Автоматизация технологического процесса производства бензина на Миннибаевском ГПЗ

- возможность расположения нескольких контроллеров ControlLogix на одно шасси обеспечивает еще большую гибкость при расширении системы управления;

- при использовании нескольких контроллеров пропадает необходимость программировать данные внутри каждого контроллера ControlLogix: они выдаются как данные ввода/вывода и используются совместно другими контроллерами в системе. Это обеспечивает обмен данными в реальном режиме времени с уменьшением времени на разработку системы и ее стоимости;

- соответствие платформы ControlLogix международным стандартам позволяет применять ее по всему миру.

Данные ПЛК программируются с помощью пакета ПО RSLogix5000 на языках: RLL (релейно-контактная логика) и FBD (функционально-блочные диаграммы).

Резервирование процессоров Logix5555 осуществляется при помощи промежуточных модулей резервирования процессоров - 1756-SRM. Модули резервирования осуществляют контроль состояния каждого из процессоров, синхронизируют их работу и корректируют базу данных резервного контроллера по базе данных основного контроллера. При диагностировании неисправности основного контроллера модули резервирования автоматически переключают функции управления на резервный контроллер, а на уровень оператора выдается сигнал о неисправности основного процессора управления.

Питание контроллеров и модулей ввода/вывода, расположенных в шасси, осуществляется от системных источников питания 1756-PA75. Связь между резервированными контроллерами и удаленной системой ввода/вывода осуществляется по шине обмена данными ControlNet через коммуникационные модули связи 1756-CNB. Самодиагностика системы ControlLogix позволяет отслеживать и формировать сигналы при возникновении нарушений связи по любому из каналов резервированной шины ControlNet.

ControlNet является высокочастотной технологической шиной обмена данными. Передача данных по шине ControlNet происходит со скоростью 5 Мбит/сек. На небольшие расстояния (до 250 м) в качестве среды передачи данных применяется высокочастотный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

2.3.3 Анализ возможности адаптации рассмотренных систем к разрабатываемому объекту

При детальном рассмотрении приведенных выше систем, учитывая функциональные возможности данных технических средств для построения разрабатываемой системы управления, просматривается функциональная и аппаратная избыточность.

Система управления на базе контроллеров ControlLogix имеет большие возможности решения задач любой сложности, интеграции с системами управления построенных на базе технических средств как фирмы Allen-Bradley, так и технических средств других фирм производителей. Для рассматриваемой системы управления возможности контроллеров ControlLogix являются избыточными, ведущие к удорожанию системы.

Система управления на базе контроллеров SLC500 имеет вполне подходящие технические характеристики для построения разрабатываемой системы, но данные возможности в связи с устаревшей базой контроллеров SLC реализуются за счет аппаратного избытка, что ведет к удорожанию системы и возможным в будущем проблемам с заменой неисправных модулей.

В результате анализа обоих вариантов сделаны следующие выводы, необходимо использовать современные технические средства автоматизации контроллеры на базе FlexLogix с возможностью интеграции с техническими средствами на базе ControlLogix и SLC. Данный контроллер предназначен для использования системы ввода-вывода Flex I/O, широко применяемой совместно с контроллерами SLC на объектах ОАО «Татнефть».

2.4 Выбор и описание системы управления нижнего уровня

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции исполнительных устройств, датчиков и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для рассматриваемого производства предъявляются повышенные требования к надежности функционирования системы управления. Простой системы может вызвать большие экономические потери.

Число производителей аппаратных средств автоматизации измеряется многими сотнями. Среди списка наиболее популярных фирм (ABB, Advantech, Allen-Bradley, Fisher-Rosemount, Hewlett Packard, Motorola, Samsung, Siemens, Yokogawa и другие) был сделан выбор в пользу фирмы Allen-Bradley. Это связано с тем, что в ОАО «Татнефть» имеются налаженные контакты с поставщиками оборудования компании Allen-Bradley, на различных объектах работает достаточно большое количество оборудования данного производителя и поэтому обслуживающий персонал имеет достаточную квалификацию и опыт работы.

Компания Allen-Bradley Rockwell Automation существует уже более 90 лет. Она проектирует, производит и поддерживает широкий диапазон продуктов автоматизации во всем мире. Производимые компанией продукты включают в себя логические контроллеры, устройства питания, интерфейсы оператора, датчики и программное обеспечение.

Компания предлагает несколько семейств контроллеров: MicroLogix, SLC, ControlLogix, FlexLogix, PLC и другие.

При выборе комплекса технических средств учитывались следующие факторы:

- расположение технологического оборудования;

- количество параметров контроля и управления в системе;

- количество параметров регулирования в системе.

Программируемый контроллер FlexLogix создан для работы с системой удалённого ввода/вывода FLEX I/O и предназначен, в первую очередь, для организации локального управления и регулирования в составе распределённых систем управления.

Для реализации системы выбраны следующие компоненты:

- управляющие процессоры FlexLogix со встроенным коммуникационным портом RS-232;

- коммуникационная плата - 1788-DNBO - адаптер сети DeviceNet;

- коммуникационная плата - 1788-ENBT - адаптер сети Ethernet;

- система ввода/вывода семейства Flex I/O для дискретных и аналоговых сигналов;

- источники бесперебойного питания: MGE UPS и DC UPS;

- барьеры искрозащиты KFD.

Процессор имеет следующие основные характеристики:

- тип исполнения - модульный конфигурируемый контроллер;

- объем оперативной памяти 64 Кбайт;

- встроенный порт RS-232/485;

- время выполнения одной битовой команды составляет 0,37 мксек;

- время сканирования (выполнения) 1 Кбита программы релейной логики составляет 0,9 мсек;

- встроенные автономные системные часы и календарь;

- два дополнительных слота установки коммуникационных карт;

- две локальные шины для подключения устройств ввода/вывода непосредственно к контроллеру;

- хранение данных (батарейное питание) до двух лет.

