Проектирование автоматизированной системы управления установкой предварительного сброса воды
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
2.6.2.2 Выбор датчика уровня В процессе выбора оборудования для измерения уровня в емкостях УПСВ были отмечены два уровнемера, отечественный Элемер УЛМ-31А1 и Rosemount 3100. В таблице 5 приведены характеристики уровнемеров. Таблица 5 - Технические характеристики уровнемера Rosemount 3100. Техническая характеристика Rosemount 3100 Элемер УЛМ-31А1 Диапазон измерений от 300 до 12000мм От 600 до 3000 мм Погрешность измерений ±3мм ±3мм Выходной сигнал 4-20 мА/HART 4-20 мА/HART Диапазон рабочих температур окружающей среды -30…+70°С -40…+60°С Степень защиты датчиков от воздействия IP66 IP55 28 пыли и воды Цена 86000 руб. 128 858 руб Как видно из таблицы при относительно одинаковых характеристиках цена у Элемер УЛМ-31А1 больше на 42000 рублей. Таким образом, по соотношению цена-качество был выбран датчик уровня Rosemount 3100 (рисунок 8). Рисунок 8 - уровнемер Rosemount 3100 Датчики могут быть использованы для бесконтактного измерения уровня, непрерывного измерения уровня, расчет объема или расхода в открытых каналах. Конструкция из непластифицированного поливинилхлорида позволяет обеспечивать прочность и надежную работу в емкостях. Принцип работы датчика: ультразвуковые импульсы излучаются уровнемером и отражаются от поверхности жидкости. Уровнемер улавливает отраженные эхо-сигналы и измеряет временной интервал между моментом излучения и приёма отраженного сигнала. На основании полученного временного интервала рассчитывается расстояние до поверхности жидкости. Также уровнемер оснащен встроенным датчиком температуры, который обеспечивает автоматическую компенсацию изменений температуры окружающей среды и их влияния на результаты измерений уровня. Результаты 29 измерений уровня передаются посредством аналогового сигнала 4-20 мА с наложенным цифровым сигналом HART. Габаритные и установочные размеры, а так же схема подключения, показаны на рисунках 9 и 10. Рисунок 9 – Габаритные и установочные размеры Rosemount 3100 Рисунок 10 – Схема подключения Rosemount 3100 2.6.2.3 Выбор датчика расхода В процессе подбора расходомеров были отмечены 2 ультразвуковых расходомера Krohne OPTISONIC 3400 и РУС-1характеристики которых 30 представлены в таблице 6. Таблица 6 - Технические характеристики OPTISONIC 3400 Расходомеры OPTISONIC 3400 РУС-1EX Погрешность ±0.1% ±0.7% Тип защиты IP 67 IP 55 Материал корпуса Нержавеющая сталь Нержавеющая сталь Макс. расход 57 750 м3 / час 110 000 м3/час Макс. скорость потока 20 м/с 12 м/с Температура изм. среды -20 ... +180 °C 0 ... +150 °C Температура окруж. среды -25 ... + 55 °C -40 ... + 60 °C Рабочее давление 100 бар 100 бар Взрывозащищенность 1ExibIIBT5 1ExibIIBT5 Цена 111 440 руб. 35000 руб. Как видно из таблицы у расходомера РУС-1Ex сравнительно неплохие технические характеристики при цене почти в 3 раза меньше, чем у иностранного аналога. Таким образом был выбран расходомер РУС-1Ex. В результате выбора для регистрации расходуемой нефти и воды будет использоваться ультразвуковой расходомер РУС-1Ex. Данный расходомер представляет собой 3-лучевой врезной ультразвуковой расходомер, предназначенный для широкого спектра стандартных применений и применений с повышенными требованиями с использованием однородных, невязких водосодержащих жидкостей, а также жидкостей с взякостью до более 1000 сСт. Он идеально подходит для измерения расхода низкотемпературных (до -200°C / -328°F) и высокотемпературных (до +250°C / +482°F) сред, а также для работы при низком или очень высоком давлении. РУС-1Ex доступен в исполнении с различными номинальными диаметрами – от DN25 / 1" для использования в процессах дозирования до DN3000 / 120" для линий перекачки воды. Принцип измерения, основанный на разности времени прохождения ультразвуковых сигналов, обеспечивает для 3 акустических лучей расходомера возможность с высокой точностью проводить измерения в обоих направлениях потока независимо от профиля потока в том числе при неблагоприятных монтажных условиях (например, при наличии коротких прямых участков на 31 входе и выходе). По показателям скорости звука устройство также может идентифицировать изменения в параметрах технологического процесса или обнаружить загрязнения в