Автоматизацияя технических процессов. Улучшение качества регулирования
 Скачать 6.17 Mb.
|
|
4 Разработка функциональной схемы автоматизации Функциональная схема автоматического контроля и управления предназначена для отображения основных технических решений, принимаемых при проектировании систем автоматизации технологических процессов. Объектом управления в системах автоматизации технологических процессов является совокупность основного и вспомогательного оборудования вместе с встроенными в него запорными и регулирующими органами . Функциональная схема автоматизации является техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса и оснащения объекта управления приборами и средствами автоматизации. На функциональной схеме автоматизации изображаются системы автоматического контроля, регулирование, дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировок. При разработке функциональной схемы автоматизации технологического процесса решены следующие задачи: – задача получения первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования; – задача контроля и регистрации технологических параметров процессов и состояния технологического оборудования; – задача непосредственного воздействия на технологический процесс для управления им и стабилизации технологических параметров процесса. Разработка функциональной схемы автоматизации всей системы цеха подготовки газа является сложной задачей. В рамках проектных организаций разработкой функциональных схем автоматизации занимается отдел автоматизации, состоящий из 5-10 человек. Таким образом, в рамках выпускной квалификационной работы было решено разработать 28 функциональную схему автоматизации только части системы цеха подготовки газа, а именно абсорбера С-2801-2. В данной работе будем разрабатывать функциональную схему автоматизации по ГОСТ 21.404-85 «Автоматизация технологических процессов. Обозначения условных приборов и средств автоматизации в схемах» и ГОСТ 21.408-93 «Система проектной документации для строительства. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов». Функциональная схема автоматизации абсорбера приведена в приложении В. 29 5 Разработка схемы информационных потоков цеха подготовки газа Схема информационных потоков, приведенная в приложении Г, состоит из трех уровней сбора и хранения информации : – нижний уровень (уровень сбора и обработки), – средний уровень (уровень текущего хранения), – верхний уровень (уровень архивного хранения). На нижнем уровне представляются данные физических устройств ввода/вывода. Они включают в себя данные аналоговых, дискретных сигна- лов, данные вычислений и преобразований. Средний уровень представляет собой буферную базу данных, которая является как приемником, запрашивающим данные от внешних систем, так и их источником. Иными словами, она играет роль маршрутизатора ин- формационных потоков от систем автоматики и телемеханики к графическим экранным формам приложений автоматизированных рабочих мест. На этом уровне из полученных данных ПЛК формирует пакетные потоки информации. Данные между ПЛК и панелью оператора передаются по интерфейсу RS-485, между ПЛК и АРМ оператора – по сети Ethernet. Параметры, передаваемые в локальную вычислительную сеть в формате ОРС, включают в себя: – PI28001161 (PI28001162), давление в кубе абсорбера 7,09÷7,29 МПа; – ТI28001121 (ТI28001122), температура в кубе абсорбера 28÷32 °С; – PI28001171 (PI28001172), давление в верхней части абсорбера 7,07÷7,27 МПа; – ТI28001131 (ТI28001132), температура в верхней части абсорбера 29÷33 °С; – PDIA28001181 (PDIA28001182), перепад давления на абсорбере не более 0,0071 МПа Каждый элемент контроля и управления имеет свой идентификатор (Тег), состоящий из символьной строки. Структура тега имеет следующий вид: ABCСNNNN, где 30 A – параметр, не более 4-х символов, может принимать следующие значения: P – давление избыточное; P – давление-разряжение; T – температура; L – уровень; F – расход. B – функция, может принимать следующие значения: С – управление; R – регистрация; D – разница; A – оповещение; T – передатчик; W – изолированный карман; I – индикация. СС– уточнение: V – задвижка; I – индикация; L – низкий предаварийный уровень; LL – аварийный уровень; H – высокий предаварийный уровень; HH – высокий предаварийный уровень. 4) NNNN – Номер позиции. Кодировка некоторых сигналов в SCADA системе представлена в таблице №1. 