Введение

Введение

Развитие автоматизации химической промышленности связано с возрастающей интенсификацией технологических процессов и ростом производств, использование агрегатов большой единичной мощности, усложнением технологических схем, предъявлением повышенных требований к получаемым продуктам.

Под технологическим процессом понимают совокупность технологических операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах, целью которых является получение продукта, обладающего заданными свойствами; осуществляются они в ректификационных колоннах, реакторах, экстракторах, абсорберах, сушилках и других аппаратах. Обычно с целью переработки химических веществ и получения целевых продуктов из этих аппаратов компонуют сложные технологические схемы.

Технологический процесс, реализованный на соответствующем технологическом оборудовании, называют технологическим объектом управления . ТОУ это отдельный аппарат, агрегат, установка, отделение, цех, производство, предприятие. Различные внешние возмущающие воздействия (изменение расхода или состава исходного сырья, состояния и характеристик технологического оборудования и т.д.) нарушают работу ТОУ. Поэтому для поддержания его нормального функционирования, а также при необходимости изменения условий его работы, например, с целью ведения технологического процесса по некоторой программе или получения целевого продукта другого качества или состава, ТОУ нужно управлять.

Управление - это целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает его оптимальное функционирование и количественно оценивается величиной критерия (показателя) качества. Критерии могут иметь технологическую или экономическую природу (производительность технологической установки, себестоимость продукции и т.д.). При автоматическом управлении воздействие на объект осуществляется специальным автоматическим устройством в замкнутом контуре; такое соединение элементов образует автоматическую систему управления. Частным случаем управления является регулирование.

Регулированием называют поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспечения нормального режима его работы посредством подачи на объект управляющих воздействий.

Автоматическое устройство, обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых значений, называют автоматическим регулятором .

автоматическое регулирование гидрокрекинг химический

1. Исследование технологического процесса

1.1 Общая характеристика производственного объекта

Установки гидрокрекинга, регенерации катализатора и гидродеароматизации дизельного топлива (РК и ГДА) предназначены для получения:

• гидроочищенного сырья для установок каталитического крекинга;
• высококачественного дизельного топлива с низким содержанием серы и ароматики;
• керосиновой фракции (150-280°С), используемой в качестве компонента товарного керосина или как компонента дизельного топлива;
• бензиновой фракции (С5-175°С), вовлекаемой в сырье установок вторичной переработки.
• Использование процессов гидроочистки и гидрирования средних дистиллятов и фракций вторичных процессов позволяют вовлекать эти фракции в производство дизельного топлива и в сырье каталитического крекинга.
• Рабочий проект установок гидрокрекинга, РК и ГДА выполнен ОАО "ВНИПИНефть" на основе базового проекта фирмы "Тексако" США и расширенного базового проекта фирмы "АББ ЛуммусГлобал".
• Проектная мощность установки гидрокрекинга по сырью составляет - 3518,310 тысяч тонн в год;
• установки ГДА по дизельному топливу - 1200 тысяч тонн в год.
• Процесс гидрокрекинга осуществляется в расширенном слое катализатора, где сырье подается вниз реактора под слой катализатора.
• Создание и поддержание расширенного слоя катализатора в реакторе обеспечивается подачей гидрогенизатаэбуляционным насосом под слой катализатора.
• Установка гидрокрекинга включает в себя:
• реакторный блок гидрокрекинга;
• блок компримирования водородсодержащего газа;
• блок сепарации продуктов гидрокрекинга;
• блок фракционирования;
• блок очистки циркулирующего водородсодержащего газа и углеводородного газа от сероводорода;
• блок сбора факельных сбросов;
• блок дренажных емкостей для амина и углеводородов.
• Установка РК и ГДА включает в себя:
• блок регенерации катализатора;
• секцию гидродеароматизации дизельного топлива (ГДА) с узлом ввода присадок.

1.2 Описание технологического объекта управления

Технологическим объектом управления является колонна фракционирования 10-DA-201, в которой происходит разделение жидких продуктов реакции на целевые фракции.

Основным сырьём колонны 10-DA-201 является жидкость из ГСНД 10-FA-201 (гидрогенизат), нагретая в печи 10-ВА-201 до 370-394°С. Из печи 10-ВА-201 сырье поступает на 6-ю тарелку колонны 10-DA-201.

Лёгкое сырьё из сепаратора 10-FA-202 после теплообменников 10-ЕА-201, 10-ЕА-202, 10-ЕА-203 и 10-ЕА-204 с температурой 205-237°С подаётся на 19 или 16-ю тарелку фракционирующей колонны 10-DA-201 взависимости от выпуска летнего или зимнего типа дизельного топлива.

Для отпарки и уменьшения парциального давления легких углеводородных фракций в кубовую часть фракционирующей колонны 10-DA-201 через сепаратор 10-FA-206 подается перегретый пар среднего давления с температурой не более 390°С.

Расход пара в колонну регулируется регулятором расхода 10-FICA-0067 с сигнализацией по низкому 2,5 т/ч расходу пара в колонну 10-DA-201.

Конденсат из сепаратора 10-FA-206выводится через конденсатоотводчик в коллектор конденсата.

Уровень конденсата в сепараторе 10-FA-206 контролируется по прибору 10-LISA-0033 с сигнализацией 71 % и блокировкой по аварийно высокому уровню 79 % на закрытие клапана 10-FV-0067 на линии подачи пара в колонну 10-DA-201.