жидкости. Полностью сварная конструкция расходомера обеспечивает отсутствие потерь давления и не требует технического обслуживания. Расходомер доступен с фланцевыми и сварными присоединениями. Он предлагает обширные диагностические возможности и поставляется с различными вариантами цифровой связи. На рисунке 11 представлен ультразвуковой расходомер РУС-1Ex Рисунок 11- ультразвуковой расходомер РУС-1Ex Габаритные размеры и изображены на рисунке 12. Рисунок 12 – Габаритные размеры РУС-1Ex 2.6.2.3 Выбор датчика давления Выбор преобразователя проходил из двух вариантов приборов: 32 Rosemount 3051 от компании “Метран”, и его аналог от компании “Yokogawa EC” EJX 430A, так, как они соответствуют необходимым требования указанных в техническом задании. Технические характеристики двух датчиков представлены в таблице 7. Таблица 7 - Технические характеристики EJX 430A и Rosemount 3051. Технические характеристики Rosemount 3051 EJX 430A Измеряемые среды Газ, нефть, вода Газ, нефть, вода Диапазон измерений От 0,05 до 9.6МПа От 0,1 до 10МПа Погрешность приборов ±0,065%, ±0,04% Диапазон рабочих температур измеряемой среды -55…+95°С -60…+98°С Степень защиты по ГОСТ 14254 IP66 IP67 Цена 66520 руб. 39000 руб. Как видно из таблицы погрешность измерений у EJX 430A меньше чем у аналога а цена почти в два раза меньше. Таким образом был выбран датчик давления EJX 430A (рисунок 13), он имеет в унифицированный сигнал постоянного тока 4 … 20 мА, и подходит для работы с агрессивными средами. 33 Рисунок 13 - Датчик давления EJX 430A Датчик предназначен для преобразования давления рабочих сред: жидкости, пара, газа в унифицированный токовый сигнал. Датчик имеет взрывозащищенное исполнение. Взрывозащищенные датчики имеют вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» и соответствуют требованиям ГОСТ 30852.0, ГОСТ 30852.10 и выполнятся с видом вызрывозащиты «особовзрывобезопасный» с маркировкой по взрывозащите – 0ExiaIICT5 X. Установочные и присоединительные размеры датчика и схема подключения EJX 430A приведены на рисунке 14 и 15. Принцип работы датчика: Датчик состоит из сенсорного модуля и электронного преобразователя. Сенсорный модуль состоит из измерительного блока и платы аналого- цифрового преобразователя (АЦП). Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал в соответствующий выходной сигнал. Сенсорный модуль датчиков состоит из корпуса и емкостной измерительной ячейки. Емкостная ячейка изолирована механически, 34 электрически и термически от технологической измеряемой среды и окружающей среды. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны и разделительную жидкость к измерительной мембране, расположенной в центре емкостной ячейки. Рисунок 14 - Установочные и присоединительные размеры датчика Метран- 150 Рисунок 15 – Схема подключения датчика Метран-150 (4…20 мА.) 2.6.2 Выбор исполнительного механизма 2.6.2.1 Выбор электропривода В качестве электропривода был выбран привод РэмТЭК-02 модификации “V”. Данный электроприводы был выбран потому, что отлично подходит для решения задач регулирования, соответствует требованиям взрывозащиты и может эксплуатироваться в жестких условиях с расширенным температурным диапазоном окружающей среды. 35 Рисунок 16 – Электропривод РэмТЭК-02 Взрывозащищенные многооборотные, поворотные, линейные электроприводы серии РэмТЭК-02 предназначены для управления трубопроводной арматурой Ду от 25 до 200 мм во взрывоопасных зонах классов 1 и 2 по ГОСТ Р 51330.9-99, в жестких условиях эксплуатации с расширенным температурным диапазоном окружающей среды (от минус 60 до плюс 50°С). Применение - Поворотные дисковые затворы, шаровые краны, клапаны для регулирования технологического параметра (давление, расход), запорная арматура (клиновая, шиберная и т.