Размещено на http://www.allbest.ru/

44

Содержание

насосный станция микропроцессорный контроллер

• Введение
• 1. Описание технологического процесса
• 1.1 Общая характеристика объекта управления
• 1.2 Описание технологического процесса БКНС
• 2. Автоматизация технологического процесса
• 2.1 Структура и функции АСУ ТП
• 2.2 Описание функциональной схемы автоматизации процесса блочной кустовой насосной станции
• 2.3 Выбор технических средств нижнего уровня
• 3. Программируемый логический контроллер
• 3.1 Назначение микропроцессорного контроллера
• 3.2 Выбор микропроцессорного контроллера
• 3.3 Выбор проектной конфигурации контроллера
• 4. Расчет системы регулирования уровня в абсорбере С-1
• 4.1 Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятора
• 4.2 Расчёт оптимальных настроек регулятора уровня
• 4.3 Определение показателей качества регулирования
• Заключение
• Список используемых источников

• Введение
• Автоматизированная система управления технологическим процессом (далее "АСУТП") блочная кустовая насосная станция (далее "БКНС") предназначена для управления технологическим процессом БКНС, а также поддержания оптимального режима закачки воды, контроля за ходом технологического процесса, формирования и выдачи отчетной и архивной документации, диагностики измерительного оборудования.
• АСУ ТП БКНС реализует:
• – автоматическое измерение параметров технологического оборудования БКНС (уровней в сепараторах, давления и температуры в насосных агрегатах, расхода воды и т.п.);
• – сравнение измеренных значений технологических параметров с уставками и формирование сигналов управления, а также предупредительной и аварийной сигнализаций;
• – расчет объема жидкости выводимой с объекта ;
• – контроль за состоянием насосных агрегатов, формирование сигналов аварийного отключения при возникновении аварийной ситуации;
• – отображение хода технологического процесса в виде мнемосхем, трендов, индикаторов, ведение хронометрирования основных технологических параметров и формирование протокола событий;
• – оперативное управление с пульта автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора-технолога оборудованием отсечной и регулирующей арматуры, в том числе и изменение уставок регуляторов;
• – возможность поэтапного пуска при производстве пуско-наладочных работ;
• – переключение с режима автоматического регулирования на ручное;

Цель работы: разработать проект автоматизации блочной кустовой насосной станции. Система автоматизации и управления предназначена для предотвращения возникновения аварийных ситуаций и поддержания заданных значений параметров технологического процесса.



1. Описание технологического процесса

1.1 Общая характеристика объекта управления

Объектом управления является блочная кустовая насосная станция (БКНС), в состав технологического оборудования которой входят:

- блок РУ-6кВ с устройством безударного пуска высоковольтных двигателей (УБПВД);

- блок КТП 6/04кВ с двумя трансформаторами и двумя системами шин;

- пять насосных блоков с насосными агрегатами, комплектующихся насосами ЦНС 180-1900М с двигателями СТДМ-1600;

- аппаратурный блок №1: ЩСУ с возможностью обеспечения работы пяти насосных агрегатов, блока дренажных насосов, пяти блоков фильтров и блока операторного;

- аппаратурный блок №2: ВТЕ - возбудители электродвигателей;

- блок фильтров, отдельно стоящий - каждый блок фильтров относится к соответствующему насосному блоку;

- блок дренажных насосов, отдельно стоящий;

- блок операторный с автоматизированным рабочим местом оператора;

- шесть сепарационных ёмкостей, установленных на отдельной площадке. Управление указанными объектами осуществляется из операторной, объекты управления находятся на расстоянии не более 300 м.

Технологические объекты расположены на открытом воздухе в условиях Крайнего Севера. Диапазон изменения температуры окружающего воздуха от -40°С до +50°С, влажность воздуха до 95%. В помещении операторной БКНС и насосных блоков температурный диапазон составляет от +5°С до +40°С, влажность воздуха до 95%.

Категория помещения водораспределительного блока - В1-б, зона сепарационных ёмкостей категория - В1-г, категория остальных помещений-Д, невзрывоопасное. Режим работы БКНС - непрерывный.

Функциональная схема автоматизации БКНС приведена в приложении 2.