С верха фракционирующей колонны 10-DA-201 пары углеводородов, сероводорода, аммиака и водяные пары с температурой 120-150°С и давлением 1,5-1,95 кгс/см2 поступают в конденсатор воздушного охлаждения 10-ЕС-202АIF.

Температура верха колонны контролируется по прибору 10-TIСA-0143 с сигнализацией по низкой 120°С и высокой 150°С температуре.

Давление паров в верху колонны контролируется по приборам 10-PISA-0170, 10-PISA-0423A/B с сигнализацией по низкому 1 кгс/см2 и высокому давлению 3 кгс/см2.

При достижении в верху колонны 10-DA-201 аварийно высокого давления 3,5 кгс/см2 от двух приборов из трех 10-PISA-0170, 10-PISA-0423A/B срабатывает блокировка на останов печи 10-ВА-201:

закрываются отсекатели 10-XV-0023, 10-XV-0024, клапан 10-FV-0145 на линии подачи топливного газа и отсекатель 10-XV-0007 на линии подачи газов регенерации в печь, открываются отсекатели 10-XV-0025, 10-XV-0006 в атмосферу;

автоматически переустанавливается с автоматического на ручное регулирование регулятора расхода 10-FICA-0142А на линии подачи воздуха в печь и закрывается клапан 10-FV-0067 на линии подачи пара в колонну фракционирования 10-DA-201.

Температура куба, зоны питания, зон отбора дизельного топлива, керосина и верха колонны 10-DA-201 контролируется по приборам 10-TI-0149, 10-TI-0148, 10-TI-0147, 10-TI-0146, 10-TI-0145, 10-TI-0144.

Перепад давления между тарелками с 1 по 21-ю и с 21 по 32-ю по высоте колонны 10-DA-201 контролируется по приборам 10-PDIA-0176, 10-PDIA-0173 с сигнализацией по высокому перепаду 0,3 кгс/см2.

Выходящие с верха колонны пары поступают в конденсаторы воздушного охлаждения 10-ЕС-202AIF.

Охлажденная и частично сконденсированная парогазовая смесь из конденсаторов воздушного охлаждения 10-ЕС-202АIF с температурой 48-52°С, контроль которой осуществляется по прибору 10-TI-0181, поступает в межтрубное пространство водяных холодильников 10-ЕА-205А/В, где охлаждается оборотной водой, и с температурой 30-45°С, контроль которой осуществляется по приборам 10-TIА-0183А/В, поступает в сепаратор 10-FA-203.

Из сепаратора 10-FA-203 углеводородный газ с температурой 30-45°С и давлением 1,2-1,45 кгс/см2 поступает на очистку от сероводорода в скруббер низкого давления 10-DA-207.

Сконденсировавшийся и отделившийся от воды нестабильный бензин из сепаратора 10-FA-203 через отсекатель 10-HV-0119 поступает на всас насоса 10-GA-204A/S.

Основная часть нестабильного бензина с температурой 35-45°С насосом 10-GA-204A/S через регулятору расхода 10-FICA-0066 с сигнализацией по низкому значению 32 т/ч возвращается в качестве орошения в колонну 10-DA-201 на 32 тарелку колонны 10-DA-201.

Балансовое количество нестабильного бензина через регулятор расхода 10-FIC-0095 с коррекцией по уровню 10-LICSA-0037С в сепараторе 10-FA-203 откачивается в дебутанизатор 10-DA-204.

Фракционирующая колонна 10-DA-201 имеет две глухие тарелки 17 и 25 для отбора дизельной и керосиновой фракций.

С 25-ой глухой тарелки колонны 10-DA-201 керосиновая фракция с температурой 170-195°С через регулятор расхода 10-FIC-0072 подается в стриппинг 10-DA-203 на верхнюю 6-ю тарелку для отпарки легких углеводородов.

Температура керосиновой фракции перед стриппингом 10-DA-203 контролируется по прибору 10-TI-0152.

Пары легких углеводородов с верха стриппинга 10-DA-203 с давлением 1,97 кгс/см2 и температурой 165-210°С, контроль которой осуществляется по прибору 10-TI-0158, возвращаются в 10-DA-201 под 30-ю тарелку в 10-DA-201.

Куб стриппинга 10-DA-203 разделен перегородкой, обеспечивающей постоянный уровень керосиновой фракции в межтрубном пространстве термосифонногорибойлера 10-ЕА-207.

Керосиновая фракция с нижней тарелки попадает в кубовую часть стриппинга на сторону вывода потока в рибойлер 10-ЕА-207.

Пароконденсатная смесь из 10-ЕА-207 с температурой 203-220°С возвращается в кубовую часть стриппинга.

Температура потоков керосиновой фракции до и после 10-ЕА-207 контролируется по приборам 10-TI-0154, 10-TI-0155.

Чёткость разделения фракции керосина и нестабильного бензина обеспечивается поддержанием заданной температуры между 2 и 3-ей тарелками стриппинга 10-DA-203, скорректированной по давлению от прибора 10-PI-0428.

Дизельная фракция с 17-й глухой тарелки колонны 10-DA-201 с температурой 244-295°С, контроль которой осуществляется по прибору 10-TI-0151, разделяется на два потока: поток дизельного циркуляционного орошения и поток, поступающий на отпарку в стриппинг 10-DA-202.

