Проектирование микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

1. Описание объекта управления

1.1 Общая характеристика технологического процесса дожимной насосной станции

Обводненная нефть с замерных установок кустовых площадок поступает на первую ступень сепарации. С первой ступени сепарации поток газа с остаточным содержанием жидкости поступает в газосепараторы.

С первой ступени сепарации нефть поступает на установку предварительного сброса пластовой воды УПСВ.

После УПСВ нефть поступает на вторую ступень сепарации. После сепарации нефть поступает на насосы нефти. После выхода с насосов нефть проходит через узел учета нефти и далее на ЦППН.

Подтоварная вода поступает в резервуары отстойники. После отстоя очищенная пластовая вода из резервуаров с помощью насосов откачки очищенных стоков поступает на КНС.

Уловленная нефть из резервуаров с помощью насосов подрезки поступает на вход первой ступени сепарации.

1.2 Описание насосного парка

В состав насосного парка входят насосы:

- насосы откачки нефти ЦНС 180 - 212 Н - 1/1, 2, 3;

- насосы подрезки нефти ЦНС 38 - 154 Н - 2/1, 2;

- насосы УПСВ 1Д630-90 В - 1, 2, 3.

Насосы установлены на двух понтонах в панельно-каркасном здании. В здании предусмотрено стационарное грузоподъемное устройство грузоподъемностью 5 т.

Фильтры насосов и выкидные задвижки на выходе насосов расположены за зданием насосной станции и скомпонованы в модуль фильтров и модуль переключающих задвижек.

На фильтрах для насосов контролируется перепад давления.

Пуск насосных агрегатов осуществляется от кнопки «Пуск» по месту в насосной.

При работе насосных агрегатов контролируются следующие параметры, характеризующие их работу:

- давление на выкиде насоса;

- температура подшипников электродвигателя и насоса;

- сигнализация максимального уровня утечек сальников насоса;

- сигнализация останова насосного агрегата;

- сигнализация загазованности у насосов;

- перепад давления на фильтре на входе насоса.

При останове насосного агрегата запорная задвижка на выкиде должна закрываться.

2. Постановка задачи

2.1 Характеристика комплекса задач

Объектом управления является нефтяной насосный агрегат ДНС.

Система управления нефтяным насосным агрегатом создается для решения следующих задач:

- обеспечение функционирования объектов с участием минимума персонала;

- уменьшение количества аварийных ситуаций;

- уменьшение случаев выхода из строя оборудования;

- уменьшение влияния «человеческого фактора».

Полное наименование системы - «Система управления насосным агрегатом».

2.2 Функции системы управления

Система управления должна выполнять следующие функции:

- сбор данных о состоянии оборудования;

- автоматический останов насосного агрегата в случае выхода параметров за пределы;

- управления запорным клапаном на выкиде насоса;

- запуск насоса по заданной программе;

- передача данных о состоянии оборудования на диспетчерский пункт.

3. Проектирование системы управления насосным агрегатом

3.1 Структура системы управления

Система управления включает:

- средства КИП;

- МПС;

- преобразователь RS 232 в Ethernet.

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы управления

КИП предназначены для получения информации о состоянии оборудования.

МПС предназначена для сбора информации с датчиков, управления оборудованием и организации обмена данными с верхним уровнем.

Преобразователь предназначен для осуществления обмена между устройством с интерфейсом RS-232 (в данном случаем МПС) и диспетчерским пунктом через сеть Ethernet.