1.2 Описание технологического процесса БКНС

БКНС предназначена для приема воды с водяных скважин (с куста) и дальнейшей закачки в нефтяные пласты под давлением 20 мПа. C куста от водяных скважин вода поступает в общий коллектор на вход БКНС. Со входа БКНС вода направляется в блок сепараторов С-1..5, где происходит отбор газа. Газ из сепараторов уходит на свечку, где распыляется в атмосферу.

Газ участвует в регулировании уровня в сепараторе. На каждой газовой трубке из сепаратора стоит клапан, при помощи которого ведется ПИД-регулирование давления газовой шапки в сепараторе.

Для управления уровнем в сепараторе предусмотрены ультразвуковые датчики уровня.

Разгазированная жидкость из сепараторов поступает на вход блока фильтров, где проходит очистку от песка и других крупных частиц:

– очищенная вода с БФ поступает в общий коллектор, откуда под давлением 3,5мПа поступает в насосный блок. С общего коллектора вода распределяется по насосным агрегатам (НА)-1..5;

– после НА-1..5 вода под давлением 20мПа собирается в коллектор и поступает в блок гребенок, откуда направляется на кусты, где подается на водяные скважины для закачки в нефтяные пласты.

Для аварийного опорожнения аппаратов от воды, сбора утечек с сальников насосов и дренажных стоков предусмотрена надземная дренажная емкость ЕД. Емкость оборудована дренажными насосами, вакуумной емкостью и контрольными приборами, обеспечивающими автоматическую откачку жидкости по уровню.



2. Автоматизация технологического процесса

2.1 Структура и функции АСУ ТП

Автоматизированная система управления технологическими процессами БКНС-7 Приобского месторождения представляет собой распределенную интегрированную систему управления и строится по иерархическому принципу, содержит три уровня управления [4]:

? верхний уровень - уровень автоматизированного управления из операторской БНКС-7. Предназначен для отображения протекающих процессов и их технологических параметров;

? средний уровень - уровень программируемого логического контроллера SLC-500. Осуществляется приём сигналов от нижнего уровня;

? нижний уровень - состоит из датчиков, преобразующих физические параметры (температуру, уровень, давление, расход) в унифицированные электрические сигналы, поступающие на средний уровень для дальнейшей обработки, а также исполнительных механизмов, получающих управляющие сигналы от среднего уровня автоматизированной системы управления.

Управляющая функция АСУТП -- это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления.

К управляющим функциям АСУТП относятся:

- регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;

- однотактное логическое управление операциями или аппаратами;

- программное логическое управление группой оборудования;

- оптимальное управление переходными технологическими режимами.

Информационная функция АСУТП -- это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки.

К информационным функциям АСУТП относятся:

? централизованный контроль технологических параметров;

? косвенное измерение (вычисление) параметров процесса;

? формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУТП;

? подготовка и передача информации в смежные системы управления.

Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).

2.2 Описание функциональной схемы автоматизации процесса блочно кустовой насосной станции

Блок сепараторов:

- регулирование (Кл.1 - Кл.5) по сигналу датчика уровня (поз.2а-2д);

- Дистанционное измерение и регистрация (поз.3а-3д) температуры;

- дистанционное измерение и показание (поз.4а) давление на выходе с сепараторов.

Блок фильтров:

- управление двигателей насосов (поз.6л-6п) по превышению давления (поз.6а-6д);

- дистанционное измерение и показание (поз.7а-7д) давление на выходе с насосов;

- управление двигателем выветривания (поз.8ш-8и) по сигналу датчика загазованности (поз.8а-8в);

- дистанционное измерение и показание перепада давления на фильтрах.

Блок Н1, Н2:

- управление двигателями насосов (поз.9д-9е) по превышению температуры на подшипниках (поз.9ц, 9ч, 9у, 9р, 9с, 9м, 9щ), давление на входе (поз.9а, 9б), уровня (9ю, 9я);

- дистанционное измерение и показание температуры на подшипниках (поз. 9ц, 9ч, 9у, 9р, 9с, 9м, 9щ);

- дистанционное измерение и показания (поз.9а, 9б) давление на выходе;

- дистанционное измерение и показания расхода (поз.10а, 10в);

- управление двигателям выветривателей (пол. 11ж, 11з) по сигналу датчика загазованности (поз. 11в, 11г).