В качестве системы ввода/вывода предлагается использование модулей серии Flex I/O. Основными компонентами системы являются:

- терминальные панели 1794-ТВ3, 1794-ТВ32;

- адаптер шины 1794-AND;

- модули ввода аналоговых сигналов 1794-IE8;

- модули вывода аналоговых сигналов 1794-OE4;

- комбинированные модули ввода/вывода аналоговых сигналов 1794-4XOE2;

- модули ввода дискретных сигналов 1794-IB32;

- модули вывода дискретных сигналов 1794-OB32.

Управляющая сеть реализована на базе стандарта «Ethernet 10/100BaseT» с использованием протокола TCP/IP. Для резервирования контроллеров и подключения системы ввода/вывода к управляющим процессорам используется шина DeviceNet.

2.5 Требования к АСУТП

Создаваемая АСУТП должна соответствовать ГОСТ 24.104-85 ЕСС АСУ "Автоматизированные Системы Управления. Общие требования".

Сетевая организация АСУТП должна обеспечить подключение автоматизированной системы управления к общезаводской сети, организованной на базе сети Ethernet.

АСУТП должна быть 2-х уровневой. Под 2-х уровневой системой понимается система, в которой все реализуемые задачи программно и аппаратно разделяются на 2 уровня. Нижний уровень реализует задачи непосредственного управления объектом. Верхний уровень реализует задачи интерфейса оператора. Связь между нижним и верхним уровнями должна осуществляться преимущественно кодовым способом посредством специализированных промышленных сетей большой производительности, обеспечивающих полный цикл обмена данными между компонентами в пределах одной секунды. Обмен информацией должен осуществляться автоматически.

АСУТП должна иметь возможность организации связи со смежными АСУ.

АСУ и ПАЗ должны функционировать как независимые структуры, имеющие раздельные каналы получения информации и выхода на исполнительные механизмы. Система ПАЗ должна строиться на автономно функционирующих средствах микропроцессорной техники и обеспечивать гарантированную реализацию аварийной сигнализации и алгоритмов защитных блокировок технологических процессов в критических ситуациях.

АСУ и ПАЗ должны иметь программную и аппаратную диагностику исправности сетей, станций, модулей и блоков, входных и выходных электрических цепей.

АСУТП должна иметь гибкую структуру, быть наращиваемой, легко адаптироваться к изменениям характеристик технологических процессов во времени, обеспечивать модификацию алгоритмов решения задач и наборов участвующих в них переменных, конфигурирование схем регулирования и управления, допускать расширение объема информационных задач и задач управления. Кроме аппаратурного резерва АСУ и ПАЗ должны обладать временной и функциональной избыточностью (степень загруженности контроллеров, запас емкости памяти и свободных функциональных блоков и т.д.).

Оборудование АСУ и системы ПАЗ должно обеспечивать возможность создания математических моделей технологических объектов и иметь необходимые технические и программные средства для обучения персонала современным методам управления.

Разрабатываемая АСУТП должна предоставлять следующие возможности:

· Автоматизированный сбор и первичную обработку технологической информации, определение значений параметров по измеренным сигналам.

· Автоматическую обработку информации, вычисление усредненных, интегральных и удельных показателей.

· Выдачу предупредительной и аварийной сигнализации при выходе технологических показателей за установленные границы и при обнаружении неисправности в работе оборудования АСУ ТП.

· Управление технологическими режимами в реальном масштабе времени, предотвращение аварийных ситуаций.

· Предоставление технологической и системной информации.

· Накопление, регистрацию и хранение поступающей информации.

· Автоматизированную передачу данных в общезаводскую сеть.

· Самодиагностику, выдачу сообщений по отказам и предотвращение их последствий, и т.д.

2.6 Описание АСУ установки получения товарного бензина

АСУ УПТБ строится как система централизованного контроля и управления технологическими процессами с распределённой иерархической структурой. Включает в свой состав две функциональные системы - систему автоматического управления (САУ) технологическими процессами и систему противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ).

Верхний уровень - уровень оперативного технологического персонала, предназначен для контроля и автоматизированного управления технологическими процессами, выдачи на нижний уровень заданий, команд дистанционного управления исполнительным механизмам, ведения истории технологического процесса.

На верхнем уровне также реализован интерфейс с вышестоящим интеграционным уровнем для осуществления интеграции объекта автоматизации в общую интегрированную систему управления технологическими процессами (ИАСУ ТП).

Верхний уровень включает в себя:

- подсистему сбора и контроля технологической информации;

- подсистему человеко-машинного интерфейса (ЧМИ);

- подсистему оперативного планирования и расчета технологических параметров;

- подсистему ведения технологической базы данных;

- подсистему защиты информации от несанкционированного доступа;

- подсистему протоколирования событий;

- подсистему формирования отчетных документов;

- подсистему управления технологическим оборудованием;

- подсистему обмена информацией.

Нижний уровень - уровень автоматического управления, реализован на базе современных ПЛК. На нижнем уровне выполняются функции автоматического контроля, управления, регулирования и противоаварийной защиты.

Нижний уровень АСУ включает в свой состав две функциональные системы - систему автоматического управления (САУ) технологическими процессами и систему противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ).

Нижний уровень включает в себя:

- подсистему сбора, первичной обработки и контроля технологической информации;

- подсистему регулирования;

- подсистему управления технологическим оборудованием;

- подсистему логического управления;

- подсистему логических защит и блокировок;

- подсистему ведения базы данных;

- подсистему автоматической диагностики КТС;

- подсистему обмена информацией;

- подсистему контроля загазованности.

Система ПАЗ реализуется отдельными программными сегментами в контроллерах управления. Эти сегменты должны иметь повышенные приоритеты выполнения.

Система ПАЗ имеет одноуровневую функционально законченную структуру для контроля и противоаварийной автоматической защиты технологическими процессами. Система ПАЗ физически объединена с системой САУ нижнего уровня, то есть, реализована на общих с САУ ПЛК.