3.2 Технические средства автоматизации

Для выбора средства измерения избыточного давления будет произведен сравнительный анализ нескольких датчиков различных фирм. Характеристики представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Датчики давления

Характеристика	Rosemount 2088 (ДИ)	Метран-100 (ДИ)	WIKA S-10
Назначение	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара.	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара
Диапазон измеряемого давления:	10,34 - 27579,2 кПа	0 - 100МПа	0 - 100МПа
Температура окружающей среды	-40 - 85 °С	-40 - 70 °С	-20 - 80
Характеристика	Rosemount 2088 (ДИ)	Метран-100 (ДИ)	WIKA S-10
Температура измеряемой среды	-40 - 121 °С	Не более 120 °С	-30 - 100
Предел допустимой погрешности	0.25%	0.15%	0.25%
Межповерочный интервал	1 года	3 года	2 года
Выходной сигнал	4 - 20 мА	4 - 20 мА	4 - 20 мА
Гарантийный срок	1 год	3 года	1,5 года

Больше всего, по совокупности характеристик подходит датчик избыточного давления Метран - 100. При сходных параметрах, он имеет самую низкую погрешность. К тому же интервал поверки этого прибора больше, чем у представленных аналогов, что позволит снизить затраты на его обслуживание.



Рисунок 3.1 - Датчик давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и / или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

- избыточного давления (Метран-100-ДИ);

- абсолютного давления (Метран-100-ДА);

- разрежения (Метран-100-ДВ);

- давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);

- разности давлений (Метран-100-ДД);

- гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Конфигурирование датчика:

- кнопочное со встроенной панели;

- с помощью HART-коммуникатора;

- с помощью программы HART-Master и компьютера. Доступ к параметрам датчика через ОРС-сервер.

Прибор оборудован встроенным фильтр радиопомех, внешней кнопкой установки «нуля». Так же имеется функция непрерывной самодиагностики.

Измеряемые среды: жидкости (в т.ч. нефтепродукты), пар, газ, в т.ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

- минимальный 0-0,04 кПа;

- максимальный 0-100 МПа.

Диапазон перенастроек пределов измерений до 25:1

Наличие исполнений:

- взрывозащищенное (Ех, Вн);

- кислородное.

Внесены в Госреестр средств измерений, сертификат №11320.

Для сигнализации уровня утечек используется сигнализатор предельного уровня Pointek CLS 200.

Pointek CLS 200 - это универсальный, емкостный сигнализатор с высокой химической стойкостью. Он идеально подходит для регистрации уровня разделительных слоев, сыпучих веществ, жидкостей, взвесей и пены, а также для простого управления насосами.

Преимущества

* литая конструкция защищает сигнальный контур от ударов, вибрации, влаги и / или конденсата;

* высокая химическая стойкость;

* регистрация уровня независимо от близости стенки танка / трубы;

* сигнализатор с высокой / низкой чувствительностью покрывает широкий спектр приложений / материалов;

* аналоговая версия: 3 СИД для индикации и контроля установок, состояния переключения и напряжения;

* цифровая версия: встроенная индикация ЖКД и коммуникация PROFIBUS PA;

* имеются стержневые, кабельные зонды и гигиеническая конструкция;

* простая установка и ТО;

* высокая частота (5,5 МГц).

Pointek CLS 200 поставляется в аналоговой и цифровой версиях.

Аналоговая версия имеет 3 СИД с простыми релейными или транзисторными функциями тревоги.

Цифровая версия имеет встроенную ЖКД-индикацию для использования в качестве автономного устройства и при необходимости с коммуникацией PROFIBUS PA (версия профиля 3.0, Class B).

Гальванически разделенное электропитание подходит для широкого диапазона напряжения (AC/DC 12 до 250 V для аналоговой версии и DC 9 до 32 V для цифровой версии). Зонд из нерж. стали и PPS (PVDF как опция) выдерживает температуры до 125 °C на соприкасающейся с продуктом части. Сигнализатор реагирует на материалы с диэлектрической постоянной от 1,5 или больше, регистрируя изменения несущей частоты. Он может быть настроен таким образом, чтобы определение происходило еще до касания или при касании. CLS 200 работает независимо от материала стенки танка или трубы. Для него не нужно внешнего опорного электрода для регистрации уровня в непроводящих резервуарах из бетона или пластика.