Поток циркуляционного орошения насосом 10-GA-206A/S подается в трубное пространство теплообменника 10-ЕА-202, где отдавая тепло легкому сырью фракционирующей колонны, поступающему по межтрубному пространству, охлаждается и с температурой 170-225°С поступает в качестве циркуляционного орошения на 21-ю тарелку в колонну 10-DA-201.

Расход циркуляционного орошения в колонну 10-DA-201в количестве 110-130т/ч регулируется регулятором расхода 10-FIC-0057, клапан 10-FV-0057 которого установлен на выходе циркуляционного орошения из 10-ЕА-202.

Температура циркуляционного орошения в колонну 10-DA-201 на выходе из 10-ЕА-202 регулируется регулятором температуры 10-TIC-0125, клапан 10-TV-0125 которого установлен на байпасе теплообменника 10-ЕА-202.

Наличие жидкости на всасе насосов 10-GA-206A/S контролируется сигнализатором уровня 10-LS-0068 c блокировкой на останов насоса 10-GA-206A/S по отсутствию жидкости.

Основной поток дизельной фракции, выводимой из колонны 10-DA-201 с постоянным расходом от 10-FIC-0076 по клапану 10-FV-0076, поступает на отпарку легких углеводородов на верхнюю 6-ю тарелку в стриппинг 10-DA-202. Пары легкой фракции с верха стриппинга 10-DA-202 с давлением до 2,04 кгс/см2 и температурой 246-252°С, контроль которой осуществляется по прибору 10-TI-0160, и блока ГДА из 10-DA-501 возвращаются под глухую 25-ю тарелку в 10-DA-201.

Куб стриппинга 10-DA-202 разделен перегородкой, обеспечивающей постоянный уровень дизельной фракции и создание движущей силы в межтрубном пространстве рибойлера 10-ЕА-206.

Пароконденсатная смесь из 10-ЕА-206 с температурой 250-293°С возвращается в кубовую часть стриппинга.

Из куба 10-DA-201 предусмотрена самотечная линия аварийного освобождения колонны по отсечному клапану 10-HV-0157 в ёмкость аварийных сбросов 10-FA-412.

Уровень в кубе колонны 10-DA-201 регулируется регулятором уровня 10-LICА-0032, клапаны 10-FV-0109, 10-FV-0112 которого установлены на линиях вывода горячего и холодного газойля с установки после теплообменников 10-ЕА-214А/В и 10-ЕС-203.

Выбор регулирования уровня в кубе колонны 10-DA-201 от приборов 10-LIСSA-0032A и 10-LIСSA-0032В осуществляется посредством селектора 10-HS-0309, с сигнализацией по низкому 25 % и высокому уровню 80 % уровню.

При достижении аварийно низкого 7 % уровня от приборов 10-LIСSA-0032А/В срабатывает блокировка на останов насоса 10-GA-202A/S, а при достижении аварийно высокого уровня 93 % срабатывает блокировка на закрытие клапана 10-FV-0067 на линии подачи пара в колонну 10-DA-201.

Товарный газойль с куба колонны 10-DA-201 с температурой 342-370°С через отсекатель 10-HV-0075 насосом 10-GA-202A/S подается в рибойлеры 10-ЕА-206, 10-ЕА-207, 10-ЕА-506, откуда объединенный поток газойля с температурой 328-358°С поступает двумя параллельными потоками в межтрубное пространство теплообменников 10-ЕА-217С/В/А и 10-ЕА-217F/E/D, где нагревает сырье гидрокрекинга.

2. Идентификация объекта управления

Для синтеза АСР необходимо знать математическую модель объекта управления.

Математическая модель объекта управления была получена методом активного эксперимента. Он заключается в снятии переходных характеристик и определении по ним коэффициентов передаточной функции. Переходная характеристика - это решение дифференциального уравнения системы при ступенчатом входном воздействии и нулевых начальных условиях. Данная характеристика, как дифференциальное уравнение, характеризует динамические свойства линейной системы (стационарность свойств объекта, линейность объекта регулирования, сосредоточенность параметров объекта).

2.1 Идентификация по каналу задания

Переходная характеристика по каналу задания была снята после изменения положения клапана 10FV0076 с 40,4% до 42% открытия. Реакция объекта на возмущение измерялась датчиком по позиции 10TI0147 и фиксировалась на SCADAсистеме.

Для идентификации объекта будет использован метод интегральных площадей Симою. Для повышения точности данного метода будет произведено сглаживание кривой разгона по методу скользящего среднего.

Время запаздывания: τз=25 мин.

2.2 Идентификация объекта по каналу возмущения

В качестве ступенчатого воздействия на объект по каналу возмущения было выбрано резкое изменение расхода орошения в колонну 10DA201, измеряемое прибором по позиции 10FI0066. Такое воздействие с достаточной точностью можно считать ступенчатым.

Аналогично идентификации объекта по каналу задания, для повышения точности необходимо сгладить переходную характеристику.

Расчет коэффициента передачи объекта:

Время запаздывания:

Идентификация объекта выполнена в программе LinReg.