В контроллерах системы управления (СУ) выполнена реализация функций автоматического и автоматизированного управления и противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ). При этом система ПАЗ является функционально выделенной от СУ и реализована отдельными программными блоками в контроллерах управления, имеющими наивысший приоритет выполнения.

Для повышения надежности системы ПАЗ применены резервированные процессоры.

В качестве программно-технического комплекса АСУ УПТБ использованы средства семейства модульных ПЛК: FlexLogix 5433 - управляющий процессор и система ввода/вывода типа Flex I/O фирмы Allen-Bradley.

Управляющая сеть реализована на базе стандарта «Ethernet 10/100BaseT» с использованием протокола TCP/IP. Для резервирования контроллеров и подключения системы ввода/вывода к управляющим процессорам используется шина DeviceNet.

Для обеспечения функций визуализации, накопления и архивирования параметров технологического процесса в операторной объекта автоматизации используется автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на базе персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением RSView32 фирмы Rockwell Software.

Для конфигурирования и настройки системы предусматривается станция системного инженера (инжиниринговая станция) на базе переносного ПК (ноутбук), обеспеченная необходимыми инструментальными программными пакетами. Данная станция может использоваться в качестве резервного рабочего места оперативно-технологического персонала.

Организация диспетчерского интерфейса осуществляется посредством WEB-интерфейса с использованием MS Internet Explorer. В качестве сервера базы данных используется отдельная станция с установленным пакетом Microsoft SQL Server. Передача технологической информации на диспетчерский пункт осуществляется модемной связью.

Общая структура системы приведена на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Структура АСУ УПТБ

2.7 Выбор и описание системы управления верхнего уровня

После того как волны компьютеризации достигли производственного сектора, на рабочих столах операторов стали появляться компьютеры, где взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее название “SCADA-система” - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления.

Основные функции, которые возлагаются на любую SCADA систему.

1. Прием информации о контролируемых технологических параметрах с контроллеров нижних уровней и датчиков.

2. Сохранение принятой информации в архивах.

3. Вторичная обработка принятой информации.

4. Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.

5. Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов.

6. Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы.

7. Оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.

8. Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации.

9. Обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием.

10. Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.

В таблице 2.1 перечислены только некоторые из популярных на западном и российском рынках SCADA-систем, имеющих поддержку в России.

Таблица 2.1 - Список изготовителей SCADA-систем

SCADA	Фирма-изготовитель	Страна
FactoryLink	United States DATA Co.	США
InTouch	Wonderware	США
Genesis	Iconics	США
WinCC	Siemens	Германия
RealFlex	BJ Software Systems	США
Sitex	Jade Software	Великобритания
FIX	Intelletion	США
Trace Mode	AdAstra	Россия
Simplicity	GE Farme Automation	США
RSView	Rockwell Software Inc.	США

Был проведен сравнительный анализ 10 SCADA-пакетов [25, 26] по их техническим, стоимостным и эксплуатационным характеристикам. В результате был признан оптимальным вариант использования пакета RSView32, который не уступает другим продуктам по основным критериям. Одним из основополагающих факторов, который учитывался при выборе SCADA-пакета, было то, что MMI-пакет RSView32 обеспечивает максимально эффективную связь с другими продуктами Rockwell Software и программно-техническими средствами фирмы Allen Bradley, в частности с ПЛК FlexLogix, продуктами Microsoft и др.

RSView32 представляет собой интегрированное, основанное на компонентах программное обеспечение человеко-машинного интерфейса для контроля и управления технологическими процессами.

Пакет имеет средства отображения графики, позволяющие создавать простые и сложные графические объекты, обеспечивает создание базы данных, регистрацию информации, сигнализацию предельных значений технологических параметров, многократное использование графики путем копирования и перетаскивания.

Пакет реализует все основные функции SCADA-систем, и, кроме того, снабжен набором расширяющих продуктов (например, настройки ПИД-регулятора).

Наряду с этими возможностями RSView32 предлагает набор инструментов для:

- имитации выполнения при разработке посредством нажатия кнопки;

- редактирования отдельных объектов в группе без нарушения группы или влияния на анимацию;

- представления множества механизмов с помощью одного графического дисплея, используя метки-заполнители и файлы параметров;

- быстрой замены имен тегов и символьных строк с помощью подстановки тегов.

- простого импорта графики, разработанной в других приложениях.

В системе реализован информационный обмен между системой контроля и визуализации технологического процесса, реализованной на основе MMI-пакета RSView32 и ПЛК FlexLogix. Обмен данными осуществляется по шине Ethernet.

2.8 Структура программного обеспечения

Выбор программных средств для каждого из трех уровней АСУ УПТБ обусловлен функциональным назначением каждого уровня, а также требованиями совместимости и обеспечения взаимосвязи между уровнями системы.

Весь набор программных средств распределен по уровням системы управления и включает в себя:

- программное обеспечение диспетчерского пункта АСУ УПТБ;

- программное обеспечение операторной АСУ УПТБ;

- программное обеспечение контроллеров управления;

- общесистемное программное обеспечение.

Программное обеспечение диспетчерского пункта АСУ УПТБ

Диспетчерский контроль над технологическим процессом узла получения товарного бензина осуществляется с диспетчерской станции УРНиН (управление реализации нефти и нефтепродуктов) «ТАТНЕФТЬ».

Уровень диспетчерского контроля представлен двумя рабочими станциями: сервером баз данных и автоматизированным рабочем местом (АРМ) диспетчерского персонала.

В качестве сервера баз данных используется отдельное рабочее место с установленным программным обеспечением Microsoft SQL Server 7.0 и Web-сервер Microsoft IIS 5.0.

Программное обеспечение верхнего уровня АСУ УПТБ

На рабочей станции операторов-технологов устанавливается SCADA-пакет RSView32. RSView32 представляет собой интегрированное, основанное на компонентах программное обеспечение человеко-машинного интерфейса для контроля и управления технологическими процессами. MMI-пакет RSView32 обеспечивает максимально эффективную связь с другими продуктами Rockwell Software и программно-техническими средствами фирмы Allen Bradley, в частности с ПЛК FlexLogix, с продуктами Microsoft и др.