Благодаря модульной конструкции имеется множество различных конфигураций, включая стержневые, кабельные и гигиенические версии. При использовании защитной гильзы SensGuard обеспечивается защита CLS 200 от износа и ударов в тяжелых процессах.

Для получения дискретных данных о превышении или снижении заданных параметров давления были выбраны манометры электроконтактные ДМ-2005, так как они просты в исполнении и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками [7].

Данный прибор является показывающим сигнализирующим манометром, предназначенным для измерения избыточного и вакуумметрического давления жидкостей, паров, газов и управления внешними электрическими цепями в схемах автоматизации и блокировки трубопровода. Основные характеристики датчика ДМ-2005 приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Характеристики датчика ДМ-2005

Диапазон показаний, кг/см2	От 0 до 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160; 250; 400; 600; 1000; 1600
Сила коммутируемого тока, А	до 1
Частота переменного тока, Гц	50±1
Предел допустимой основной погрешности срабатывания сигнализирующего устройства, %	2,5-4 диапазона показаний
Диапазон измерения избыточного давления, %	0-75 диапазона показаний вакуумметрического давления и равен диапазону показаний
Параметры сигнализирующего устройства: Напряжение внешних коммутирующих цепей	24; 27; 36; 40; 140; 220; 380 В-для цепей переменного тока; 24; 27; 36; 40; ПО; 220 В-для цепей постоянного тока;
Предел допускаемой основной погрешности, %	0,1
Потребляемая мощность контактов, ВА	10-30 постоянного 20-50 переменного тока
Средний срок службы датчика	12 лет

Для обоснования выбора датчика температуры, необходимо провести сравнительный анализ различных моделей. Удобнее всего сделать это при помощи таблицы.

Таблица 3.2 - Датчики температур

Технические характеристики	ТСМ Метран-253 (50М)	ТСМУ Метран-274 (50М)	Метран-200Т	ТС-200
Измеряемая среда	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Сыпучие вещества, газообразные, жидкие среды	Газообразные, жидкие сыпучие среды
Диапазон измеряемых температур	-50 - 150С	-5 - 180С	-50 - 100С	-50 - 200С
Предел допустимой основной погрешности	0,1%	0,25%	0,15%	Не указана
Степень защиты от пыли и воды	IP65 по ГОСТ14254	IP65 по ГОСТ14254	Не указана	Не указана
Взрыво-защищенность	1ExdllCT6X	1ExdllCT6X	Exiallc по ГОСТ 227825	Не указана
Температура окружающей среды	-45 - 60С	-45 - 60С	Не указана	Не указана
Выходной сигнал	сопротивление	4 - 20мА	сопротивление	сопротивление
Гарантийный срок службы	18 месяцев	18 месяцев	Не указан	Не указан
Срок службы	Не менее 8 лет[1]	Не менее 8 лет[1]	Не указан[1]	Не менее 10 лет[3]

Наиболее важными критериями при выборе датчика температуры, в нашем случае, является: диапазон измеряемых температур, взрывозащищенность и характеристика измеряемой среды. Исходя из вышеперечисленных критериев выбираем датчик ТСМУ Метран-274 (50М). К тому же он имеет унифицированный выходной сигнал, что дает возможность отказаться от использования преобразователя.

ТСМУ Метран-274 предназначены для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения систем управления без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Термопреобразователи ТCМУ Метран-274-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом по ГОСТ 12.1.011. Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP65.

В качестве сигнализатора загазованности были выбран сигнализатор СТМ-30, которые предназначен для непрерывного автоматического контроля взрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей и паров.

СТМ-30 применяется в процессе добычи, переработки и транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов. СТМ-30 состоит из блока питания и сигнализации БПС, датчика и блока обмена информацией БОИ, обслуживающего от 1 до 16 БПС.

