Полоса стальная 20х4 ГОСТ 107–74 м 151
Связь шкафа РСУ CENTUM CS 3000 синформационно-командной станцией осуществляется с помощью кабеля V-сети YCB111.
Все импульсные проводкивыполнены из стальных бесшовных труб 14х2. Дляоблегчения монтажа и демонтажа, а также для проверки работоспособностиизмерительных преобразователей на импульсные линии установлены запорные шаровыевентили 14нж12 и 3-х вентильные блоки SVM -3S-W22-NB.
Воздух на пневмопитание клапанов с давлением1,4; 2,3; 2,8 кгссм2;время регулирования Тр, з £ 35 мин.; степень затухания переходного процесса 0.75
Требуется:
1. Построить математическуюмодель объекта по его переходной характеристике.
2. Найти оптимальные значениянастроечных параметров цифровых регуляторов при степени колебательности m =0,336 и следующих значениях времени такта квантования: Tkw =0,5 мин;0,9 мин; 2 мин.
3. Построить переходныепроцессы при нанесении следующих воздействий:
по каналу управления – изменениемзадания регулятору на 0,1 кгсч;
по каналу регулирующего органа– изменением расхода окиси этилена, которое по своему действию эквивалентноперемещению регулирующего органа на 10% хода.
4. Оценить качество работыцифровой АСР при различных значениях времени такта квантования и различныхнастройках регуляторов.
5. Выбрать регулятор изначения его настроечных параметров, которые обеспечивают заданное качествопроцесса регулирования при минимальных затратах на управление.
/>/>4. Построение математической моделиобъекта по экспериментальной переходной характеристике
Задача построенияматематической модели включает в себя несколько этапов:
1. Выбор аппроксимирующейпередаточной функции, дающей приемлемую модель объекта для проектирования АСР стиповыми регуляторами.
2. Определение параметровмодели, обеспечивающих совпадение аппроксимируемой и аппроксимирующихпереходных характеристик согласно выбранному критерию приближения.
3. Оценка точностиаппроксимации
/>/>/>/>Выбор вида аппроксимирующей передаточнойфункции
Разработано большое количествометодов аппроксимации экспериментальных данных отличающихся друг от другаструктурой модели, критериями приближения, особенностью выполнения расчётов.Применим хорошо зарекомендовавший себя метод, согласно которому передаточнаяфункция модели пишется в виде:
/>
где Т1, T2,k, t – соответствующие постоянные времени,коэффициент передачи, запаздывание.
n – показывает определяющийпорядок знаменателя передаточной функции.
Критерием приближения являетсятребование совпадения аппроксимируемой h и аппроксимирующей haхарактеристик в точках t = 0, t = ¥ и в точке перегиба. Кроме того, в точке перегиба этихарактеристики должны иметь одинаковый наклон. Таким образом, критерийприближения имеет следующий вид:
/>
Для определения производной h’переходной характеристики h в точке, где эта характеристика имеет максимальныйнаклон, проводится касательная и определяется длина отрезка Т0заключённого между точкой этой касательной с горизонтальной осью и линиейнового установившегося значения характеристики, то есть с линией hуст.Приняв значение:
/>,
критерий приближённости можнопереписать следующим образом:
/>
Это условие позволяет найтичисленные значения постоянных времени Тi, /> величину tп.а изапаздывание t = tп– tп.а аппроксимирующей передаточной функции./>/>/>
/>Определение параметров модели
Расчёт параметров удобно производитьпри помощи номограммы.
/>
Номограмма для определенияпараметров модели
Порядок расчета следующий:
1. По переходной характеристике определяютсяисходные данные для аппроксимации. При помощи графика переходного процесса,полученной на производстве определили:
установившееся значение переходнойхарактеристики hуст = 1;
значение в точке перегиба h = 0,321;
время точки перегиба tп =6,6;
время регулирования T0=10,0;
2. Находим величину b = /> и по таблицам определяемпорядок n аппроксимирующей передаточной функции.
Имеем b = /> =/> = 0,321.
При b = 0,321.