RSView32 позволяет:

- открывать графические объекты в виде OLE контейнеров для элементов управления ActiveX, что позволяет встраивать в проекты элементы управления ActiveX сторонних производителей;

- разрабатывать модель объекта, для выделения отдельных функциональных возможностей.

- интегрировать Visual Basic for Application (VBA) в качестве встроенного языка программирования, расширяя тем самым возможности настройки проекта;

- поддерживать стандарт OPC как для сервера, так и для клиента, с целью осуществления взаимосвязи со сторонними аппаратными средствами.

Программное обеспечение нижнего уровня АСУ УПТБ

Программное обеспечение системы управления представляет совокупность алгоритмов выполняемых контроллерами FlexLogix. Они представляют собой прикладное программное обеспечение, разрабатываемое при помощи системного программного обеспечения.

С помощью алгоритмов реализуются функции:

- сбора и обработки информации;

- автоматического управления и защиты технологического оборудования АСУ УПТБ;

- обмена данными с АРМом оперативно-технологического персонала.

Разработка алгоритмов управления и защиты технологического оборудования, а также загрузка их в контроллеры осуществляется с использованием программного пакета RSLogix 5000 версия 11 или выше, позволяющего формировать алгоритмы управления и защиты при помощи языка релейно-лестничной логики. Программный пакет RSLogix 5000 устанавливается на инжиниринговой станции (переносной компьютер типа ноутбук).

Общесистемное программное обеспечение

Общесистемное программное обеспечение - это операционная система, под управлением которой работают все рабочие станции, входящие в состав АСУ УПТБ. В данном проекте используется операционная система Windows XP.

Операционная система управляет программными процессами, распределяет ресурсы вычислительного комплекса между программами (ввода/вывода, каналами оперативной и внешней памяти, организации связи с оператором).

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Экспериментальная часть

3.1.1 Сущность экспериментального определения статических и динамических характеристик объектов регулирования

1. Статической характеристикой элемента, независимо от его конструкции и назначения, называется зависимость выходной величины от входной в равновесных состояниях. Статическую характеристику можно представить в виде таблиц или графически. Определить статическую характеристику можно аналитически (расчетным путем) и экспериментально. Обычно определение статических характеристик простых объектов не представляет трудностей, кроме того, они часто приводятся в литературе. Для многих сложных объектов статические характеристики неизвестны, и их трудно найти аналитически. В этом случае прибегают к экспериментальному определению их на действующих объектах. [1]

Экспериментальное определение статических характеристик заключается в создании ряда последовательных равновесных состояний объекта при соответствующих выходных и входных величинах. В этом случае орган, управляющий притоком или расходом энергии или материи в объекте, вручную или дистанционно переводят из одного положения, соответствующего равновесному состоянию, в другое. При достижении нового равновесного состояния объекта записывают значения входных и выходных величин по показаниям измерительных приборов. По измеренным входным и выходным величинам можно составить таблицу и построить график статической характеристики и определить коэффициент усиления объекта.

Если по условиям эксплуатации изменять значения входных и выходных величин в широком диапазоне невозможно, то ограничиваются небольшим пределом выходных величин вблизи заданного значения регулируемого параметра, т.е. снимается рабочий участок статической характеристики, в пределах которого допустимы указанные выше изменения.

2. Динамической характеристикой элемента называется зависимость изменения во времени выходной величины от входной в переходном режиме при том или ином законе изменения входной величины. Аналитически динамические характеристики выражаются обычно дифференциальными уравнениями, а графически в виде графиков (кривых), где по оси абсцисс отмечают время, а по оси ординат значения выходной величины. Очевидно, что графики динамических характеристик будут различными при разных законах изменения входной величины. Для определения динамических характеристик и сравнимости их друг с другом приняты типовые законы изменения входных величин, близкие к законам, возможным в реальных условиях работы систем. Часто таким законом является скачкообразное изменение входной величины, при котором выходная величина изменяется мгновенно и принимает конечное значение.

Динамические характеристики элементов систем можно определять так же, как и статические - расчетным путем и экспериментально.

Для оценки динамических свойств объектов регулирования можно воспользоваться временными характеристиками, снятыми с действующих объектов. Такие характеристики можно снимать в тех случаях, когда имеется возможность приложить возмущение и оставить действовать в течение времени, достаточного для окончания переходного процесса, т.е. пока регулируемая величина не примет постоянного значения у устойчивых объектов или пока не установится постоянная скорость изменения выходной величины у нейтральных объектов. Регулируемые объекты часто имеют несколько каналов возмущения, тогда необходимо снять характеристики при всех возмущениях. Однако в ряде случаев можно ограничиться снятием характеристик для основных каналов. Наибольший практический интерес представляет исследование динамических свойств при возмущениях, вызванных изменением той величины, на которую действует или будет действовать регулирующий орган. При снятии временных характеристик весьма существенным является определение величины возмущения. При выборе величин возмущения исходят из допустимых отклонений в ходе технологического процесса. Однако необходимо, чтобы искусственно вводимое возмущение значительно превосходило по величине те случайные возмущения, которые могут быть при снятии характеристик.

Временную характеристику снимают следующим образом. Перед экспериментом регулируемый объект приводят в равновесное состояние и обеспечивают постоянство всех входных и выходных величин. После стабилизации вводят скачкообразное возмущение, отмечая при этом время и величину его. Затем следят за изменением выходной величины, записывая ее значения до тех пор, пока выходная величина не примет нового установившегося значения или пока не установится постоянная скорость ее изменения. На основании полученных данных строят кривую в координатах: выходная величина - время, которая и будет временной характеристикой объекта. Для снятия временной характеристики на объекте должны быть установлены приборы для измерения входной и выходной величин. Наиболее удобны регистрирующие приборы с ленточной картограммой и большой скоростью ее движения. Во время эксперимента записываются также все параметры, связанные с выходной величиной. Это позволяет при обработке результатов эксперимента установить, что снятые характеристики не искажены посторонними возмущениями.

