Раздел 1 Введение в автоматизацию. 1 введение в автоматизацию
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 1 1 ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗАЦИЮ 1.1 Общие сведения об автоматизации Автоматизацией производственного процесса (АПП) называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические операции осуществляются автоматически с помощью специальных технических устройств без непосредственного участия человека. АПП предполагает контроль, регулирование и управление производственным процессом, а также сигнализацию отклонений от номинальных режимов, блокировку и защиту процесса от аварийных режимов. Контроль – это установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные формы его состояния. В системах автоматического контроля (САК) объект контроля находится под воздействием ряда влияющих факторов, которые вызывают отклонение выходной величины от заданного значения. Оператор постоянно контролирует состояние объекта, получая информацию о нем с помощью некоторого набора технических средств, и при необходимости осуществляет управление им в ручном режиме (рис. 1.1). ОК – объект контроля ВВ – возмущающие воздействия Д – датчик КС – канал связи ВП – вторичный прибор О – оператор Рисунок 1.1 – Структурная схема системы автоматического контроля Например, для поддержания постоянного уровняв емкости оператор постоянно контролирует его уровнемером Д у и поддерживает его значение на некотором постоянном уровне Н, изменяя с помощью регулирующего органа РО приток в емкость п (рис. 1.2). Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 2 ОК – объект контроля (емкость п – расход притока о – расход отбора H – уровень жидкости Д у – датчик уровня ВП – вторичный прибор РО – регулирующий орган (задвижка) Рисунок 1.2 – Пример системы автоматического контроля Регулирование – это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта. В системах автоматического регулирования (САР) этот процесс происходит автоматически с помощью специального устройства, которое называется автоматическим регулятором. Он постоянно сравнивает текущее значение регулируемой величины с заданным (уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие – посредством изменения уставки (рис. 1.3). Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 3 ОР – объект регулирования ВВ – возмущающие воздействия Д – датчик КС – канал связи ВП – вторичный прибор О – оператор АР – автоматический регулятор ИУ – исполнительное устройство Рисунок 1.3 – Структурная схема системы автоматического регулирования Вернемся к нашему примеру с емкостью, уровень в которой должен поддерживаться постоянным. В случае САР воздействие на РО будет происходить автоматически, как только регулятор Р установит несоответствие между заданным значением уровня Н з и текущим Н рис. 1.4). ОР – объект регулирования (емкость п – расход притока о – расход отбора H – уровень жидкости Д у – датчик уровня АР – автоматический регулятор ВП – вторичный прибор РО – регулирующий орган (клапан) Рисунок 1.4 – Пример системы автоматического регулирования Управление – это осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 4 возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Структурная схема системы автоматического управления (САУ) показана на рис. 1.5. ОУ – объект управления ВВ – возмущающие воздействия Д 1 ,…,Д n – датчики МПК – микропроцессорный контроллер ИУ 1 ,…,ИУ m – исполнительные устройства Рисунок 1.5 – Структурная схема системы автоматического управления Микропроцессорный контроллер осуществляет автоматическое управление, анализируя всю доступную информацию об объекте и выбирая из множества возможных регулирующих воздействий то, которое соответствует запрограммированному в него критерию управления. Сигнализация – это какое-либо извещение обслуживающего персонала (звуковое, световое) о состоянии технологического объекта, те. о достижении определенных значений контролируемых параметров (чаще всего максимальных или минимальных. Например, для сигнализации наличия и уровня жидкости в емкости используются две сигнальные лампочки. Если жидкость в емкости отсутствует, горят две сигнальные лампочки. При наливе, когда жидкость достигает нижнего предельного уровня, погасает первая сигнальная лампочка, а при наполнении до верхнего уровня, - вторая. Аварийная защита – система защиты контролируемого процесса от нежелательного развития событий, которое может привести к аварии Например, на резервуарах обязательно устанавливаются сигнализаторы уровня, настроенные на один или два предельные значения уровня только верхний аварийный или верхний предупредительный и верхний аварийный. При срабатывании сигнализатора автоматически закрывается приемная задвижка и поступление жидкости в резервуар прекращается. Блокировка – предотвращение технологически недопустимых действий оперативного персонала, обеспечение заданной последовательности отключения основного и Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 5 