В результате модель объекта имеет вид:

3. Синтез системы регулирования

3.1 Синтез одноконтурной системы регулирования температуры на 17 тарелке колонны фракционирования 10DA201

Регулирование температуры в колонне осуществляется посредством изменения расхода слива дизельного топлива с 17 тарелки. В данной системе расход орошения в колонну будет являться внешним возмущением.

В качестве одноконтурной системы регулирования уровня была рассмотрена система с ПИ регулятором. Расчет оптимальных настроек ПИ регулятора был произведен методом Ротача В.Я. при помощи программы LinReg.

Параметры настройки ПИ-регулятора:

Ти=13,6.рез=0.046

3.2 Синтез одноконтурной системы регулирования температуры на 17 тарелке колонны фракционирования 10DA201 с компенсацией возмущения по каналу орошения

Одним из возмущений, влияющих на работу колонны, является изменение расхода орошения, подающимся под 31 тарелку колонны. Это возмущение является измеримым, что делает возможным создание системы с компенсацией данного возмущения.

Структурная схема такой системы примет вид, представленный на рис.8.

Для обеспечения условия абсолютной инвариантности регулируемой величины относительно возмущения должно выполняться условие

После подстановки реальных значений передаточных функций Wυ (s), Wµ (s) иWp (s) получаем

Данная функция не может быть реализована изза наличия упреждения е20s. Абсолютной инвариантности в такой системе добиться невозможно, поэтому задачу следует решать с инвариантностью до ε. Определим векторкчх данной функции на наиболее опасной резонансной частоте:

WK (jwрез) =-2.9+3.2i

Вектор КЧХ на резонансной частоте попадает во 2 квадрант комплексной плоскости, поэтому имеет смысл в качестве устройства ввода воздействия от возмущения использовать реальное дифференцирующее звено второго порядка, т.к. его КЧХ также частично находится во 2 квадранте.

В общем виде дифференцирующее звено второго порядка имеет вид

Пренебрегая упреждением в передаточной функции идеального компенсирующего элемента, получим передаточную функцию компенсатора

Проанализировав функцию в Matlab можно сделать вывод, что коэффициент при первой степени в числителе является незначимым. Также пренебрегая коэффициентами при третьей степени (т.к. они не оказывают существенного влияния на свойства передаточной функции), приводим передаточную функцию к виду реального дифференцирующего звена второго порядка

Рис.9 Корректировка коэффициентов компенсатора.

В итоге была получена передаточная функция компенсатора

4. Моделирование системы автоматического регулирования в приложении Simulink пакета MatLab

4.1 Моделирование идеальной САР

Рис.11 Отработка задания одноконтурной САР и САР с компенсацией возмущения.

Рис.12 Отработка возмущения одноконтурной САР и САР с компенсацией возмущения.

4.2 Сравнение работы одноконтурной САР и САР с компенсацией возмущения

ПараметрОдноконтурная САР Одноконтурная САР с компенсацией возмущенияПо заданиюПо возмущениюПо заданиюПо возмущениюМаксимальный выброс1,313,11,313,1Время регулирования, мин16924016995Степень затухания0,870,870,870,99

4.3 Моделирование реальной САР

Работа реальной системы отличается от идеальной некоторыми нелинейностями, такими как нечувствительность датчиков, ограниченным ходом и люфтом исполнительного механизма.

Для их моделирования используются следующие элементы:

Deadzone - блок генерирует нулевой выход в пределах указанной области, называемой мертвой зоной (диапазон измерения*класс точности*0,05=0.06; диапазон измерения*класс точности*0,05= - 0.06);

Backlash - моделирует люфт, присутствующий в исполнительном механизме (Δy*0,05=0,5);

Saturate - нелинейный элемент-ограничитель моделирует ограничение хода исполнительного механизма (70; - 30);

Рис.13 Модель реальной одноконтурной САР и реальной САР с компенсацией возмущений.

4.4 сравнение характеристик идеальных и реальных САР

Рис.14 Отработка задания идеальной и реальной системой.

Рис.15 Отработка возмущением реальной и идеальной одноконтурной САР

Рис.16 Отработка возмущения идеальной и реальной САР с компенсацией возмущения.

ПараметрОтработка заданияОтработка возмущения одноконтурной САР без компенсации возмущенияОтработка возмущения одноконтурной САР с компенсацией возмущенияидеальнаяреальнаяидеальнаяреальнаяидеальнаяреальнаяМаксимальный выброс13,112,831313131Время регулирования, мин16937024047995327Степень затухания0,870,920,890,910,990,99

Идеальная и реальная системы практически не отличаются по максимальному выбросу и по степени затухания, однако реальная система имеет значительно меньшее быстродействие. Опытным путем было установлено, что основное влияние на быстродействие оказывает люфт исполнительного механизма. Следовательно, при выборе средств автоматизации особое внимание следует уделить выбору исполнительного механизма.

5. Расчет регулирующего органа и выбор средств автоматизации

5.1 Расчет регулирующего органа

P1=P2=2кгс/см2

Fmax=115000кг/час = 160 м3/час

Dвн=0.3м

Определение общего перепада давления в сети:

Рассчитаем значение критерия Рейнольдса при максимальномрасходе:

Условие гидравлической гладкости труб:

условие выполняется, следовательно труба не является гидравлически гладкой. Определяем коэффициент трения λ=0,0185, исходя из значения критерия Re и отношения внутреннего диаметра трубы к высоте выступов шероховатости трубопровода по номограмме.