В зависимости от динамических свойств объектов кривые изменения выходной величины могут иметь различный характер. Чтобы получить исходные данные для расчета системы регулирования, необходимо найти аналитические выражения экспериментально полученных кривых. Этими аналитическими выражениями будут дифференциальные уравнения объектов. В настоящее время имеется несколько методов нахождения уравнения объектов по имеющимся временным характеристикам. Симою и Стефани [4] разработали метод для определения передаточной функции объекта по его кривой разгона, который получил название метода площадей. Метод основан на предположении, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. В заключение можно отметить, что многие промышленные технологические объекты имеют одну из следующих особенностей, влияющих на форму кривой разгона:

- объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и наличием самовыравнивания;

- объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и самовыравнивания;

- объект характеризуется наличием транспортного запаздывания и отсутствием/наличием самовыравнивания.

3.1.2 Выделение САР из общей схемы автоматизации

Гексановая фракция и стабильный бензин (фракция суммы пентанов) со склада в качестве сырья поступают в смесители СМ-1/1,2. На потоках гексановой фракции и стабильного бензина (фракции суммы пентанов) регулируется расход клапанами FV317.3, FV316.3 (FV318.3) соответственно.

Изобразим трубопровод, по которому осуществляется подача гексановой фракции на рисунке 3.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.1 - Структурная схема трубопровода

Входным параметром является Р (давление в трубопроводе до клапана), выходным параметром F (расход жидкости после клапана).

Выделим одноконтурную САР из общей схемы автоматизации.

На рисунке 3.2 приведена схема одноконтурного регулирования расхода гексановой фракции. В системе имеется регулятор FIC, который осуществляет регулирование расхода гексановой фракции в соответствии с заданием. В рассматриваемой системе регулирования одна регулируемая величина - расход Fвых на выходе трубопровода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Схема одноконтурного регулирования расхода

3.1.3 Определение передаточной функции трубопровода по кривой разгона методом площадей

Для нахождения передаточной функции объекта по промежуточному и основному каналам воспользуемся методом Симою. Пусть кривая разгона задана в графическом виде на рисунке 3.3.

1. Найдем передаточную функцию трубопровода. Регулируемая величина Fвых (расход в м3/ч) в результате приложенного к объекту возмущения Pвх (изменение давления) при t? стремится к конечному значению Fвых(?), отличному от нуля.



Рисунок 3.3 - Кривая разгона (давление)

2. Разбиваем ось времени на отрезки с интервалом t = 0.2ч. исходя из условия того, что на протяжении всего графика функция их выхода в пределах 2t мало отличается от прямой. Перестроим график на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Кривая разгона (расход)

3. Заполним таблицу 3.1. Для этого находим значения Хвых в конце каждого интервала t.

где Хвых (?)= 1.3

Таблица 3.1 - Коэффициенты передаточной функции

t	Хвых	у(t)	1 - у(t)
0	0	0	1	0
0.2	0.1	0.08	0.92	0.13
0.4	0.26	0.2	0.8	0.26
0.6	0.5	0.39	0.64	0.39
0.8	0.75	0.58	0.42	0.53
1	0.9	0.7	0.35	0.66
1.2	1.01	0.78	0.23	0.79
1.4	1.1	0.85	0.15	0.92
1.6	1.16	0.89	0.1	1.05
1.8	1.2	0.92	0.07	1.19
2	1.24	0.95	0.04	1.32
2.2	1.26	0.97	0.03	1.46
2.4	1.27	0.94	0.02	1.58
2.6	1.28	0.98	0.01	1.72
2.8	1.29	0.99	0.007	1.85
3	1.3	1	0	1.98
			=4.74

Тип передаточной функции можно определить, построив график зависимости F(t) = (t). Изобразим его на рисунке 3.5.



Рисунок 3.5 - График зависимости F(t) = (t)

По виду графика определим тип передаточной функции в безразмерном виде

Задача состоит в том, чтобы определить неизвестные коэффициенты полинома знаменателя. Определим площади F1 , F2 , F3 для нахождения неизвестных коэффициентов.

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду.

4. Перестраиваем функцию в другом масштабе времени (за независимую переменную примем переменную ) и отмечаем на рисунке 3.6.



Рисунок 3.6 - График функции

Заполняем таблицу 3.2. и находим коэффициенты F2, F3.

Таблица 3.2 - Коэффициенты F2 и F3.

0	1	1	1	1	1
0.1	0.97	0.9	0.873	0.805	0.78
0.2	0.94	0.8	0.75	0.62	0.58
0.3	0.88	0.7	0.61	0.445	0.39
0.4	0.84	0.6	0.5	0.28	0.24
0.5	0.78	0.5	0.39	0.125	0.09
0.6	0.7	0.4	0.28	-0.02	-0.01
0.7	0.62	0.3	0.19	-0.155	-0.09
0.8	0.54	0.2	0.1	-0.28	-0.15
0.9	0.46	0.1	0.05	-0.395	-0.18
1	0.4	0	0	-0.5	-0.2
1.1	0.34	-0.1	-0.03	-0.595	-0.202
1.2	0.3	-0.2	-0.06	-0.68	-0.204
1.3	0.26	-0.3	-0.08	-0.755	-0.19
1.4	0.23	-0.4	-0.09	-0.82	-0.18
1.5	0.2	-0.5	-0.102	-0.875	-0.17
1.6	0.17	-0.6	-0.1	-0.92	-0.16
1.7	0.14	-0.7	-0.098	-0.955	-0.13
1.8	0.12	-0.8	-0.096	-0.98	-0.12
1.9	0.1	-0.9	-0.9	-0.995	-0.09
2	0	-1	0	-1	0
			=4.009		=0.97

Вычисляем значение коэффициента F2

и коэффициента

5. Записываем окончательное выражение исследуемого объекта в размерном виде

Таким образом,

a1=F1; a2=F2; а3=F3.