31 Таблица №1 – Кодировка сигналов в SCADA системе Тег Описание сигнала PT28001161 pressure in the cube absorber PT28001162 pressure in the cube absorber PT28001171 the pressure in the upper part of the absorbe PT28001172 the pressure in the upper part of the absorbe TT28001121 the temperature in the cube absorber TT28001122 the temperature in the cube absorber TT28001131 the temperature in the upper part of the absorber TT28001132 the temperature in the upper part of the absorber PDT28001181 the pressure drop across the absorber PDT28001182 the pressure drop across the absorber LT28011101 the level of condensate water in the cube absorber LT28011102 the level of condensate water in the cube absorber Верхний уровень представлен БД ПП и БД АСУ ТП. Информация этого уровня структурируется для специалистов наборами экранных форм АРМ. На мониторе АРМ оператора отображаются различные информационные и управляющие элементы. На АРМ диспетчера автоматически формируются различные виды отчетов, все отчеты формируются в формате XML. Генерация отчетов выполняется по следующим расписаниям: – каждый четный / нечетный час (двухчасовой отчет); – каждые сутки (двухчасовой отчет в 24.00 каждых суток); – каждый месяц; – по требованию оператора (оперативный отчет). Отчеты формируются по заданным шаблонам: – сводка по текущему состоянию оборудования; – сводка текущих измерений. Историческая подсистема АС сохраняет информацию изменений тех- нологических параметров для сигналов с заранее определенной детально- стью. Сохранение данных в базе данных происходит при помощи модуля ис- 32 тории DeltaV History Analysis. Данные, хранящиеся более трех месяцев, прореживаются для обеспечения необходимой дискретности. Для регуляризации информации в БД используются таблицы и поля записи. Поля записей канала представлены в таблице №2. Таблица № 2 – Поля записей канала в БД Имя поля Значение Комментарий code PT28001162 Код канала description pressure in the cube absorber Описание (давление в кубе абсорбера) type AI Тип: аналоговый сигнал address 28001162_ P_AI Адрес Event code 1 Код технологического события Alarm code 4 Код аварии Sample (sec) 5 Интервал выборки Raw value 3345 Первичное значение Converted value 163.24 Преобразованное значение МПа Alarm state yes Аварийное состояние coefficient 0.0488 Коэффициент преобразования units МПа Единица измерения Min 0 Минимальное значение max 200 Максимальное значение Таблица некоторых вход/выходных сигналов абсорбера приведена в приложении Д. 33 6 Выбор комплекса технических средств КТС АСУ ТП цеха подготовки газа включает в себя: измерительные и исполнительные устройства, контроллерное оборудование, коммутационную аппаратуру, а также системы сигнализации и вспомогательное оборудование. Измерительные устройства осуществляют сбор информации о технологическом процессе. Исполнительные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую или иную физическую величину для осуществления воздействия на объект управления в соответствии с выбранным алгоритмом управления. Контроллерное оборудование обрабатывает сигналы, поступающие с измерительных устройств, осуществляет алгоритмы управления и выполнение задач вычисления, выдает сигналы управления на исполнительные устройства. Посредством коммутационной аппаратуры осуществляется обмен данными между ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня, а также другими подсистемами. Источник бесперебойного питания обеспечивает надежное функционирование технических средств АСУ ТП. Панель оператора позволяет осуществлять оперативное управление и мониторинг технологического процесса. Контроллерное оборудование располагается в шкафу размером 2000х800х600 мм, со степенью защиты от воздействия окружающей среды IP54, с принудительной вентиляцией. КТС имеет взрывозащитное исполнение типа «взрывонепроницаемая оболочка», либо «искробезопасная электрическая цепь». 6.1 Оборудование шкафа управления Информационные кабели с абсорбера заводятся в шкаф управления и подключаются к соответствующим интерфейсным модулям. В шкафах управления располагается контроллерное и вспомогательное оборудование. В шкафу АРМ оператора располагается ПК со специализированным ПО и ЖК-дисплей для отображения информационных сообщений и экранных форм мнемосхем. 34 6.1.1 Источники электропитания Общее напряжение питания шкафа управления осуществляется от промышленной сети 220В/50Гц и через автоматические предохранительные выключатели двухполюсные поступает на блоки питания оборудования шкафа. Источниками питания оборудования являются блоки питания (БП) QUINT-PS-100-240AC/24DC/20, QUINT-PS-100-240AC/24DC/10 и QUINT- PS-100-240AC/12DC/10, производства компании Phoenix Contact (рис. 1). Рисунок 1. Внешний вид блока питания Компактные блоки питания QUINT-PS обеспечивают максимальную степень готовности системы. Производитель гарантирует надежное и быстрое срабатывание стандартных автоматических выключателей при кротком замыкании благодаря 6-кратному превышению номинального тока и задержке срабатывания электронной защиты в течение 12 миллисекунд. Блок представляет собой импульсный источник питания с регулированием в первичной цепи и дополнительными преобразователями в цепи постоянного тока. Существует как в однофазном исполнении, так и трехфазном, а благодаря наличию системы POWER BOOST, которая обеспечивает выдерживание перегрузки в 1,5 раза в течении длительного времени, отсутствуют провалы напряжения. 