Находим суммарную длину прямых участков трубопровода:

Определение средней скорости в трубопроводе при максимальном расходе:

Вычислим потерю давления на прямых участках трубопровода:

Определим суммарный коэффициент местных сопротивлений трубопровода:

Вычислим потерю давления в местных сопротивлениях трубопровода:

Общие потери давления в линии:

Перепад давления в регулирующем органе при максимальном расходе:

Найдем максимальную пропускную способность регулирующего органа:

Таблица условных пропускных способностей регулирующих органов

Выбираем регулирующий орган с условной пропускной способностью и диаметром условного прохода.

Проверим влияние вязкости на пропускную способность регулирующего органа, для этого произведем перерасчет значения критерия Рейнольдса, в соответствии с диаметром условного прохода регулирующего органа:

Выбираем данный регулирующий орган без определения поправочного коэффициента на вязкость жидкости.

Определим уточненное значение максимального расхода:

Определим относительные значения расходов:

Определение диапазона перемещений для n=0 с линейной характеристикой

Определяем диапазон перемещений для:

а) С линейной характеристикой:

б) С равнопроцентной характеристикой: 0,23 < S < 0,57

Определяем максимальное и минимальное значение коэффициента передачи для рабочего диапазона нагрузок:

а) Для линейной пропускной характеристики:

б) Для равнопроцентной пропускной характеристики:

Значение отношения минимального и максимального значений коэффициента передачи при линейной пропускной характеристике больше, чем при равнопроцентной. Следовательно, выбираем линейную расходную характеристику. Статическая неуравновешенность затвора:

Максимально возможное давление на клапан;

Разность площадей верхнего нижнего корпуса;

Сила давления среды на шток:

Диаметр штока;

Максимальное давление за клапаном

5.2 Выбор технических средств автоматизации

Клапан малогабаритный регулирующий производства фирмы ЛГ Автоматика . Пневматический исполнительный механизм поставляется в комплекте с клапаном.

Условное давление Ру, МПа1,6Условный проход, мм200Пропускная характеристикалинейнаяДиапазон температур регулируемой среды-40. +500Диапазон температур окружающей среды-50…+70Исходные положения плунжера клапанаНЗ - нормально закрытоеМатериал корпуса12Х18Н10ТМатериал дроссельной пары12Х18Н10ТКласс герметичности для регулирующих клапанов по ГОСТ 23866-87 (по DIN) VКласс герметичности по ГОСТ 9544-93В

Изолирующий барьер искрозащитыметран 631 изобар

Основная погрешность барьера при передаче аналогового сигнала: 0,05%

Ограничение входного тока питания: 200мА

Ограничение входного тока питания со стороны датчика: 23.30мА

Напряжение питания, В: 20.30

Маркировка взрывозащиты: ExiaIIC

Время срабатывания, мс: 50

Наработка на отказ, часов: 50000

Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТХАУ Метран 271

Выходной сигнал: 4.20мА

Диапазон температур: - 40…800 оС

Предел допустимой основной погрешности: 0,25%

Зависимость сигнала от температуры: линейная

Виброустойчивость: V1

Маркировка взрывозащиты: ExiaIICT5

Напряжение питания, В: 14.34

Вихревой расходомер Rosemount 8800D

Выходной сигнал: 4.20мА с цифровым сигналом на базе HART протокола, частотно импульсный 0.10кГц, цифровой FF

Диапазон температур среды: - 40…427оС

Предел измерений объемного расхода м3/ч: 27…885

Предел допустимой основной погрешности: 0,65%

Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65

Виброустойчивость: V1

Маркировка взрывозащиты: ExiaIICT6

Максимальное входное напряжение питания: 30В

Максимальный входной ток: 300мА

6. Метрологический расчет измерительных каналов

Блок схема каналов измерения температуры и расхода выглядит следующим образом:

Рис.17 Блок схема измерительных каналов.

Погрешность данной измерительной системы складывается из погрешностей, вносимых чувствительным элементом датчика температуры, нормирующим преобразователем, барьером искрозащиты, линией связи, платой ввода микропроцессорного комплекса.

На данный момент производители кабелей и интерфейсов передачи данных практически свели к нулю погрешность, вносимую линией связи, следовательно, её при расчетах не учитывают. В свою очередь погрешности нормирующего преобразователя, чувствительного элемента а также платы ввода/вывода микропроцессорного комплекса определены фирмой производителем, тогда предел допускаемой погрешности измерительного канала определится как:

γдт =0,25% - погрешность термопреобразователя; γбиз =0,05% - погрешность, вносимая барьером искрозащиты; γлс =0% - погрешность, вносимая линией связи; γв/в

γдт =0,65% - погрешность термопреобразователя;

γбиз =0,05% - погрешность, вносимая барьером искрозащиты;

γлс =0% - погрешность, вносимая линией связи;

γв/в =0,1% - погрешность платы ввода/вывода.

Данная погрешность позволит обеспечить требуемую точность измерения канала.

7. Расчет надежности системы автоматического регулирования

Под надежностью системы управления понимают способность системы выполнять предъявляемые к ней требования за заданное время в пределах, заданных ее техническими характеристиками. Полностью исключить отказ оборудования невозможно, следовательно, надежность СУ не может быть 100% -ной.