Подставляем полученные коэффициенты:

Получаем передаточную функцию объекта:



3.2 Расчет, моделирование и построение

3.2.1 Расчет и моделирование одноконтурной САР

Имея передаточную функцию объекта, рассчитаем параметры настройки регулятора, исследуем влияние параметров настройки на качество переходного процесса в САР, исследуем влияние возмущающего и регулирующего воздействия на характер изменения регулируемого параметра.

В практике построения систем автоматизации объектов нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленностей широкое применение нашли одноконтурные САР. В качестве примеров можно назвать регулирование давления в сепараторе, регулирование уровня жидкости в различных технологических аппаратах (абсорберах, ректификационных колоннах и т.д.), регулирование температуры на выходе теплообменника, стабилизация расходов нефти, газа, нефтепродуктов в технологических линиях. [12]

Типичная задача настройки промышленной САР может быть сформулирована следующим образом: исходя из найденной аналитически или в результате обработки данных эксперимента передаточной функции объекта регулирования и выбранного на этапе проектирования САР закона регулятора (П, ПИ, ПИД), необходимо определить параметры настройки регулятора, которые обеспечивали бы устойчивость и заданное качество САР. В данной работе задается передаточная функция объекта, в состав которого вошли датчик Д, исполнительное устройство ИУ и собственно объект регулирования ОР, изображенные на рисунке 3.7. Таким образом, под термином “регулятор” будем понимать “регулирующее устройство” (РУ) или обратную связь объекта управления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурная схема САР при таком характере представления объекта и действии возмущения по каналу регулирующего воздействия будет иметь вид, показанный на рисунке 3.8, где:

Wо(p) - передаточная функция объекта;

Wp(p) - передаточная функция регулятора;

y - текущее значение регулируемого параметра;

уз - его заданное значение;

хр - регулирующее воздействие (выходная величина регулятора);

хв - возмущающее воздействие;

х - воздействие на входе объекта регулирования.

Передаточные функции регуляторов представлены в виде:

Wp(p)=П1 - для П-регулятора;

Wp(p)=П1+П2/р - для ПИ-регулятора;

Wp(p)=П1+П2/р+П3р - для ПИД-регулятора,

Где П1=k - коэффициент усиления,

П2=1/Ти, Ти - время изодрома,

П3=Тп , Тп - время предварения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.8 - Структурная схема одноконтурной САР

3.2.2 Расчет параметров настройки регуляторов с помощью расширенных АФХ

С помощью расширенных амплитудно-фазовых характеристик (АФХ) в области параметров настройки регулятора строится “линия равного затухания”, соответствующая заданной степени затухания переходного процесса САР. Далее на этой линии выбирается точка, координаты которой определяют параметры настройки регулятора, обеспечивающие при заданном наилучшее качество САР.

Рассмотрим последовательность расчета системы автоматического регулирования на заданную степень затухания .

1. Дана передаточная функция объекта Wо(p). Накладывая на корень р ограничения р=-m+j (где m - степень колебательности, определяемая из соотношения =1-е-2m), представляют расширенную АФХ объекта как функцию m, (остальные параметры объекта известны).

В алгебраической форме:

Wо(m, j)=Reo(m,)+j Imo(m,) (3.1)

В показательной форме:

Wо(m, j)=Ao(m,) е jo(m,) (3.2)

2. Дана передаточная функция регулятора. Расширенную амплитудно-фазовую характеристику регулятора представляют как функцию П1, П2, П3, m,

Wр(m, j)=Reр(m,)+j Imр(m,) (3.3)

Wр(m, j)=Aр(m,) е jр(m,) (3.4)

Аналитические выражения расширенных АФХ регуляторов имеют вид:

П-регулятор -

Wр(m, j)=П1 (3.5)

Wр(m, j)=П1еj0 (3.6)

ПИ-регулятор -

Wр(m, j)= (3.7)

Wр(m, j) (3.8)

ПИД-регулятор -

Wр(m, j)= (3.9)

Wр(m,j)= (3.10)

3. Исходное уравнение для расчета настройки замкнутой линейной системы автоматического регулирования, находящейся на границе заданной степени затухания, имеет вид:

W(m, j)р W(m, j)об=1 (3.11)

или

W(m, j)р= W*(m, j)об (3.12)

где W(m, j)р - расширенная амплитудно-фазовая характеристика регулятора;

W*(m, j)об= - обратная (инверсная) расширенная амплитудно-фазовая характеристика объекта.

Уравнение (3.12) можно представить в алгебраической форме записи:

R(m,)р= R*(m,)об;

J(m,)р= J*(m,)об (3.13)

где R*(m,)об и J*(m,)об - соответствующие обратные (инверсные) расширенные вещественная и мнимая характеристики объекта (т.е. вещественная и мнимая части обратной расширенной амплитудно-фазовой характеристики); R(m,)об и J(m,)об - расширенные вещественная и мнимая характеристики регулятора.

Уравнение (3.12) может быть также записано в показательной форме:

(3.14)

где - расширенная амплитудно-частотная характеристика регулятора,

- расширенная фазо-частотная характеристика регулятора,

А*(m, j)об= - расширенная обратная (инверсионная) амплитудно-частотная характеристика объекта,

- расширенная фазо-частотная характеристика объекта.

Отсюда следует:

А(m,)р= А*(m,)об;

(m,)р= -*(m,)об (3.15)

Подставляя в уравнения (3.13) и (3.15) соответственно расширенные вещественную, мнимую, амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики конкретных регуляторов, можно выразить их настроечные параметры через характеристики объектов в двух формах записи.

Ниже приводятся расчетные формулы для распространенных регуляторов.

И-регулятор -

(3.16)

или

(3.17)

Из этих уравнений определяются значения настроечного параметра П2 и частоты , на которой будет “работать” система регулирования.