В основу принципа действия сигнализатора положен термохимический метод, основанный на измерении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика, дальнейшем преобразовании полученного сигнала и выдачи сигнала о достижении предельной концентрации [10].

Сигнализатор СТМ-30 имеет следующие особенности исполнения:

- взрывобезопасное исполнение датчиков;

- световая сигнализация при достижении пороговых концентраций или неисправности датчика;

- наличие «сухих» контактов реле для подключения исполнительных устройств;

- наличие выходного унифицированного сигнала 4-20 мА;

- встроенный или выносной датчик;

- наличие цифровой индикации.

Основные характеристики сигнализатора представлены в таблице 3.3

Таблица 3. 3 - Характеристики сигнализатора СТМ-30

Выходной сигнал, мА	4-20
Напряжение питания, В	220
Диапазон измерений, % НПВ (нижний предел взрываемости)	0…50
Диапазон показаний, % НПВ	0…100
Основная абсолютная погрешность, % НПВ	±5
Время срабатывания сигнализации, сек	Не более 7
Резервное питание, В	24
Потребляемая мощность, ВА	Не более 10
Время работы без калибровки, месяц	6

Для измерения вибрации используется датчик вибрации TROLEX TX5634.

Особенности датчика TROLEX:

- выходной сигнал 4-20 мА для контроля частоты вибрации;

- контроль ускорения или скорости вибрации;

- программирование функций и уставок сигнализации при применении программируемых контроллеров TX9137 или TX9042;

- устанавливается на генераторах, насосах, коробках передач, компрессорах, турбинах и двигателях, механизмах с вращающимися частями;

- искробезопасное исполнение.

Перечень сигналов представлен в приложении Б.

3.3 Проектирование микропроцессорной системы

3.3.1 Структура

Структурная схема системы представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структурная схема МПС

МП является центральным блоком МПС. Он управляет всеми микросхемами и производит обработку данных.

МП формирует адрес на США и осуществляет обмен с СШД.

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных.

ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ППИ предназначен для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретные сигналы и ПП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код.

ПП предназначен для организации обмена по последовательному каналу между диспетчерским пунктом и МП.

3.3.2 Проектирование принципиальной схемы

К МПС должна обеспечивать:

- опрос 7 аналоговых датчиков;

- сбор 8 дискретных сигналов;

- формирование 4 дискретных управляющих воздействий.

Расчет необходимого объема памяти данных производится по формуле

, (3.1)

где и - количество аналоговых и дискретных входных сигналов соответственно; и - разрядность аналогового и дискретного сигналов.

В нашем случае и .

В итоге для хранения данных опроса датчиков необходимо

.

В качестве центрального блока системы выбран микроконтроллер КМ1816ВЕ51. Его основными преимуществами являются:

- наличие резидентной памяти программ и данных;

- наличие встроенного ПП;

- 4 порта;

- низкое энергопотребление;

- встроенные таймеры-счетчики.

Для хранения данных используется встроенные 128 байт памяти программ МК. Программа будет храниться в резидентной памяти программ.

Для опроса аналоговых датчиков используется микросхема К572ПВ4. К преимуществам микросхемы относятся:

- наличие встроенного мультиплексора;

- автоматический опрос датчиков без участи микропроцессора;

- хранение результатов преобразования по каждому каналу во встроенной статической памяти.

Так как у МК нет выходов генератора, для формирования тактового сигнала используется микросхема генератора К531ГГ1.

Для организации обмена информации с диспетчерским пунктом используется встроенный в МК приемопередатчик. Однако ПП КМ1816ВЕ51 передает данные с помощью пятивольтовых логических сигналов: единица представляется уровнем напряжения от 2,4 В до 5 В, а нуль - от 0 до 0, 8 В. При передаче по каналу RS-232 нуль и единица кодируются одинаковыми по величине (от 5 до 12 В), но разными по знаку сигналами.