вспомогательного технологического оборудования, технологической взаимозависимости отдельных механизмов и аппаратов. Например, пуск насоса разрешен только при работающей маслосистеме, подающей масло к подшипникам насосного агрегата. Поэтому, если маслосистема не включилась, происходит блокировка пусковой кнопки. Блокировка необходима также для реализации принципа Fool Proof (защита от дурака, позволяющего избежать опасных последствий от неправильных действий персонала. Например, в емкости происходит смешивание двух жидкостей – воды и кислоты. Подача жидкостей в емкость по соображениям безопасности должна производиться в определенной последовательности вначале емкость заполняется водой, затем к ней добавляется кислота, те. вначале открывается кран Аи через некоторый промежуток времени кран Б. Если же оператор по ошибке начнет открывать кран Б, то сработает блокировка этого крана (рис. 1.6). Рисунок 1.6 – Пример блокировки 1.2 Этапы развития систем автоматизации Историю развития систем автоматизации можно условно разделить на несколько этапов, на каждом из которых меняется характер объектов и методов управления, средств автоматизации и других компонентов, составляющих содержание современной системы управления. Первый этап отражает переход от систем автоматического контроля к системам автоматического регулирования, те. непосредственно от ручного регулирования к Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 6 автоматическому. По мере усложнения технологических процессов и увеличения используемых контуров регулирования (отдельных САР) наступил следующий, второй этап автоматизации технологических процессов, – переход к системе автоматического управления (САУ). Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система с помощью САУ реализуются все более сложные законы управления, например, решаются задачи оптимального и адаптивного управления. Характерной особенностью этого этапа является внедрение в управление технологическими процессами систем телеуправления и микропроцессорных комплексов, на которые возлагаются функции контроля и регулирования отдельных параметров объекта управления. Человек все больше отдаляется от него, между ними выстраивается целый ряд локальных измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телеуправления, каналов связи и т.п. Главное преимущество, которое обеспечивает микропроцессорный комплекс, – это возможность программным путем, не меняя аппаратную часть системы, изменять алгоритмы формирования управляющих воздействий. Если САР работает по жесткой программе и для одних и тех же технологических ситуаций ее реакция будет одинакова, тов САУ она будет определяться также заложенным в нее критерием управления. Третий этап – переход к автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУ ТП). Современные АСУ ТП можно разделить натри уровня – нижний, средний и верхний уровень (рис. 1.7). Данные, собранные нижестоящим уровнем, поступают на вышестоящий, те. реализуется классическая схема управления восходящий поток данных и нисходящий поток команд. На нижнем уровне располагаются датчики, исполнительные механизмы, вторичные преобразователи и приборы. Они собирают информацию об объекте автоматизации и преобразуют измеряемые величины (температуру, давление и т. д) в нормированные электрические или цифровые сигналы. Основными техническими средствами среднего уровня являются программируемые логические контроллеры с модулями ввода/вывода. На этом уровне по программе, содержащейся в контроллере, реализуется локальная обработка входных сигналов, выдача управляющих команд на исполнительные механизмы, а также выполняются функции автоматического ведения режимов блокировок и защит. Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 7 Рисунок 1.7 – Структурная схема современной АСУ ТП Верхний уровень находится в помещении операторной и оснащен высоконадежным персональным компьютером в промышленном исполнении. Компьютер служит для визуализации всех контролируемых и управляемых параметров, оперативного управления технологическим процессом, автоматического ведения архивов, формирования отчетов. Как правило, все перечисленные функции осуществляются с помощью так называемых систем Control And Data Acquisition) – систем диспетчерского управления и сбора данных. системы позволяют создавать мнемосхемы, отображающие ход технологического процесса на мониторе оператора. При этом возможно представление графиков (трендов) измеряемых величин, сообщения о неисправностях и авариях, ввод в систему управления команд оператора и т.