П-регулятор -

(3.18)

(3.19)

ПИ-регулятор -

(3.20)

или

(3.21)

ПД-регулятор -

(3.22)

или

(3.23)

ПИД-регулятор -

(3.24)

3.2.3 Построение линий равного затухания в плоскости параметров настройки регулятора по методу расширенных АФХ

Дана передаточная функция объекта:

Рассчитать параметры настройки регулятора, исследовать влияние параметров настройки на качество переходного процесса в САР, исследовать влияние возмущающего и регулирующего воздействия на характер изменения регулируемого параметра.

Перейдем от передаточной функции объекта к расширенной амплитудно-фазовой характеристике:

.

Инверсная расширенная АФХ объекта в алгебраической форме записи будет иметь вид

Подставив расширенные инверсные вещественную Ro*(m,) и мнимую Jo*(m,) частотные характеристики объекта в (3.20), получим:

,

,

или при К=3,1; Т=0,85; =2:

,

.

При m=0,366; 0,221; 0 производим расчеты настроек П1 и П2 для различных значений частоты .

В плоскости настроечных параметров регулятора строим линии равной степени затухания и изображаем их на общем рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Линии равной степени затухания

3.2.4 Определение оптимальных параметров настройки регуляторов

В соответствии с эмпирическим методом определения параметров настройки регулятора, оптимальных в смысле минимума квадратичной интегральной оценки, выбираем точку на линии равного затухания несколько правее точки экстремума.

Интерес представляет также точка, которая соответствует настройкам И-регулятора, и точка, которая соответствует настройкам П-регулятора.



3.2.5 Построение переходных процессов. Листинг программ

Возмущающее воздействие в замкнутой системе регулирования, приводящее к отклонению регулирующего параметра, может воздействовать на объект по различным каналам.

На характер изменения регулируемого параметра влияют как величина и форма возмущающего воздействия, так и динамические свойства регулируемого объекта по каналу от источника возмущения до места установки измерительного устройства.

Ниже приводятся несколько вариантов построения графиков переходного процесса в одноконтурной САР, рисунки 3.10-3.15.

Вариант 1. При единичном скачкообразном изменении возмущающего воздействия хв, действующего по каналу регулирования.

Вариант 2. При единичном скачкообразном изменении заданного значения уз.

Пусть уравнение объекта регулирования имеет вид:

тогда в качестве регулятора выбран ПИ-регулятор:

.

При моделировании САР на ЭВМ уравнение объекта и регулятора записываются в разностной форме.

Построение переходного процесса по возмущению

уравнение объекта в разностной форме:

уравнение регулятора в разностной форме:

вход объекта:

Графики переходных процессов в одноконтурной САР с И-регулятором

Дt=0,5.



Рисунок 3.10 - График переходного процесса с И-регулятором



Рисунок 3.11 - График переходного процесса с И-регулятором

Графики переходных процессов в одноконтурной САР с ПИ-регулятором

Рисунок 3.12 - График переходного процесса с ПИ-регулятором



Рисунок 3.13 - График переходного процесса с ПИ-регулятором



Графики переходных процессов в одноконтурной САР с П-регулятором

Рисунок 3.14 - График переходного процесса с П-регулятором



Рисунок 3.15 - График переходного процесса с П-регулятором



Построение переходного процесса при изменении задающего воздействия (рисунок 3.16)

Уравнение объекта в разностной форме:

.

Вход регулятора:

.

Уравнение регулятора:



Рисунок 3.16 - График переходного процесса при изменении задающего воздействия

Построение переходного процесса без регулятора (рисунок 3.17)

Рисунок 3.17 - График переходного процесса без регулятора

3.3 Оценка качества процессов регулирования

3.3.1 Показатели качества переходных процессов САР

Таблица 3.3. Показатели качества переходных процессов

Прямые показатели качества переходных процессов	=0,75	=0,9
	Регулятор	Регулятор
	П	И	ПИ	П	И	ПИ
Время ПП, tп	28.73	6.9	65.3	18.03	46.0	36.19
Статическая. ошибка регулирования	1.76	0	0	2.05	0	0
Динамическая ошибка регулирования	2.93	2.93	2.93	2.93	2.93	2.93
Время первого достижения регулируемой величиной заданного значения, tр1	2.78	7.73	4.2	3.3	9.5	15.8
Время достижения регулируемой величиной максимального отклонения в переходный период, tmax	10.03	10.03	10.03	10.03	10.03	10.03
Колебательность ПП	1	3	3	0	1	1
Степень затухания, ш	0.78	0.75	0.62	0.88	0.89	0.84

Время переходного процесса или полное время регулирования tП характеризует быстродействие системы и определяется как интервал времени от начала переходного процесса до момента, когда отклонение выходной величины от ее нового, установившегося значения становится меньше определенной достаточно малой величины. Обычно в качестве последней берут 2-5 % максимального отклонения в переходный период.

Статическая ошибка регулирования - отклонение регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса.

Динамическая ошибка регулирования - величина наибольшего отклонения регулируемого параметра от заданного значения (кроме начального отклонения).

Время первого достижения регулируемой величиной заданного значения tp1 служит одной из оценок качества регулирования САР относительно задающего воздействия и определяется как интервал времени от начала переходного процесса до момента, когда регулируемая величина впервые достигает заданного значения.

Максимальное отклонение в переходный период для переходных процессов, вызванных возмущением, определяется величиной A1 , приходящейся на единицу возмущения f1 (t) = l(t). При отработке задающего воздействия максимальное отклонение, вычисленное относительно нового установившегося значения xст, пропорционального или равного заданному воздействию хзд, , называется перерегулированием.

Время достижения регулируемой величиной максимального отклонения в переходный период tmax определяется как интервал времени от начала переходного процесса до момента, когда отклонение выходной величины достигает максимального значения.

Колебательность переходного процесса обычно определяется числом колебаний, равным числу минимумов кривой переходного процесса в интервале [0, tП] при ликвидации возмущения, или в случае отработки задания - числом перерегулирований за этот же интервал. Колебательность переходного процесса может характеризоваться величиной степени затухания .