Поскольку для передачи по RS-232 пятивольтовые логические сигналы должны быть преобразованы в сигналы другого уровня, в МПС используется микросхема MAX202E от Maxim. Она содержат преобразователь напряжения из +5 В в ±10 В и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного пятивольтного уровня по стандарту RS-232. Она содержит преобразователи логического уровня для двух приемников и двух передатчиков, из которых используется только один приемопередающий канал.

К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

При подаче напряжения питания на микроконтроллер обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом - через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера.

На вход подается логическая единица, т. к. микроконтроллер будет выполнять программу из резидентной памяти [3].

К линиям порта P0 МК DD1 подключены дискретные входные сигналы DDAT1-DDAT8. К линиям порта P1 подключена АЦС DA1. На линиях P1.0-P1.3 формируются дискретные управляющие воздействия DOUT1-DOUT4.

Так как аналоговые датчики, подключаемые к АЦС DA1 должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0В до 2,5В. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R13 [4].

Спецификация элементов представлена в приложении Г.

3.3.3 Разработка алгоритма работы МПС

МПС работает в следующей последовательности:

а) инициализация системы;

б) опрос датчиков;

в) управление насосным агрегатом;

г) обмен данными с диспетчерским пунктом;

д) переход к шагу б.

Блок-схемы алгоритмов программы работы МПС представлены в приложении Д, фрагмент кода программы - в приложении Е.

3.3.4 Расчет потребляемой мощности

Мощность, потребляемая всей системой, определяется как сумма мощностей, которые потребляют все части системы.

Таблица 3.1 - Расчет потребляемой мощности

Тип микросхемы	Мощность, потребляемая одной микросхемой, Вт	Кол-во	Общая мощность, Вт
Микроконтроллер	1.5	1	1,5
АЦС	0,02	1	0,02
MAX202	1	1	1
Генератор	1	1	1
Резистор	0,1	15	1,5
Итого	5,02

Система потребляет мощность .

3.4 Устройство передачи данных

Для обеспечения обмена с диспетчерским пунктом используется преобразователь интерфейса MI 486. Он позволяет осуществлять прием / передачу данных через сеть Ethernet с компьютера со скоростью до 112 кбод.

Преобразователь интерфейса показан на рисунке 3.3.



Рисунок 3.3 - Преобразователь интерфейса MI 486

Технические характеристики:

- выходной интерфейс: RS-232;

- макс. скорость - до 112 кбод;

- входной интерфейс Ethernet 10BaseT/100BaseT;

- разъем RJ45.

Заключение

В результате выполнения выпускной работы была спроектирована микропроцессорная система управления нефтяным насосным агрегатом на базе микроконтроллера К1816ВЕ51. Система обеспечивает сбор данных с 7 аналоговых датчиков и опрос 8 дискретных входных сигналов. На основании полученных данных происходит управление насосным агрегатом. Также система обеспечивает обмен информацией с диспетчерским пунктом. Для организации передачи / обмена выбран преобразователь интерфейса.

насосный станция датчик автоматизация

Список источников

1 Щелкунов Н.Н. Микропроцессорные средства и системы. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

2 Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя /Оформление Лурье А. - Спб.: Лань., 1997. - 368 с. ил.

3 Приборы и средства автоматизации: Каталог. Т.1. Приборы для измерения температуры. - М.: ООО Издательство «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», 2004. - 276 с.

4 Ю.П. Соколов. Микроконтроллеры семейства MCS-51: Архитектура, программирование, отладка. - Рязань: Рязан. Гос. Радио-техн. Акад., 2002. - 72 с.

5 Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

6 Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа: Справочник; под ред. А.В. Перебаскина. - М.: Додека, 1996 г. - 384 с.

7 Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.

8 Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник под ред. А.Ю. Гордонова и Ю.Н. Дьякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.

9 Тутевич В.Н. Телемеханика. - М.: Высш. Шк., 1985. - 423 с.

Размещено на Allbest.ru