д. Обмен между контроллером и операторской станцией осуществляется по промышленной сети (тип интерфейса и протокол определяется используемым контроллером. Таким образом, от этапа к этапу меняются не только используемые технические средства, но и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Задачи, решаемые человеком, становятся более масштабными, а возможности непосредственного вмешательства в технологический процесс, наоборот, минимизируются. В САК оператор получал информацию, условно, об одном параметре и воздействовал Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 8 на один расположенный рядом с ним исполнительный механизм. В САР его задача сводилась к изменению уставки автоматического регулятора в САУ – к перепрограммированию контроллера в соответствии с новой задачей управления. Диспетчер в трехуровневой АСУ ТП получает полную информацию с монитора ЭВМ и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, те. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации. От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) внештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Таким образом, несмотря на всевозрастающий объем автоматизации, главным действующим лицом в управлении технологическим процессом все равно остается человек. Четвертый этап развития систем автоматизации – переход от АСУ ТП к автоматизированным системам управления производством (АСУП). И, можно сказать, что сейчас мы являемся свидетелями и участниками начала пятого этапа, когда АСУП переходят на новый уровень развития, который подразумевает максимальное использование цифровых технологий. На этом этапе развития систем автоматизации происходит цифровая трансформация предприятия. 1.3 Особенности процесса управления промышленным объектом Как известно, любая система управления состоит из двух взаимосвязанных подсистем управляемой и управляющей. Управляющая система является субъектом управления, то есть источником активности, направленной на управляемую систему – объект управления. В управляющую систему поступает измерительная и иная осведомительная информация о состоянии и поведении объекта управления. Управляющая система обрабатывает эту информацию, сравнивает действительное состояние и поведение объекта с желаемым, вырабатывает решения по устранению выявленных отклонений и выдаёт соответствующие управляющие воздействия на объект управления. Одним из важнейших условий осуществимости управления в различных сферах человеческой деятельности является соблюдение Закона необходимого разнообразия (ЗНР), сформулированного У.Р. Эшби: для того чтобы управление было возможным, необходимо, чтобы на каждое состояние объекта управления субъект управления мог бы ответить, по Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 9 крайней мере, одним собственным состоянием. Разнообразие по Эшби – это мера сложности той или иной системы, или число возможных состояний, в которых она может находиться. ЗНР можно сформулировать иначе управляющая система не должна быть проще объекта управления. Математически ЗНР выражается простым соотношением о ≤ у, где о – разнообразие объекта управления у – разнообразие управляющей системы. Соотношение R о >R у недопустимо, поскольку в этом случае объект управления может в некоторые, часто неопределенные и непредсказуемые моменты времени стать неуправляемым, то есть объект управления может под воздействием внешних влияний принять такое состояние, на которое у субъекта управления не окажется подходящей реакции, подходящего управляющего воздействия. Примером может служить ситуация, когда управляемый технологический или технический объект (атомная электростанция, химический реактор, сверхзвуковой самолет, космический корабль, буровая установка, магистральный трубопровод) перейдет в непредусмотренное аварийное состояние, на которое ни оператор, ни система противоаварийной защиты не смогут своевременно и адекватно отреагировать. Такие ситуации могут возникнуть вследствие сбоев и отказов оборудования или неправильных действий обслуживающего персонала. Например, на трубопроводном транспорте нефти возможны отказы запорной арматуры, появление трещин в трубе, приводящие к розливу нефти. Кроме того, непредсказуемость и неопределенность состояний объекта управления могут быть обусловлены неполнотой наших знаний об объекте управления. Входе развития промышленного производства происходит усложнение объектов управления, то есть повышение показателя их сложности о, которое проявляется – в использовании в производстве новых более сложных технологий – в расширении производства (экстенсификации), то есть в увеличении числа объектов управления – в росте мощности оборудования производства (интенсификации – в использовании форсированных режимов в процессах высоких температур, давлений, скоростей потоков и реакций – в близости режима нормального (оптимального) ведения ряда процессов к критическим, потенциально опасным областям. Поскольку в процессе развития сложность объектов управления повышается, что приводит к нарушению ЗНР (R о >R у ), повлиять на выполнение ЗНР можно только путём усложнения, совершенствования управляющей системы. Иначе говоря, усложнение объектов Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 10 управления, их интенсивное и экстенсивное развитие требует по ЗНР более сложных систем управления, процедур принятия управленческих решений, алгоритмов формирования управляющих