35 Основные технические характеристики QUINT-PS-100-240AC/24DC/20 Входные данные Входное напряжение АС ……………………………………… 85…264 В Входное напряжение DC ……………………………………… 90…350 В Частота переменного тока ……………………………………… 45…65 Гц Входной предохранитель …………………………………………. 12 А Выходные данные Номинальное напряжение на выходе DC …………………………. 24 В Погрешность …………………………………………………………. ± 1% Выходной ток ……………………………………………………….. 20 А Возможность параллельного подключения ………………………. есть Возможность последовательного подключения ………………….. есть КПД ………………………………………………………………….. 92 % Конструктив Способ монтажа ………………………………………………. На DIN-рейку Рабочая температура ……………………………………………. -25…+70 °C Габариты (ШхВхГ) ………………………………………… 157x130x125 мм Кроме того для питания маломощной нагрузки используются источники питания такого же номинала, только на ток до 10А на нагрузке. Так же применяются источники питания на 12В и ток до 10А. 6.1.2. Развязывающие диоды Однотипные источники питания включены параллельно, для обеспечения пассивного резервирования. У БП в выходной цепи возможны две неисправности: типа «обрыв» и «короткое замыкание». При параллельном включении БП возникновение неисправности «обрыв» на одном из них не влечет за собой нарушения работоспособности, а вот вторая – влечет. Для исключения влияния на работоспособность группы БП 36 неисправности типа «короткое замыкание» используют блок развязывающих диодов. Рисунок 2. Внешний вид блока развязывающих диодов Основные технические характеристики представлены ниже. Входные данные Номинальное напряжение на входе …………………………………... =24 В Диапазон входного постоянного напряжения ……………………….. 0 – 30 В Номинальный входной ток ……………………………… 2x 20 А (макс. 30 А) 1x 40 А (макс. 60 А) Выходные данные Рассеиваемая мощность, макс ………………………………………….. 20 Вт КПД ……………………………………………………………………… > 97 % Конструктив Способ монтажа ……………………………………………. На DIN-рейку Рабочая температура ……………………………………………. -25…+70 °C Габариты (ШхВхГ) ……………………………………………. 62x84x102 мм Схема подключения источников питания и диодов представлена на рисунке 3. 37 Рисунок 3. Схема подключения блоков питания и развязывающих диодов 6.1.3 Клеммник распределения питания Для подключения питания 24В по оборудованию шкафа и полевому оборудованию выбираем клеммники UK10 – DREHSI LED, производства компании Phoenix Contact (рис.4 ). 38 Рисунок 4. Блок клеммников 24В питания оборудования Клеммные модули оснащены плавкими предохранителями. При возникновении в цепи тока, превышающего расчетный, предохранитель перегорает. 6.1.4. Контроллеры и подсистема ввода-вывода В качестве контроллерного оборудования выбираем систему Delta V. Монтаж компонентов системы осуществляется на рейке DIN в шкафу управления. Несущие панели обеспечивают подключение к линиям питания и коммуникаций. Подсистема ввода-вывода и контроллеры являются модульными компонентами, устанавливаемыми в слоты (разъемы) на несущей панели. Рисунок 5. Контроллерное оборудование системы Delta V, смонтированное в шкафу управления 39 6.1.5. Электропитание системы Delta V Питание системы осуществляется от собственного системного источника питания. Системные источники питания способны принимать широкий диапазон входных напряжений и преобразовывать его в стабильное выходное напряжение. Конструкционной особенностью блока питания является то, что он подключается к общей шине питания через специальный разъем, что избавляет от необходимости в использовании огромного количества проводов (рис.6). Рисунок 6. Системный источник питания для Delta V В нашем случае два источника объединены и подают напряжение только на одну шину питания через несущие панели интерфейсов ввода/вывода. В случае отказа одного из системных блоков питания неисправный блок можно заменить, не отключая систему и не нарушая ее функционирование. В случае сбоя напряжения сети или выходного напряжения системного источника питания, пользователь получает предупреждение, а блок питания прекращает свое функционирование. Кроме того, состояние источника питания показывают светодиодные индикаторы, расположенные на корпусе. Используемые источники питания принимают