БДН и БГ:

- дистанционное измерение и показание давления (поз.16а);

- управление насосами (18а, 18б) по превышению уровня (поз.17а, 17б);

- управление двигателем выветривателя (поз.19д, 19е) по сигналу датчика загазованности (поз.19а, 19б);

- измерение и показание давления в коллекторе (поз.16б).

2.3 Выбор технических средств нижнего уровня

Для контроля, измерения, регистрации, и вычисления различных параметров в технологических аппаратах установки осушки и очистки газа, были применены следующие технические средства.

В качестве прибора для измерения температуры рассматривались ИПТ Метран-280-1 и Yokogawa RH-2M. Характеристики преобразователей приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Технические характеристики датчиков температуры

Характеристика	ИПТ Метран-280-1	Yokogawa RH-2M
Пределы измерения	-50… 1200°С	-50... 300°С
Погрешность измерений	±0,4 %	± 0,75%
Выходной сигнал	4-20 мА с HART протоколом;	4-20 мА с HART протоколом

Более предпочтительным по ширине диапазона измерения и погрешности в данном случае является продукция фирмы Метран. Конструктивно ИПТ Метран-280-1 состоит из первичного преобразователя и электронного преобразователя, встроенного в корпус соединительной головки. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 мА и не зависит от значения входной температуры.

Для измерения перепада давления были рассмотрены датчики: Сапфир 22 ДД, Yokogawa EJA130A. Характеристики датчиков приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Технические характеристики преобразователей перепада давления

Характеристика	EJA130A	Сапфир-22-ДД
Погрешность измерений	до ±0,75%	до ±0,65%
Выходной сигнал	4-20 мА с HART протоколом; 0-5 мА	4-20 мА

Был выбран датчик Сапфир 22 ДД, так как он более надежен в эксплуатации.

Принцип действия:

Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал 0-5 и 4-20 мА

В качестве сигнализатора горючих газов было выполнено сравнение датчиков: СГГ-6м, СТМ-30,СТГ-1.

Таблица 2.3 - Характеристика сигнализатора СТМ-30

Параметр	СГГ-6м	СТМ-30	СТГ-1
Диапазон измерений, % НПВ	10…20	0…50	10…20
Основная абсолютная погрешность, % НПВ	±5	±2,5	±5
Время срабатывания сигнализации, с	15	7	15
Питание, В	220В	~200	220В

В качестве сигнализатора горючих газов был выбран датчик СТМ-30.

Основные преимущества СТМ-30 это более низкая погрешность измерения, более быстрое срабатывание сигнализации.

Принцип действия: основан на термохимическом принципе, при котором определяется тепловой эффект сгорания горючих газов и паров на каталитически активной поверхности измерительного чувствительного элемента.

Для выбора датчика избыточного давления было выполнено сравнение датчиков Yokogawa EJX 430A, Сапфир-22ДИ, Метран-150TG.

Таблица 2.4 - Технические характеристики датчиков избыточного давления

Параметр	Yokogawa EJX 430A	Сапфир-22ДИ	Метран-150TG
Выходной сигнал	4…20	4…20	4…20
Погрешность измерений	± 0,2%	0,5 %	±0,075% опции до 0,2,±0,5
Питание	10.5…42B	12-42, 22-42B	15…42B
Конструктивное исполнение	стандартное: IP67 искробезопасное: (EExiaIICT5) взрывонепроницаемое: (EExdIIСТ4, Т5, Т6)	1ExsdllBT4/H2, 1ExdllBT4/H2	Взрывозащищенное (Ex, Вн) IP65
Межповерочный интервал	3	3	3
Цена	20070р	12560р	20630р

Для измерения избыточного давления был выбран датчик Метран-150TG

Основные преимущества датчика Метран-150-TG, более низкая погрешность, соотношение цены и качества, защита от переходных процессов высокая надежность.

Принцип действия: датчик состоит из преобразователя давления и электронного преобразователя. Датчики имеют унифицированный электронный преобразователь. Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента (тензопреобразователя), вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов. Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал [2].

Для выбора преобразователей температуры было выполнено сравнение: ТСМ Метран-243,Yokogawa YTA110, Метран-280.