Произведем расчет вероятности возникновения внезапных отказов измерительного канала если известно, что: для контроллеров ExperionC300 среднее время наработки на отказ t ср. н = 150000 часов; для термопреобразователя ТХАУ Метран 271 время наработки на отказ t ср. н =20000 часов; для расходомера Rosemount 8800Dвремя наработки на отказ t ср. н =50000 часов; для барьеров искрозащиты Метран 631 время наработки на отказ t ср. н =50000 часов; для соединительных проводов вероятность отказа за 2000 часов составляет 0,004.

Условно примем, что закон распределения отказов экспоненциальный, тогда вероятность безотказной работы определяем по формуле: , где λ =1/t ср. н .

Вероятность безотказной работы контроллера ExperionC300:

Вероятность безотказной работы термопреобразователя ТХАУ Метран 271:

Вероятность безотказной работы барьера искрозащиты Метран 631":

Вероятность безотказной работы расходомера Rosemount 8800D:

Вероятность безотказной работы линий связи:

Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.

Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Если автоматизация облегчает физический труд человека, то автоматизация имеет цель облегчить так же и умственный труд. Эксплуатация средств автоматизации требует от обслуживающего персонала высокой техники квалификации.

По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

Автоматизация параметров дает значительные преимущества:

1) обеспечивает уменьшение численности рабочего персонала, т.е. повышение производительности его труда,

2) приводит к изменению характера труда обслуживающего персонала,

3) увеличивает точность поддержания параметров вырабатываемого пара,

4) повышает безопасность труда и надежность работы оборудования,

5) увеличивает экономичность работы парогенератора.

Автоматизация парогенераторов включает в себя автоматическое регулирование, дистанционное управление, технологическую защиту, теплотехнический контроль, технологические блокировки и сигнализацию.

Автоматическое регулирование обеспечивает ход непрерывно протекающих процессов в парогенераторе (питание водой, горение, перегрев пара и др.)

Дистанционное управление позволяет дежурному персоналу пускать и останавливать парогенераторную установку, а так же переключать и регулировать ее механизмы на расстоянии, с пульта, где сосредоточены устройства управления.

Теплотехнический контроль за работой парогенератора и оборудования осуществляется с помощью показывающих и самопишущих приборов, действующих автоматически. Приборы ведут непрерывный контроль процессов, протекающих в парогенераторной установке, или же подключаются к объекту измерения обслуживающим персоналом или информационно-вычислительной машиной. Приборы теплотехнического контроля размещают на панелях, щитах управления по возможности удобно для наблюдения и обслуживания.

Технологические блокировки выполняют в заданной последовательности ряд операций при пусках и остановках механизмов парогенераторной установки, а так же в случаях срабатывания технологической защиты. Блокировки исключают неправильные операции при обслуживании парогенераторной установки, обеспечивают отключение в необходимой последовательности оборудования при возникновении аварии.

Устройства технологической сигнализации информируют дежурный персонал о состоянии оборудования (в работе, остановлено и т.п.), предупреждают о приближении параметра к опасному значению, сообщают о возникновении аварийного состояния парогенератора и его оборудования. Применяются звуковая и световая сигнализация.

Эксплуатация котлов должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров и безопасные условия труда персонала. Для выполнения этих требований эксплуатация должна вестись в точном соответствии с законоположениями, правилами, нормами и руководящими указаниями, в частности, в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов» Госгортехнадзора, «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей», «Правилами технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей» .

Все предприятия химической промышленности уже на современном уровне, для того, чтобы производить конкурентоспособную, продукцию, в необходимых количествах, обязательно должны вносить в производственный процесс автоматизированные системы, такие как АСУ ТП для предприятий химической промышленности.

Именно поэтому на современном уровне автоматизация технологических процессов предприятий химической отрасли является актуальной задачей. Автоматизированные системы призваны обеспечить более высокое качество выпускаемой продукции, снижение производственных затрат, повышать рентабельность предприятия, а также обезвредить и минимизировать отходы в этой отрасли.

В химической промышленности могут быть использованы различные средства автоматизации, и их выбор чаще всего обосновывается не только на предпочтениях руководства, но и на вопросах повышения эффективности и рентабельности выпускаемой продукции.

Какие системы автоматизации могут быть востребованы в предприятиях химических отраслей

Автоматизированные системы управления транспортными потоками;

Автоматизированные системы подающих устройств питателей или конвейеров;

Автоматизация и визуализация производственных процессов при помощи специального программного обеспечения;

Автоматизация и внедрение АСУ ТП на весовые устройства и на дозировочные устройства подачи элементов;

Автоматизация кабельных трасс;

Оснащение рабочего места оператора компьютерным оборудованием и автоматизация производственной линии;

И множество других элементов автоматизации и внедрения систем АСУ ТП может быть актуально для предприятий химической промышленности.

Созданные специалистами нашей компании, автоматизированные системы призваны обеспечивать бесперебойную работу предприятия, поэтому техническое обслуживание производится нашими специалистами.

Документирование в автоматизированных системах управления технологических процессов химической промышленности

Для обеспечения участия человека в управлении технологическим процессом необходимо документирование информации. Для последующих анализов требуется накопление статистических исходных данных посредством регистрации состояний и значений параметров процесса во времени. На основании этого проверяется соблюдение регламента технологического процесса, анализируется формирование качества продукции, контролируются действия персонала в аварийных ситуациях, осуществляется поиск направлений совершенствования процесса и т. п.