Принимаем n = 2.
3. По таблицам определяем отношения />, />, />
и, следовательно, величины T1, T2и tп.а.
Имеем: /> =0,325; /> = 0,75; /> = 1,651.
Тогда:
T1 = 0,325 × T0 = 0,325*10 = 3,25 мин;
T2 = 0,75 × T1 = 0,75*3,25 = 2,43 мин;
tп.а = 1,651 × T1 = 1,651*3,25= 5,36 мин.
Поскольку tп > tп.а, находимвремя запаздывания />:
t = 6,6 – 5,36 = 1,24 мин.
Найдем численное значение коэффициента передачиК, входящего в выражение для аппроксимирующей передаточной функции.
Имеем />
где />-отклонение давления в переходном режиме при t ® ¥;
/>-принятая в расчете величина возмущения по каналу регулирующего органа, равная 10%его хода.
С учетом найденных значений К, t, Т1, Т2, n аппроксимирующая передаточнаяфункция запишется в виде:
/>
При оценке точности аппроксимации в передаточнойфункции согласно и необходимо положить:
К = 0,5; t = 1,24; Т =3,25;
a1 = 0,75; a2 = 0; n1= 1; n2 = 2; n 3 = 0.
Используя выше рассчитанныеданные и приняв в расчёте величину возмущающего воздействия по каналурегулирования равным 10% хода регулирующего органа.
На основе полученных данных строим график дляаппроксимированной и аппроксимирующих кривых.
/>
Аппроксимируемая и аппроксимирующая кривая
Расчёт на ЭВМ переходной функции модели и сравнениееё с заданной показывают, что модель адекватна реальному процессу. Максимальноеотклонение друг от друга ординат аппроксимируемой и аппроксимирующей переходныххарактеристик не превышает 4%.
/>/>5. Расчетоптимальных настроечных параметров цифровых регуляторов
/>/>Модель ирасчетная схема цифровой АСР
При исследовании систем с цифровымирегуляторами обычно вместо известной структурной схемы цифровой АСР с АЦП, ЦАПи ЦВУ рассматривают модель цифровой АСР и далее ее расчетную схему.
/>/>
Модель цифровой АСР
В АЦП осуществляетсяпреобразование непрерывного сигнала U, y в дискретную последовательность чиселU и y, где lt – дискретное время, t – такт квантования, l – номер тактаквантования. При исследовании систем с цифровым регулятором перейдём отфункциональной схемы к модели цифровой системы.
В модели АЦП заменяют дельтаимпульсными модуляторами, а ЦАП входит как демодулятор. Демодулятор и объектобразуют приведённую непрерывную часть системы с передаточной функцией: Wпнч=Wдн*Wm.
Дельта импульсные модуляторы осуществляютпреобразование сигналов U и y в синхронные импульсные последовательности U* иy* в соответствии со следующими формулами:
/>
где U* и y* – модели сигналов.
Структурная схема может быть представлена красчётной.
/>
Расчётнаясхема цифровой АСР
Расчётная схема состоит издискретного регулятора W* и дискретного объекта с передаточной функцией W*пнч,а все сигналы представляются синхронной последовательностью моделированных d импульсов. Передаточная функция разомкнутойцифровой АСР запишется в виде:
/>
Передаточная функциядискретной системы связана с передаточной функцией её непрерывной частиследующим соотношением:
/>
где wкв=2pТ=kр/Ти,
k3Т=kрТg
где: Kр – коэффициентпередачи непрерывного ПИД-регулятора,
Ти – времяизодрома,
Тg – время предварения.
Передаточные функциивычислительных устройств цифровых регуляторов, определенные в смыследискретного преобразования Лапласа, имеют вид:
/>/>Запасустойчивости систем с цифровыми регуляторами.
Оценка запаса устойчивостиможет проводиться с помощью корневого и частотного показателей колебательности.Примем к рассмотрению способ оценки запаса устойчивости по распределению корнейхарактеристического уравнения замкнутой системы, который позволяет легко ипросто выполнить вычисления на ЭВМ, границы заданного запаса устойчивости впространстве параметров настройки регулятора по соотношениям, получающиеся изусловия:
/>
где m – заданный корневойпоказатель затухания свободных колебаний.