Таблица 2.5 - Технические характеристики

Параметр	ТСМ Метран-243	Yokogawa YTA110	Метран 280
Выходной сигнал, мА	4…20	4...20	4…20
Диапазон измерений	-50...120	-70... 320	-50…1200
Класс точности	0.5	0.5	0.5
Погрешность	±0,5 %	±0,5 %	0,40 - по аналоговому и цифровому сигналу, ±% 0,5 - не менее, ±°С
Межповерочный интервал, лет	1	2	2



Для измерения температуры был выбран датчик Метран 280.

Основные преимущества датчика Метран-280 более низкая погрешность измерения и повышенная виброустойчивость.

Принцип действия: конструктивно состоит из первичного преобразователя и электронного преобразователя (ЭП), встроенного в корпус соединительной головки. В качестве первичного термопреобразователя используются чувствительные элементы и термопарного кабеля с НСХ типа N. ЭП преобразует сигнал первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4-20 с наложенным на него цифровым сигналом HART [4].

Для выбора исполнительного механизма было выполнено сравнение механизмов: МЭО, МЭП и AUMA. Их технические характеристики приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Технические характеристики исполнительных механизмов

Параметр	МЭО	МЭП	AUMA
Диапазон моментов	6.3-10000 Н•м	6.3-4000 Н•м	10-32000 Н•м
Выходная скорость	-	-	4-180 об/мин
Время полного хода	10-160с	10-160с	-
Цена (руб.)	7000-71000	от 40000	от 150000

В качестве исполнительного механизма был выбран МЭП-2500/25-63-IIBT4.

Основные преимущества МЭП это соотношение цены и качества, стабильность характеристик. Кроме того он более удобен в обслуживании. Принцип действия исполнительного механизма: заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу.

Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих органах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей, штоков или других силовых конструкционных элементов.

При использовании во взрывоопасной зоне механизм должен поставляться в комплекте с датчиком положения во взрывозащищенной оболочке.



3. Программируемый логический контроллер

3.1 Назначение микропроцессорного контроллера

Программируемый логический контроллер является важнейшим элементом АСУ ТП, включающий в себя: процессорный модуль, модули аналоговых входов, дискретных входов и дискретных выходов.

Контроллер выполняет следующие задачи:

? сбор и обработку сигналов от дискретных датчиков;

? сбор и обработку сигналов от аналоговых датчиков;

? контроль и регулирование технологических параметров;

? формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы;

? обмен с верхним уровнем системы.

3.2 Выбор микропроцессорного контроллера

Программируемый логический контроллер, ПЛК -- микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами. Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

Первые логические контроллеры появились в виде шкафов с набором соединённых между собой реле и контактов. Эта схема задавалась жёстко на этапе проектирования и не могла быть изменена далее. В первых ПЛК, пришедших на замену обычным ЛК, логика соединений программировалась схемой соединений LD (Ladder logic Diagram). То есть устройство имело тот же принцип работы, но реле и контакты (кроме входных и выходных) были виртуальными, то есть существовали в виде программы микроконтроллера. В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, поэтому за этими процессорами остаётся название ПЛК. В современных логических контроллерах числовые операции реализуются наравне с логическими, но в большинстве приложений по прежнему преобладают логические команды.

В настоящее время на рынке средств автоматизации представлено огромное количество программируемых логических контроллеров, как отечественного, так и зарубежного производства.

Рассмотренные контроллеры меют схожие характеристики, обладают возможностью к расширению в широком диапазоне, высоким быстродействием и достаточно мощными 32 разрядными процессорами. Сравнительный анализ контроллеров представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Сравнительный анализ контроллеров

Показатели	System 2003	ADAM-5000	SLC - 500	DL 405
Фирма и страна изготовитель	B&R, Австрия	ADVANTECH, США	Allen Bradley, США	PLC - Direct, Япония
Конструкция контроллера	модульная	модульная	модульная	модульная
Средняя наработка на отказ, тыс. ч.	600	390	850	485
Максимальное количество контроллеров в сети, шт	31	256	256	256
Объем памяти	750 Кбит	до 32 К	до 60 К	до 60 К
Разрядность процессора	32	32	32	32
Температура эксплуатации,С	0 +60	-10 +70	0 +60	0 +60
Максимальная потребляемая мощность, Вт	30	25	25	25
Максимальная скорость передачи данных, бод	10Мбит (по Ethernet)	до 115,2 К	до 230,4 К (по DH+)	до 115,2 К
Напряжение питания, В	=24В, ~100-220В	+10 +30	+18 +30	+18 +30
Интерфейс (RS-485 / RS-422 / RS-232)	RS - 232, CAN, Ethernet	RS-232, RS-485	RS-232, RS-485, Ethernet	RS-232, RS-485 Ethernet