При разработке той части информационного обеспечения АСУ ТП, которая связана с документированием и регистрацией, необходимо следующее:

• определить вид регистрируемых параметров, место и форму регистрации;
• выбрать временной фактор регистрации (датирование, интервалы регистрации, длительность непрерывной регистрации);
• минимизировать количество регистри­руемых параметров из соображений необходимости и достаточности для оперативных действий и последующего анализа.

Минимизация в данном случае означает, что выбираются для регистрации только те параметры, которых достаточно для опера­тивного управления технологическим про­цессом и последующего его анализа. Уменьшить это число параметров нельзя, так как снижается качество управления процессом; увеличивать также нельзя, так как необоснованно растет стоимость управления.

Выбрать способ группировки документи­рованной информации с точки зрения удобства использования ее человеком и машиной.

При этом определяющими факторами являются сложность и динамика технологи­ческого процесса, возможности технических средств и человека-оператора, назначение и возможности анализа, экономические и временные факторы.

Единые и исчерпывающие правила разра­ботки документирования в автоматизированных системах управления технологическими процессами отсут­ствуют, однако значительная часть важных формальных положений может быть почерп­нута из серии ГОСТов по ЕСКД и УСД.

Типичной при документировании являет­ся регистрация даты, единого текущего времени в автоматизированных системах управления технологическими процессами (час, минута, секунда), ко­да точки измерения, кода объекта (при необ­ходимости), наименования параметра (при необходимости), текущего значения параме­тра (абсолютного или относительного от­клонения от норматива), единицы измерения, признака юстирования (при необходимости). В зависимости от условий формирования и назначения документа некоторые из ука­занных реквизитов могут быть заранее вве­дены в бланк документа или исключены из него, если он предназначен только для даль­нейшей машинной обработки.

При разработке системы документирова­ния унифицируются форматы документов

и общие для них реквизиты, структуры доку­ментов. Уделяется внимание обозримости и наглядности документов, в частности, за счет использования табличных форм. В документах, предназначенных для машинной обработки, вводятся специальные реквизиты: код документа в системе обработки, код вида анализа, графы, заполняемые на программируемых контроллерах, и др. Решаются вопросы классификации (группи­ровки) документов и маршрутов их движе­ния. Определяются объемы информации в документах и потоках документов. Устана­вливается место и сроки хранения докумен­тов.

При разработке и внедрении систем автоматизации химических процессов и производств применяются те же подходы, которые используются в других отраслях промышленности. Вместе с тем, условия химического производства и сам производственный процесс имеют ряд особенностей, которые мы и рассмотрим в данной статье.

Типовая структурная схема химических процессов имеет следующий вид:

сырье → подготовка сырья → химический синтез → выделение продукта → продукт

На входе любого химического процесса всегда присутствует исходное сырье, которое необходимо хранить и в той или иной степени подготовить к дальнейшей переработке. Далее следует собственно процесс получения продукции. На этом этапе из предварительно подготовленного сырья с помощью специальных аппаратов (смесителей, сепараторов, колонн, реакторов и др.) и/или веществ (катализаторов) получается химический продукт. Обычно аппараты для получения одного продукта объединяют в технологические установки. Далее полученный продукт проходит процессы отделения и очистки. Автоматизация химических производств позволяет снизить себестоимость каждого из этих этапов.

Рассмотрим некоторые особенности химических производств.

Непрерывность

В-основном все химические производства характеризуются непрерывностью, т.е. технологический процесс ведется в установившемся режиме. Встречаются также химические производства с периодическим характером, где последовательность операций по загрузке и подготовке сырья, химическому синтезу, выделению и очистке продукции имеет конечную продолжительность.

Непрерывность химических производств предъявляет особые требования к разработке систем автоматизации, такие например, как резервирование полевого оборудования, контроллеров, каналов связи, автоматизированных рабочих мест и серверов, организация резервного питания оборудования и др.

Распределенность

Одной из особенностей химических производств является размещение технологических установок и оборудования на открытых площадках, которые занимают большую площадь. Типичное химическое предприятие располагается на площади от нескольких квадратных километров до нескольких десятков квадратных километров. Все это надо учитывать при проектировании систем автоматизации. Как правило, в таких случаях применяются территориально-распределенные автоматизированные системы. Большое значение также имеют высокоскоростные каналы связи, в том числе на основе оптических линий, т.к. не все интерфейсы и протоколы связи обеспечивают допустимую скорость обмена данными на больших расстояниях.

При работе предприятий химической промышленности в рабочей зоне постоянно присутствуют различные опасные вещества, технологические процессы в аппаратах проходят при высоких давлениях и температурах. Особенно это характерно для предприятий нефтехимии, крекинга, производства смол, углерода. Все это предъявляет повышенные требования к системам автоматизации химических процессов. Как правило, шкафы управления с контроллерами, рабочие места и серверы размещаются в специальных помещениях с принудительной подачей очищенного воздуха. Полевое оборудование подбирается специального исполнения в соответствии с условиями эксплуатации. Все это позволяет уменьшить вредное воздействие опасных веществ на средства автоматизации.

Чтобы уменьшить вредное воздействие опасных веществ на оперативный персонал, автоматизация химических производств должна предусматривать также и автоматизированные системы оповещения присутствия в рабочей зоне предельных концентраций опасных для человека веществ.