питание напряжением 24В и передает его на 2-слотовую несущую панель устройств питания/контроллеров, на которой он установлен. Системный источник 40 питания изолирован от источника питания полевого оборудования. Основные характеристики представлены в таблице № 3. Таблица № 3 – Основные характеристики источника питания (Dual DC/DC) Входное питание от 11,4 до 12,6 В пост. тока (входное питание 12 В пост. тока) от 21,6 до 26,4 В пост. тока (входное питание 24 В пост. тока) Бросок питания (“мягкий” запуск) Максимальный пик 12 A в течение 5 мс при входном питании 12 В пост. тока (за исключением транзитного выходного питания 12 В пост. тока) Максимальный ток 20А в течение 5 мс при входном питании 24В пост. тока.(включая выходное питание 12В пост.тока) Выходная мощность Суммарная 10 Вт при 60 °C (комбинированный выход 5В пост. тока и 3.3В пост. тока) Выходные напряжения 13А максимум при 12 В пост. тока 12В пост. тока, 4,5А максимум (если преобразовывается из 24 В пост. тока) 2,0 A при 5 В пост. тока 1,2 A при 3,3 В пост. Тока Входная защита Внутренний предохранитель, несменяемый Защита от перенапряжения Выход защищен при уровне от 110 до 120% Время удерживания Выход: остается в пределах 5% от номинала при полной нагрузке и входном питании 11,4 В пост. тока в течение 5 мс Рабочая температура от 0 до 60 °C (от 32 до 140 °F) без падения мощности Температура от -40 до 70 °C (от -40 до 158 °F) 41 хранения Относительная влажность от 5 до 95%, без конденсации Воздушные загрязнения ISA-S71.04-1985 Класс воздушных загрязнений G3 Ударная нагрузка ½ синусоиды 10 г в течение 11 мс Вибрация Амплитуда 1 мм от 5 до 16 Гц, 0,5 г от 16 до 150 Гц Установка В любой слот 2-слотовой несущей панели устройств питания/контроллеров Светодиодные индикаторы: Зеленый – питание пост. током Подается входное питание пост. током, внутренний предохранитель/диод цел. Красный – Ошибка Значения на выходах 5 В пост. тока и 3,3 В пост. тока отклонились за допустимые пределы. Внешние разъемы: Основное питание Вход - постоянный ток, 2 контакта Тревожная сигнализация нормально разомкнутое 2-проводное реле; реле закрыто, когда на выходах в пределах ±4% от номинала; 2,0 A при 30 В пост. тока, 2,0 при 250 В перем. тока 6.1.6 Опросный лист для выбора контроллера В настоящее время существует огромное количество производителей контроллерного оборудования. Программируемые логические контроллеры применяются в разных отраслях промышленности, обладают различными техническими и эксплуатационными характеристиками, имеют разное исполнение, снабжаются различными модулями ввода/вывода и поставляются с различным программным обеспечением. Поэтому, для 42 оптимального выбора контроллера, необходимо сформировать к нему определенные требования, которым должна отвечать система управления построенная на выбранном ПЛК. Одним из способов сформировать для поставщика и определиться с выбором оборудования является опросный лист. Основные его пункты представлены в таблице № 4. Таблица № 4 – Опросный лист выбора ПЛК Наименование системы (объекта управления) Система автоматизированного управления винтовым компрессором Назначение контроллера Сбор данных Дискретное управление Непрерывное управление Вычисление расхода газа Компьютер чистой нефти Оптимизация добычи нефти Количество сигналов ввода/вывода Аналоговый вход: 16 Аналоговый выход: 8 Дискретный вход “сухой контакт”: 48 Дискретный вход 24 В: 16 Дискретный выход 24 В: 24 Дискретный выход релейный: 16 Импульсный вход: Температурный вход Pt100: Цифровой вход HART: 8 Количество и тип коммуникационных портов (максимум 2) RS-232 (до 15 м) RS-485 (до 1500 м) Выделенная телефонная линия Коммутируемая телефонная линия Радио Поддерживаемые комм. протоколы ROC MODBUS HART Условия размещения контроллера В отапливаемом помещении В неотапливаемом помещении Вне помещения Защитный кожух Не требуется Требуется - для монтажа на открытой площадке - для монтажа на стене/трубе Внешний жидкокристаллический дисплей Не требуется Требуется Температура окружающей среды 43 °C Напряжение питания на объекте 220 В перем. тока 24 В пост. Тока 12 В пост. Тока отсутствует Контроллер нужно укомплектовать программным обеспечением Для сбора и отображения данных (SCADA) OPC сервером DDE сервером _____________ Дополнительные требования Возможность замены модулей и частей системы «на горячую» без прерывания функционирования. Сформированным требованиям в полной мере соответствует контроллер MD Plus системы Delta V. Контроллер выбран с заведомой избыточностью в плане количества поддерживаемых каналов ввода/вывода и количества обрабатываемых параметров с целью возможного дальнейшего расширения системы. |