Самая высокая скорость реакции у System 2003, причем обеспечивается без дополнительной нагрузки на процессор. System 2003 прост в обслуживании и, наряду с ADAM-5000, обладает мощными функциями самодиагностики и мониторинга состояния. Преимуществами ADAM-5000 является высокоскоростной Ethernet порт и возможность настройки по сети, но у него самый маленький объем памяти. DL405 обладает высокой производительностью за счет трех процессоров, но при этом его стоимость высока по сравнению с конкурентами. Самым надежным из рассмотренных контроллеров является SLC 500, он представляет собой платформу, устанавливаемую на шасси, обеспечивающую возможность конфигурировать в точности такую автономную или распределенную систему, которая необходима для проектируемой системы автоматизации. По соотношению цена-качество, а также условиям гарантийного обслуживания и поддержки лидирует контроллер SLC 500.

3.3 Выбор конфигурации контроллера

Для увеличения надежности системы, берем отдельное управление насосными агрегатами, далее Станция Управления Насосным Агрегатом, сокращенно СУНА (т.к. алгоритм работы насосных агрегатов аналогичен, то для КР берется только НА1),и Станция Управления Общестанционная, сокращенно СУО, куда будут приходить все сигналы с БС,БФ,БДН,БГ.

Описание СУНА:

Количество сигналов с учетом сигналов от исполнительных механизмов и резерва следующее: 11 аналоговых входов и 5 в резерве; 29 дискретных входов и 3 в резерве; 18 дискретных выходов и 6 в резерве; 1 импульсный вход и 7 в резерве. Для обработки сигналов, а так же для управления исполнительными механизмами выберем следующие модули:

- одно шасси на 10 слотов (1746-А10);

- 2 модуля ввода аналоговых сигналов 1746-NI8, который имеет восемь каналов;

- 2 модуля ввода дискретных сигналов 1746- IB16;

- 2 модуля вывода дискретных сигналов, один из которых 1746-OB16 и другой 1746-OB8;

- 1 модуль ввода импульсного сигнала 1746-HSCE;

- один источник питания 1746-Р3. Выбранный источник питания 1746-Р3 имеет достаточную надёжность и обеспечивает запас по мощности. Расчёт энергопотребления контроллера представлен в таблице 3.2.

Выбор модулей проводился с учетом резерва от 10-20%.

Таблица 3.2 - Энергопотребление контроллера

№ шасси	№ слота	Каталожный номер	Потребляемый ток, А	Описание
			5V	24V
1746-А10	0	1747-L542	1	0,2	УП SLC5/04
	1	1746-NI8	0,200	0,100	AI
	2	1746-NI8	0,200	0,100
	3	1746- IB16	0,085	0	DI
	4	1746- IB16	0,085	0
	5	1746- OB16	0,280	0	DO
	6	1746-OB8	0,135	0
	7	1746-HSCE	0,320	0	импульс
	8	резерв	-	-	-
	9	резерв	-	-
	Итого	I, A	2,305	0,4	Блок питания 1746-Р3
	БП	I, A	3,60	0,87
	Запас	I, A	1,295	0,47

Описание СУО:

Количество сигналов с учетом сигналов от исполнительных механизмов и резерва следующее: 28 аналоговых входов и 4 в резерве; 37 дискретных входов и 3 в резерве; 26 дискретных выходов и 6 в резерве; 5 аналоговых выхода и 3 в резерве. Для обработки сигналов, а так же для управления исполнительными механизмами выберем следующие модули:

- одно шасси на 10 слотов (1746-А10);

- 4 модуля ввода аналоговых сигналов 1746-NI8

- 2 модуля вывода аналоговых сигналов 1746- INO4I.