д.), в том числе для систем противоаварийной защиты (ПАЗ). Электропривод выпускается в четырех модификациях по способу управления электродвигателем "V", "S", "M" и "R". Для решения наших задача будем использовать электропривод модификации "V" со встроенным преобразователем частоты, так как он наиболее подходит для регулирования клапана. Основные функции: • регулирование технологических параметров (давление, расход, температура) с помощью встроенного ПИД-регулятора (модификация 36 "V") • полный комплекс защит электродвигателя • дистанционное управление электроприводом с помощью встроенного модуля ввода/вывода, включающего в себя, в зависимости от модификации по интерфейсным сигналам: - аналоговое управление 4...20 мА - управление и сигнализацию по дискретным входам/выходам - встроенные интерфейсы RS-485 (Modbus RTU) и CAN • управление электроприводом со встроенного поста управления или с помощью ручного дублера • самоторможение выходного звена при исчезновении питания для линейного и поворотного исполнений • самодиагностика аварийных и предаварийных событий и сохранение их в "черном ящике" с привязкой ко времени. Технические характеристики указаны в таблице 8 Таблица 8-Технические характеристики Взрывозащита 1ExdIIBT4 Степень защиты IP67 Диапазон рабочих температур, °С от -60 до +50 Напряжение Питания РэмТЭК-02 380 (-50 %, +47 %) 2.7 Разработка схемы внешних проводок Схема внешней проводки приведена в ПРИЛОЖЕНИИ В и в ПРИЛОЖЕНИИ Г. Первичные и вне щитовые приборы включают в себя датчики уровня жидкости, температуры, датчики давления, расходомеры. Сигнал с данных приборов преобразуется в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. Для передачи сигналов от уровнемера, датчика температуры, датчика давления, расходомеров, на клеммную соединительную коробку будем 37 использовать кабель “КВВГЭнг(А) LS” по четыре провода, а на исполнительный механизм 6 проводов. Таким образом мы обеспечим запас проводов. КВВГЭнг(А)-LS – кабели контрольные не распространяющие горение, с низким дымо-газовыделением, предназначены для эксплуатации в кабельных сооружениях и помещениях, в том числе в системах АС классов 2,3 и 4 по классификации ОПБ-88/97, для передачи и распределения электрической энергии и электрических сигналов в стационарных установках при переменном 600В и постоянном напряжении до 1000 В. Климатическое исполнение УХЛ и Т, категория размещения 5 по ГОСТ 15150-69. 2.8 Выбор алгоритмов управления АС (УПСВ) В автоматизированной системе на разных уровнях управления используются различные алгоритмы: • Алгоритмы пуска (запуск/остановка) технологического оборудования (релейные пусковые схемы) (разрабатываются на ПЛК и SCADA-форме); • Релейные или ПИД-алгоритмы автоматического регулирования технологическими параметрами технологического оборудования (управление положением рабочего органа) (реализуются по ПЛК); • Алгоритмы управления сбором измерительных сигналов (алгоритмы в виде универсальных логических завершенных программных блоков) (реализуется на ПЛК); • Алгоритмы централизованного управления АС (реализуется на ПЛК или SCADA-форме). В данном курсовом проекте разработаны следующие алгоритмы АС: • Алгоритм сбора данных; • Алгоритм автоматизированного регулирования технологическим параметром; 38 2.8.1 Разработка алгоритма автоматического регулирования уровня жидкости В качестве объекта управления будет ёмкость, где происходит сепарация нефтяной эмульсии, регулировать уровня жидкости будет осуществляться с помощью дросселирования регулирующего клапан на выходе с НГС. Управление клапаном будет осуществляться с помощью асинхронного двигателя и частотным преобразователем. Алгоритм поддержания уровня жидкости в НГС представлен в ПРИЛОЖЕНИИ Е. 2.8.2 Моделирование САР уровня нефти НГС Чтобы обеспечить необходимый уровень жидкости в аппарате обезвоживания нефти используется регулирующий клапан, установленный после НГС, путем дросселирования рабочего органа достигается необходимый уровень. Объектом управления является резервуар аппаратом обезвоживания нефтяной эмульсии. Процесс, происходящий в резервуаре в простейшем виде может описываться так: ℎ(𝑡) = 𝐾 ∗ ( 𝑑(𝐹пр(𝑡) − 𝐹от(𝑡) 𝑑𝑡 ) 𝐾 = Уровень жидкости Объем жидкости в резервауре = М М 3 где: ℎ(𝑡)-Изменение уровня жидкости в резервуаре; 𝐹пр(𝑡)-входной расход являющийся возмущающим воздействием; 𝐹от(𝑡)-выходной расход, регулируемая величина; Регулирующий клапан описывается интегральным звеном: 𝑊 з (𝑝) = 1 𝑝 Асинхронный двигатель представим в виде апериодического звена который преобразует электрическую энергию, c коэффициентом усиления равным 10 и 39 временным коэффициентом равным 0.2: 𝑊 д (𝑝) = 10 0.2 ∙ 𝑝 + 1 Динамику частотного преобразователя будем рассматривать как усилительное звено с коэффициентом усиления K равным исходя из соображений, что он, пропуская через себя напряжение питания, выдает 100%. Регулирование будем осуществлять ПД-регулятором с пропорционально- дифференцирующим законом регулирования: На рисунке 17 представлена модель системы регулирования, созданная в Simulink. Рисунок 17 – Схема САР уровня жидкости в SIMULINK Так как, система обладает свойством полностью устранять установившуюся ошибку, т.