Степенью затухания называется отношение разности двух положительных соседних максимумов переходного процесса к первому из соседних максимумов

.

3.3.2 Сравнительный анализ графиков переходных процессов при использовании различных регуляторов

1. Максимальным временем переходного процесса характеризуется процесс с использованием И-регулятора, минимальным - П-регулятора, средним временем переходного процесса характеризуется САР с использованием ПИ-регулятора.

2. Наличием статической ошибки регулирования характеризуются САР с П-регулятором, статическая ошибка растёт с увеличением степени затухания.

3. Динамическая ошибка регулирования практически одинакова у П-, ПИ-, И- регуляторов.

4. Время первого достижения регулируемой величиной заданного значения увеличивается с увеличением степени затухания.

5. Колебательность переходного процесса уменьшается с увеличением степени затухания, процесс становится более апериодичным.

6. С увеличением степени затухания колебательность системы уменьшается.

7. Использование П- регулятора даёт минимальное время переходного процесса, но характеризуется наличием статической ошибки; использование И- регулятора даёт максимальное время переходного процесса, наибольшую динамическую ошибку и наибольшее максимальное отклонение регулируемой величины.

Наиболее оптимальным считается САР с использованием ПИ - регулятора, так как процесс характеризуется средним временем переходного процесса, отсутствием статической ошибки, средним максимальным отклонением регулируемой величины от заданного и т.д.

Однако, если статическая ошибка при процессе регулирования не является критическим параметром, то оптимальным окажется П-регулятор.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ РАБОТЫ

4.1 Общие сведения

В связи с тем, что актуальность проблем улучшения условий труда возрастает, все больше внимания уделяется охране труда, безопасной эксплуатации производственных объектов и сокращению либо прекращению вредных выбросов в окружающую среду.

Установка получения товарного бензина (УПТБ) «Нормаль-80» и входящие в нее узлы и системы максимально автоматизированы. В процессе разработки автоматизированной системы управления (АСУ) УПТБ много времени было уделено вопросам, которые являются важными с точки зрения безопасности и экологичности разрабатываемого проекта. К таким вопросам можно отнести: сведение к минимуму ручного труда, создание обстановки, исключающей профессиональные заболевания и производственный травматизм, оценка экологичности проекта, с точки зрения возможного воздействия на окружающую среду, прогнозирование возникновения возможных чрезвычайных аварийных ситуаций и способы их предотвращения.

Охрана окружающей среды является одной из приоритетных задач социального спектра, решаемых в рамках функционирования предприятия ОАО "ТАТНЕФТЬ". В последние годы борьба с загрязнением окружающей среды превратилась в одну из острых проблем. Значительное место при её решении уделяется предотвращению и ликвидации последствий загрязнения окружающей среды.

4.2 Перечень вредных производственных факторов УПТБ

Наиболее вредными производственными факторами, оказывающие влияние на работников предприятия, могут быть:

- физические факторы;

- химические факторы;

- биологические факторы.

Вредные факторы трудового процесса:

- тяжесть труда;

- напряженность труда.

Наличие на установке газов, нефти, бензина и нефтехимических смесей с низкой температурой вспышки и высокой упругостью паров, деэмульгатора и ингибитора коррозии обуславливает ее повышенную взрывную и пожарную опасность и относится к категории пожаро-взрывоопасных производств. Все основные и побочные продукты производства относятся к горючим газам и легковоспламеняющимся жидкостям.

Блок налива обладает относительно большим потенциалом взрывоопасности (Qв ~ 24).

Категория взрывоопасности технологических блоков, входящих в состав пункта налива - .

Категория взрывопожарной опасности помещений и зданий, и пожарной опасности наружных установок (НПБ 105-03) - Ан.

Класс взрывоопасной зоны внутри и вне помещений для выбора и установки электрооборудования по ПУЭ - В-1г.

Категория и группа взрывоопасных смесей внутри и вне помещений для выбора и установки электрооборудования по ПУЭ - А-ТЗ.

Категория электроснабжения - .

Группа производственных процессов по санаторной характеристике (СНиП2.09.04-87*) - 2г.

4.3 Характеристика пожароопасных и токсичных свойств готовой продукции - автомобильного бензина

- класс опасности по ГОСТ 12.1.005-88 - IV;

- температура вспышки - минус 36 ?С;

- воспламенение - нет;

- самовоспламенение - 255370 ?С;

- нижний предел концентрированного предела воспламенения - 1,0% об.;

- верхний предел концентрированного предела воспламенения - 6,0% об.;

- ПДК в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-88 - 100 мг/м3.

4.4 Факторы производственных опасностей воздействия на организм человека

Факторы производственных опасностей воздействия на организм человека представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Факторы производственных опасностей

Фактор	Классы условий труда
	Оптимальный 1	Допустимый 2	Вредный-3	Опасный 4
			1 степ. 3.1	2 степ. 3.2	3 степ. 3.3	4 степ. 3.4
Химический			+
Биологический	+
Физические	Шум	+
	Вибрация локальная	+
	Вибрация общая	+
	Ионизирован. излучения			+
	Микроклимат	+
	Освещенность	+
Тяжесть труда	+
Напряженность труда		+
Общая оценка условий труда: класс 3.1

При организации условий труда необходимо учитывать воздействие на оператора ЭВМ опасных и вредных производственных факторов, которые могут привести к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья и заболеванию или снижению работоспособности [27]. Вредные и опасные производственные факторы подразделяются по природе действия на четыре группы: физические, химические, биологические и психофизиологические. [28]

1. Физические:

· повышенные уровни электромагнитного излучения, инфракрасного излучения, статического электричества и уровень запыленности воздуха рабочей зоны;

· пониженная или повышенная влажность и подвижность воздуха рабочей зоны;

· повышенный уровень шума;

· повышенный или пониженный уровень освещенности;

· неравномерность распределения яркости в поле зрения;

· повышенный уровень пульсации светового потока;

· повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.