- 2 модуля ввода дискретных сигналов, один из которых 1746-IB32 и другой 1746-IB8;

- 1 модуль вsвода дискретных сигналов 1746-OB32;

- один источник питания 1746-Р2. Выбранный источник питания 1746-Р2 имеет достаточную надёжность и обеспечивает запас по мощности. Расчёт энергопотребления контроллера представлен в таблице 3.3

Таблица 3.3 - Энергопотребление контроллера

№ шасси	№ слота	Каталожный номер	Потребляемый ток, А	Описание
			5V	24V
1746-А10	0	1747-L542	1	0,2	УП SLC5/04
	1	1746-NI8	0,200	0,100	AI
	2	1746-NI8	0,200	0,100
	3	1746-NI8	0,200	0,100	DI
	4	1746-NI8	0,200	0,100
	5	1746-INO4I	0,120	0,170	DO
	6	1746-INO4I	0,120	0,170
	7	1746- IB32	0,106	0	импульс
	8	1746- IB8	0,05	0	-
	9	1746-OB32	0,452	0
	Итого	I, A	2,648	0,94	Блок питания 1746-Р2
	БП	I, A	5,0	0,96
	Запас	I, A	2,352	0,02



4. Расчет системы регулирования уровня в сепараторе С-1

4.1 Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятора

Для определения оптимальных параметров настройки регуляторов необходимы сведения о статических и динамических характеристиках объектов регулирования. Эти характеристики могут быть получены либо аналитически, либо экспериментально. Ввиду недостаточной изученности объектов регулирования и необходимости принимать при их математическом описании ряд упрощающих предложений наиболее достоверными следует признать статические и динамические характеристики объектов регулирования, полученные экспериментально

В данной работе производится расчёт САР уровня жидкости при ступенчатом изменении положения регулирующего органа в сепараторе С-1.

Исходные данные для выполнения расчёта:

- величина относительного изменения выходного параметра м=5%;

- допустимое перерегулирование у=15%.

Кривая разгонной характеристики сепаратора приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Кривая разгонной характеристики С-1



Получается математическая модель сепаратора, как объекта регулирования, имеющая вид апериодического звена первого порядка с запаздыванием (формула 1).

(1)

K - коэффициент передачи объекта;

Т₀ - постоянная времени объекта;

ф - запаздывание.

Динамические характеристики объекта находятся методом касательной. Для этого строится касательная в точке максимального наклона кривой разгонной характеристики. Постоянные времени объекта определяются графически.

Рисунок 4.2 - Определение динамических характеристик С-1

Запаздывание ф и постоянную времени Т₀ определяют по графику переходного процесса.



Коэффициент передачи объекта находится по формуле 2.

Y_уст - установившееся значение изменяемой величины;

Y_ном - значение изменяемой величины до ступенчатого воздействия. (2)

Математическая модель сепаратора первой ступени имеет вид (формула 3).

(3)

Для выбора типа регулятора сравниваются динамические характеристики объекта регулирования. Главным критерием является соотношение запаздывания и постоянной времени объекта, и определяется какой из видов регуляторов целесообразно применить для данного объекта и определения параметров настройки регуляторов (формула 4).

(4)

Для данного значения критерия предпочтительно использовать пропорционально-интегральный регулятор.



4.2 Расчёт оптимальных настроек регулятора уровня

Для расчёта настроек регулятора необходимо построить приведённую передаточную функцию системы, которая представляет собой последовательное соединение фиксатора и передаточной функции непрерывной части. Используется фиксатор нулевого порядка с передаточной функцией вида (формула 5).

Период дискретизации выбирается согласно теореме Котельникова, которая гласит, что аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности её дискретных по времени значений может быть точно восстановлена, если период дискретизации в два раза меньше, чем период самой высокой гармоники спектра исходной функции. Использование меньшего периода дискретизации не сделает работу САР более точной, но приведёт к избыточному использованию вычислительной мощности ПЛК.

Выбирается период дискретизации, равный 15с. Передаточная функция фиксатора нулевого порядка принимает вид (формула 6).

(6)

Поиск оптимальных настроек регулятора можно проводить несколькими методами. В этой работе используется метод ограничения на частотный показатель колебательности М. Допустимое значение М находится с помощью номограмм Солодовникова (рисунок 4.3).



Так как значение Pmax= 1,05.

Для требуемого перерегулирования берётся M=1,05. Тогда параметры окружности равны (формула 7).