При этом частота меняется впределах от w =0 до w =pсм2.
Время регулирования Тр= 34,1 мин
Степень затухания переходныхпроцессов:
По каналу управления y= 0,522= 0,81
Итак, рассчитанная АСРудовлетворяет требуемым показателям качества работы: динамическая ошибка ивремя регулирования не превышает заданных значений. Степень затухания y переходных процессов близка к расчётной.Статическая ошибка регулирования при исследовании ПИ-регулятора равна нулю.
Заключение
В разработанном дипломномпроекте был проведен анализ узла получения оксиэтилированных алкилфенолов вцехе 2811 завода «Олигомеров» ОАО «Нижнекамснефтехим».
В результате автоматизации узлаполучения оксиэтилированных алкилфенолов была осуществлена модернизация релейныхсхем управления на автоматизированную систему CENTUM CS 3000. При этом была полностьювыполнена основная задача управления, которая состоит в обеспечении заданнойстепени превращения исходного вещества в конечный продукт с минимальнымиэнергозатратами при обеспечении безаварийности и пожаровзрывобезопасностипроизводства.
Технические средства автоматизациикак отечественных производителей так и зарубежных, используемые в процессе осуществляютсвою функцию с требуемой для данного процесса точностью. Таким образом,автоматизация приводит к улучшению показателей данного процесса.
Разработанная структура управления технологической установкой на базеCENTUM CS 3000 позволяет значительно улучшить и облегчить работу персонала,обеспечить качественное управление процессом, более полно и экономноиспользовать ресурсы.
Список литературы
1. Баратов А.Н. Пожаровзрывоопасностьвеществ и материалов, и средств их тушения − М.: Химия, 1990, 394 с.
2. Дудников Е.Г., Казаков А.В. Автоматическоеуправление в химической промышленности: Учебник для ВУЗов – М.: Химия, 1987,368 с.
3. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизацияпроизводственных процессов в химической промышленности. Учебник для техникумов.– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1985.
4. Ицкович Э.Л. Микропроцессорные распределенныесистемы управления зарубежных фирм на рынке СНГ. Выпуск 4. − М.: 2002, 106 с.
5. Казаков А.В., Кулаков М.В., Мелюшев Ю.К. Основыавтоматики и автоматизации химических производств. − М.: Машиностроение,1970, 153 с.
6. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х.,Клюев А.А. Проектирование систем автоматизации технологическихпроцессов: Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990, 464 с.
7. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л.М. Автоматизацияпроизводственных процессов в химической промышленности. Технические средства илабораторные работы. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Химия, 1988,288 с.
8. Плюто В.П. и др. Практикум по теорииавтоматического управления химико-технологическими процессами. Цифровыесистемы. − М.: Химия, 1989, 168 с.
9. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизацияхимических
производств: Учебник для ВУЗов. – М.: Химия, 1982, 296 с.
10. Шкатов Е.Ф., Шувалов В.В. Основыавтоматизации технологических процессов и производств. Учебник для техникумов.– М.: Химия, 1988 г., 304 с.
11. Безопасность и методы резервированияАСУТП. Методическое пособие / Казанский государственный технологическийуниверситет. Сост.: М.А. Харисов, Н.И. Ларионова. Казань, 2003. 84 с.
12. Нафиков Г.Ф. Безопасность жизнедеятельности.Методические указания. Казань,2001, 24 с.
13. Экономическое обоснование дипломного проекта. Методические указания.Кислова В.И.
14. ЦифровыеАСР. Пример выполнения расчета в дипломных проектах и методические указания.
15. Технологический регламент цеха 2811.Завод «Олигомеров». ОАО «НКНХ».
16. Каталог продукции фирмы «Yokogawa».
17. Ларионова Н.И. Системы автоматизированногоуправления. Курс лекций.
18. Ларионова Н.И. Автоматизация технологическихпроцессов и производств. Курс лекций.