Взрывоопасность

На большинстве химических предприятий, а особенно на предприятиях нефтехимии, присутствуют взрывоопасные зоны. Применять обычные средства автоматизации в таких случаях запрещено. Применяются средства автоматизации взрывобезопасного исполнения. В таких зонах широко применяются пневматические исполнительные механизмы. Уровень взрывозащиты средств автоматизации должен соответствовать классу взрывоопасности зоны, где он будет установлен.

Большое потребление энергоносителей

Химические производства, как правило, характеризуются значительным потреблением энергоносителей. В зависимости от типа производства, это может быть электрическая энергия, уголь, мазут, природный газ, пар. На крупных предприятиях электроэнергию и пар вырабатывают на собственных ТЭЦ. В связи с этим, остро встает проблема учета энергоносителей. Поэтому автоматизация химических производств должна включать в себя автоматизированную систему комплексного учета энергоносителей.

Заключение

Как уже говорилось, автоматизация химических производств происходит так же, как и в других отраслях промышленности.

Автоматизация химических производств позволяет повысить качество продукции, снизить себестоимость, сократить количество оперативного персонала, увеличить производительность труда и повысить культуру производства.

Но условия химического производства и сам производственный процесс имеют ряд особенностей, которые были рассмотрены в данной статье.

Предприятия «Автоматизированные системы», имеющее большой опыт автоматизации химических производств, поможет Вам автоматизировать Ваше химическое производство, разработает и согласует всю необходимую проектно-сметную документацию, разработает программное обеспечение, выполнит монтажные и пуско-наладочные работы.

Эксплуатация и ремонт средств автоматизации.

Эксплуатация средств автоматизации в сельскохозяйственном производстве имеет свои особенности, заключающиеся в том, что часть этих средств, таких, как датчики, исполнительные устройства, устанавливают непосредственно в производственных помещениях. Окружающая среда таких помещений агрессивна по отношению к элементам автоматики. В связи с этим все средства автоматизации, применяемые в сельскохозяйственном производстве, должны иметь соответствующую защиту от воздействия вредных факторов окружаю­щей среды производственных помещений.

Другой серьезный фактор, отрицательно влияющий на работу средств автоматизации в сельскохозяйственном производстве, - уро­вень напряжения, который в условиях сельской местности подвержен значительным колебаниям. Из-за этого стабильность работы автома­тических устройств существенно снижается.

Профилактические работы. В процессе эксплуатации средств авто­матизации особое внимание обращают на профилактические работы, предупреждающие выход из строя элементов автоматики и в значи­тельной степени исключающие аварии.

Цель этих работ заключается в следующем:

а) добиться гарантийных уровней сопротивления изоля­ции всех частей установок;

б) поддерживать в исправном состоянии кабельное хозяйство, провода, электромагнитные и моторные меха­низмы, реле, контакты и другую аппаратуру;

в) достигнуть соответст­вия параметров защит заданным уставкам;

г) поддерживать в исправ­ном состоянии и 100-%ной готовности к включению устройства ре­зервного питания; д) обеспечить соответствующую надежность действий блокировок и сблокированных частей схем, сигнализации и т. п.

Перед вводом средств автоматизации установок в эксплуатацию проводят технический (внешний) осмотр, в результате которого выяв­ляют ошибки монтажа и наладки. Техническому осмотру предшеству­ет предварительное изучение документации на автоматизацию, актов на скрытые работы, актов и протоколов ревизий и паспортов оборудо­вания и т. д.

Техническое обслуживание. Комплекс мероприятий по техническо­му обслуживанию средств автоматизации включает следующее рабо­ты:

1) профилактические, направленные на предотвращение отказов (замена элементов, смазочные и крепежные работы и т. д.);

2) связан­ные с контролем технического состояния, цель которых - проверить соответствие параметров, характеризующих работоспособное со­стояние устройств автоматики, требованиям нормативно-техниче­ской документации (формуляр, паспорт и др.);

3) регулировочные и настроечные, предназначенные для доведения параметров средств автоматизации (блоков, датчиков, узлов) до значений, установленных нормативно-технической документацией.

Текущий ремонт направлен на восстановление рабо­тоспособности или исправности устройств автоматики путем устранения отказов и повреждений.

В зависимости от условий эксплуатации, конструк­тивных особенностей аппаратуры и характера отказов при организации ТО могут быть использованы три принципа: календарный, наработки и смешанный.

Календарный принцип состоит в том, что ТО назна­чается и проводится по истечении определенного ка­лендарного срока (день, неделя, месяц, квартал и т.д.), независимо от интенсивности использования устройств автоматики. Объем каждого ТО определяется эксплуа­тационной документацией (инструкцией по ТО, инструк­цией по эксплуатации и т. д.).

Принцип наработки предполагает назначение сро­ков ТО по достижении аппаратурой определенной на­работки. При этом наработка может исчисляться в часах работы, числе включений. Этот принцип может быть использован для организации ТО в тех случаях, когда отказы обусловлены процессами износа, аппара­тура работает в тяжелых условиях, значительно отли­чающихся от нормальных, или длительное время.

Смешанный принцип организации ТО применяется для устройств автоматики, у которых отказы обуслов­лены как процессами износа, так и процессами старе­ния.