е. обладает астатизмом, решено использовать ПД- регулятор. Замкнутый контур регулирования функционирует следующим образом. Уровень на выходе объекта управления измеряется уровнемером, сигнал с которого сравнивается с уставочным значением. Разность между измеренным и уставочным значениями называется ошибкой регулирования. 40 Данный сигнал (ошибка) поступает на ПД-регулятор. В зависимости от значения ошибки с ПД-регулятора поступает управляющее воздействие на исполнительный механизм. Исполнительный механизм состоит из частотного преобразователя, электропривода и регулирующего клапана. Управляющее воздействие проходит через частотный преобразователь, осуществляющий регулирование скоростью вращения электропривода. Электропривод оказывает воздействие на регулирующий клапан, а перемещение шпинделя регулирующего клапана влияет на величину расхода в трубопроводе тем самым влияя на уровень жидкости в емкости. Для настройки коэффициентов ПД-регулятора воспользуемся автоматической настройкой регулятора встроенным в “SIMULINK”. В результате настройки коэффициентов ПД-регулятора с помощью программных средств Simulink, коэффициент для П вышел равным 0.9588 а для Д коэффициента 0.18. Переходный процесс представлен на рисунке 18. Рисунок 18 – Переходный процесс регулирования уровня жидкости с использованием ПД-регулятора По графику переходного процесса можно увидеть, что время переходного процесса составляет 9.58 секунд, а перерегулирование составляет меньше 10 %. Таким образом путем настройки ПД-регулятора мы достигли 41 необходимого быстродействия системы. В системе учитывается возмущение в виде притока жидкости, ниже на рисунке 19 приведена реакция системы на возмущение равной 0.3 м3/c, Рисунок 19 – Реакция системы на возмущение 2.9 Разработка экранной формы Управление в АС УПСВ реализовано при помощи экранной формы, на которой наглядно представлен ход технологического процесса, значения его параметров и состояния устройств. Управление в АС установки предварительного сброса воды реализовано с использованием SCADA системы TIA Portal. Эта система предназначена для использования на действующих технологических установках в реальном времени и требует использования компьютерной техники в промышленном исполнении. В TIA Portal предусмотрена OPC технология, которая предполагает возможность использования оборудования различных производителей. Выбранная SCADA-система не имеет ограничений на выбор аппаратуры нижнего уровня. Это позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули. 42 Пользователь может задавать уставки уровней жидкости в резервуарах, и дистанционно управлять клапанами. В начале пользователь авторизуется, после авторизации на экране отображается основная экранная форма, которая отображает процесс в целом, а так, же показания технологических параметров УПСВ. Экранная форма приведена в ПРИЛОЖЕНИИ Е На мнемосхеме УПСВ отображается работа следующих объектов и показания приборов: • Давление в аппарате обезвоживания нефти и в буферных емкостях; • Уровень в аппарате обезвоживания нефти и в буферных емкостях; • Текущий расход нефти, воды и газа; • Температура среды в емкостях • Положение регулирующих клапанов 43 ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» Студенту: Группа ФИО 8Т4A Тарабукин Иннокентий Михайлович Школа ИШИТР Отделение ОАР Уровень образования Бакалавриат Направление/специальность 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств » Исходные данные к разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и энергосбережение»: 1. Стоимость ресурсов научного исследования (НИ): Материально-технических, энергетических, финансовых, информационных и человеческих Работа с информацией, представленной в российских и иностранных научных публикациях, аналитических материалах, статистических бюллетенях и изданиях, нормативно-правовых документах; анкетирование; опрос 2. Нормы и нормативы расходования ресурсов 3. Используемая система налогообложения, ставки налогов, отчислений, дисконтирования и кредитования |