воздействий. Таким образом, в течение всего жизненного цикла промышленного предприятия необходимо постоянное совершенствование процессов управления. Из ЗНР вытекает также следующий важный вывод управление – это самый сложный вид человеческой деятельности. Если это будет не так, то все усилия по управлению объектами государством, отраслями, предприятиями, производствами, процессами – будут напрасными. В настоящее время совершенствование (усложнение) процессов управления может быть достигнуто с помощью двух инструментов – применением математических и экономико-математических методов, которые образуют математическое, алгоритмическое и программное обеспечение системы управления – применением средств вычислительной техники и информационных технологий – технического обеспечения системы управления. В любой системе управления состав и характеристики управляющей системы определяются задачами и характеристиками объекта управления. В сфере промышленного производства целесообразно выделить четыре уровня объектов управления, образующих иерархию – предприятие – первичное звено в системе общественного производства, характеризующееся производственно-техническим, организационным, экономическими социальным единством – производство – цех, установка, участок предприятия, осуществляющее выпуск основной и/или вспомогательной продукции предприятия – процесс (технологический процесс) – последовательность действий (операций, приводящих к преобразованию энергии, к превращению исходных веществ, материалов, деталей, заготовок в готовый продукт или полупродукт – операция (технологическая операция) – часть технологического процесса, характеризующаяся единством физических, химических, физико-химических или иных изменений, происходящих в объекте управления. Примерами предприятий как объектов управления являются нефтегазодобывающее управление нефтеперерабатывающий завод завод медицинских препаратов электростанция. Примерами производств крупных предприятий являются производство топлив и масел производство фенола и ацетона сталеплавильное производство производство автомобилей производство лекарств хлебопекарное производство производство Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 11 электроэнергии. Примеры процессов весьма многочисленны бурение скважин, добыча, транспортировка и хранение нефти и газа, электрообессоливание нефти, первичная перегонка нефти, каталитический крекинг, каталитический риформинг, металлообработка, мартеновский процесс, выпекание хлеба и многие другие. К технологическим операциям можно отнести, в частности, перемещение, дозирование, смешение, фильтрование, сжатие, нагревание, охлаждение, нагнетание, ректификацию, абсорбцию и т.д. Объектами управления могут быть вспомогательные системы предприятия водоснабжения, теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования, очистки и другие. 1.4 Задачи и архитектура систем управления промышленными объектами Производства и процессы можно разделить на четыре класса – непрерывные – характеризуются непрерывной подачей материалов, непрерывным технологическим процессом и непрерывным выпуском готовой продукции (примеры производство электроэнергии, трубопроводный транспорт нефти и газа, многие процессы нефтепереработки – полунепрерывные (периодические) – характеризуются периодической загрузкой сырья, непрерывным технологическим процессом и периодической выгрузкой готовой продукции (примеры выплавка чугуна доменным способом, получение кокса методом замедленного коксования, выращивание урожая, решение задач на ЭВМ – смешанные (непрерывно-дискретные) – характеризуются получением штучной продукции из материалов (примеры изготовление труб для магистральных трубопроводов, металлообработка, производство интегральных схем, конфет, лекарств – дискретные – характеризуются получением штучной продукции из штучных компонентов, деталей, полуфабрикатов (примеры процессы сборки, сварки, упаковки, в частности, строительство магистральных трубопроводов. Непрерывные процессы обеспечивают более высокую производительность более высокое качество, меньший разброс параметров большее удобство для автоматизации за счёт стабильности режима. Некоторые процессы могут быть переведены из класса, скажем, периодических в класс непрерывных, например непрерывная разливка стали непрерывное изготовление труб непрерывная транспортировка нефти и газа. В тоже время непрерывные процессы практически не допускают изменение технологии или допускают изменение технологии в очень узких пределах. А смешанные и Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 12 дискретные процессы могут быть быстро перенастроены навыпуск иной продукции, конечно только в рамках класса продукции (металлические детали, хлебобулочные изделия и т.