По методу ограничения на частотный показатель колебательности на одной комплексной плоскости строятся окружность с параметрами, зависящими от частотного показателя колебательности, и АФЧХ системы с регулятором. Для различных значений времени интегрирования регулятора выбираются значения коэффициентов передачи регулятора , при которых окружность и АФЧХ касаются, но не пересекаются. Из всех полученных пар настроек регуляторов за оптимальные принимаются настройки с максимальным соотношением коэффициента передачи и времени регулирования (формула 8).

(8)

Значения времени интегрирования выбираются из диапазона

Вычисления, построения и получение Z-изображений производятся при помощи программы MatLab:

После выполнения этих команд строится рисунок 4.3.



Рисунок 4.3 - АФЧХ системы и окружность на комплексной плоскости

Подставляем каждое значение времени интегрирования и получаем соответствующие им значения коэффициентов передачи регуляторов, которые сводятся в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Настройки ПИ-регуляторов

Ти	Kr	Kr/Ти
67,5	0,565	0,00837
81	0,855	0,01055
94,5	1,3	0,01375
108	1,7	0,01574
121,5	2,1	0,01728
135	2,255	0,01670
148,5	2,344	0,01578
162	2,444	0,01508
175,5	2,511	0,01430
189	2,555	0,01351
202,5	2,535	0,01251

На рисунке 4.4 изображена зависимость Кр/Ти от Ти.



Рисунок 4.4 - график зависимости Кр/Ти от Ти.

За оптимальные принимаются настройки ПИ-регулятора

4.3 Определение показателей качества регулирования

Основными показателями качества являются время регулирования и перерегулирование.

Временем регулирования t_p называется время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонения регулируемой величины от ее установившегося значения будут меньше наперед заданного значения ошибки. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие) переходного процесса.

Перерегулированием у называется максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения, выраженное в процентах по отношению к установившемуся значению. Для определения качества регулирования строим переходную характеристику замкнутой системы.

Для этого вычисляется передаточная функция замкнутой системы. В случае с единичной обратной связью она имеет вид (формула 9).



;.

Фактический показатель колебательности находится по АЧХ, построенной с помощью MatLab, и сравнивается с заданным значением:

АЧХ системы с регулятором имеет вид (рисунок 4.5):

Рисунок 4.5 - АЧХ системы с ПИ-регулятором

, расчёт удовлетворительный.

Для определения прямых показателей качества в MatLab строится переходная характеристика системы с ПИ-регулятором (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Переходная характеристика системы с ПИ-регулятором

По графику переходного процесса определяем:



h_max=1.09; h(?)=1;

у =.

Система устойчива и имеет прямые показатели качества управления . Показатели качества управления удовлетворительные. В качестве оптимального принимается ПИ-регулятор с параметрами



Заключение

В курсовой работе была спроектирована система автоматизации технологического процесса блочной кустовой насосной станции.

Разработанная автоматизированная система предназначена для управления, контроля, сбора данных, архивации данных и регулирования основных параметров объекта получаемых в реальном времени.

Технологическое оборудование для установки выбиралось в соответствии с высокой производительностью, точностью измерений, быстродействием, соотношением цена качество, высокой степенью защиты, быстрой окупаемостью [6].

Спроектированная автоматизированная система позволяет повысить качество технологического процесса за счёт своевременного и точного предоставления параметров и данных в ходе работы блочной кустовой насосной станции и снизить затраты на обслуживание. Система разработана с учётом расширяемости и наличия резервных модулей. Также повышается степень защиты обслуживающего персонала, так как необходимости прямого взаимодействия с объектами уменьшается.



Список используемых источников

1. Андреев Е.Б., Попадько В.Е. Технические средства систем управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности: Учебное пособие. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005- 272 с.

2. Джон Парк, Стив Маккей, Эдвин Райт Передача данных в системах контроля и управления: Учебное пособие. - Группа ИДТ, 2007. - 480.

3. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП : Учебное пособие. - М.: ДЕАН, 2010 г. - 552 с.

4. Николайчук О. И. Современные средства автоматизации: Учебное пособие. - Группа ИДТ, 2006. - 248 с.

5. Технологический регламент эксплуатации установки комплексной подготовки газа ЯКГМ УКПГ-3. - 201 с.

6. Ицкович Э. Л. Методы рациональной автоматизации производства: Учебное пособие. - Инфра-Инженерия, 2009.- 256 с.

7. www.kipinfo.ru.

8. www.novec.ru.

Размещено на Allbest.ru