д.). Непрерывные процессы могут быть представлены как периодические – каталитические процессы с длительным периодом нормальной (непрерывной) работы и периодической регенерацией катализатора – все процессы, которые периодически останавливаются на текущий или капитальный ремонт с последующим пуском. Между классами процессов и задачами управления ими существуют связи. Сущность задач управления заключается в следующем – контроль параметров – определение текущих значений технических и технологических параметров, характеризующих процесс температуры, давления, уровня, расхода, концентрации веществ, свойств веществ и пр – стабилизация параметров – поддержание технических и технологических параметров на заданном уровне – статическая оптимизация – определение наилучших в определённом смысле условий ведения процесса в установившихся состояниях, например, в виде оптимальных заданий регуляторам – программно-логическое управление – управление объектом по определённой программе, устанавливающей порядок и логику выполнения действий, операций, например, управление пуском процесса, то есть переводом его их холодного состояния в рабочее – динамическая оптимизация – определение наилучшей траектории движения объекта управления, перевода его из одного состояния в другое в соответствии с некоторым критерием оптимальности, например, с максимальным быстродействием или с минимальными потерями – контроль координат – определение координат и ориентации заготовок, деталей в пространстве, например, в сборочном процессе – составление расписания – календарное планирование последовательного запуска деталей в обработку на технологическом оборудования так, чтобы минимизировать общую продолжительность операций – синхронизация потоков – согласование по скорости потоков поступления компонентов на сборочный узел в условиях случайных возмущений, связанных с отбраковкой компонентов на операциях контроля качества – манипулирование – перемещение и ориентирование деталей в пространстве перед обработкой или сборкой – распознавание образов – выбор деталей, инструментов нужной конфигурации из общей массы Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 13 – сетевое планирование – планирование многоэтапных параллельных работ, например, при строительстве магистральных трубопроводов – массовое обслуживание – согласование потоков заготовок на обработку и процессов обработки. На основании приведённой далеко неполной классификации предприятий, производств и процессов по ряду признаков можно сделать вывод, что система управления тем или иным объектом управления зависит от множества факторов целей, задачи стратегии управления, характера выпускаемой продукции, особенностей производственных процессов, организации отдельных сторон производства и т.д. Для организации и осуществления управления промышленными предприятиями, производствами и процессами и предназначены автоматизированные системы управления Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность математических методов, технических и программных средств, организационных комплексов, а также управленческого и обслуживающего персонала, которые совместно осуществляют рациональное управление объектом управления в соответствии с поставленной целью. Современная концепция автоматизации производства (предприятия) окончательно сформировалась в последнем десятилетии ХХ века. Эта концепция выделяет несколько слоев в системе управления предприятием (рис. 1.8): – технологический слой, которым является собственно технологический объект управления (ТОУ); – слой датчиков и исполнительных устройств, установленных (смонтированных) на оборудовании ТОУ; – слой устройств связи с ТОУ, обеспечивающий преобразование информации от разнообразных датчиков и других средств получения данных в цифровую форму и преобразование из цифровой формы управляющих воздействий системы управления на разнообразные исполнительные устройства – слой прямого цифрового управления, в который входят микропроцессорные контроллеры, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры – слой супервизорного управления и обработки данных (SCADA), обеспечивающий взаимодействие человека-оператора с системой – слой исполнения производства (Manufacturing Execution Systems – MES), необходимый для организации взаимодействия уровня управления технологическими процессами производства и уровня управления предприятием – слой управления предприятием, для которого характерны задачи автоматизации документооборота, бухгалтерского учета, управления кадрами, финансами, снабжением, Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства / МЮ. Прахова, СВ. Щербинин, Е.А. Хорошавина, Л.Г. Дадаян, АН. Краснов, ОБ. Трушкин – Уфа УГНТУ, 2019 14 сбытом и т.д. Нижние слои системы, принято объединять наименованием АСУТП. Верхний слой представляет собой АСУП. За рубежом этому уровню соответствуют в некоторой степени системы ERP (Enterprise Resource Planning). АСУП – автоматизированная система управления предприятием АСУОТ – организационно-технологическая автоматизированная система управления АТК – автоматизированный технологический комплекс АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом Рисунок 1.8 – Архитектура системы управления предприятием |