Модернизация участка гранулирования аммиачной селитры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В химической промышленности комплексной механизации и автоматизации уделяют большое внимание [1]. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы для обслуживающего персонала, взрывоопасностью и пожароопасностью перерабатываемых веществ, ограниченностью возможностей человеческого организма.

Ограниченные возможности человеческого организма (утомляемость, недостаточная скорость реакции на изменение окружающей обстановки и на большое количество одновременно поступающей информации, субъективность в оценке сложившейся ситуации) являются препятствием в дальнейшей интенсификации производства.

С ростом технического прогресса человечества все чаще на смену ручному труду приходят автоматы, которые выполняют работу лучше, быстрее, эффективнее, чем обычный рабочий. Автоматизация незаменима там, где имеются повышенные давление, температура, скорость протекания технологического процесса, а также повышенная загазованность и радиоактивность.

Наступил новый этап химического производства - автоматизация, т.е. человек освобождается от непосредственного участия в производстве, от тяжелого ручного труда и выступает в роли обслуживающего персонала, осуществляющего ремонт и наладку, а функции управления передаются автоматическим устройствам.

Автоматизация - это процесс замены ручного труда по управлению машинами и механизмами, работой специальных автоматических устройств [2].

К устройствам автоматизации относятся средства: измерения, контроля, сигнализации, защиты, блокировки, програмно-логического управления, регулирования.

Для исправной работы этих средств необходимо обеспечить правильную их эксплуатацию. В эксплуатацию устройств входят следующие работы: монтаж, обслуживание, регулирование, ремонт, настройка, поверка. Все эти операции нужно производить в соответствии с утвержденными правилами

Автоматизация представляет собой качественно новый способ управления технологическими процессами. В автоматизированном технологическом процессе человек практически не принимает участие в управлении процессом, так как управление осуществляется автоматическими устройствами, которые обладают большими возможностями и обеспечивают получение более высоких показателей работы.

Задачи, которые решаются при автоматизации современных химических производств, весьма сложны. От специалистов требуются знания не только устройств различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления.

В автоматизированном производстве человек занимается анализом результатов управления, составлением заданий и программ для автоматических устройств и систем автоматики, производит наладку сложных автоматических устройств, а также их диагностику и проверку.

Быстрый темп развития автоматики заставляет все большее внимание уделять образованию рабочих и заботиться о своевременной их переподготовке. С повышением квалификации и культурного уровня рабочих стирается грань между физическим и умственным трудом.

Для надёжного и бесперебойного функционирования систем автоматического управления технологическим процессом необходима правильная организация, эксплуатация и ремонт систем измерения и систем автоматизации.

Эксплуатация - это совокупность работ, связанных с установкой, обслуживанием, ремонтом приборов и средств регулирования [3].

В процессе эксплуатации проводятся работы, связанные с выполнением межремонтного технического обслуживания и планового осмотра для поддержания работоспособного состояния средств измерения и средств автоматизации. Для устранения возможных неисправностей проводятся: текущий, капитальный и восстановительный ремонты.

Автоматизация приводит к эффективному производству, т.е. к улучшению основных показателей: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда.

Внедрение специальных автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение потребления сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, снижению применения тяжелого ручного труда.

С внедрением автоматизированных устройств также достигается не менее важная цель - охрана природы: уменьшается количество аварий, сокращаются объемы выбросов промышленных отходов в реки и атмосферу, а также автоматизация способствует рациональному использованию природных ресурсов.

В настоящее время технологический процесс характеризуется непрерывным ростом автоматизации производства во всех видах народного хозяйства, от автоматизации отдельных установок и агрегатов до создания автоматизированных цехов и заводов, обеспечивающих максимальное повышение производительности труда.

Получение гранулированной аммиачной селитры - сложный химический процесс, требующий правильной организации, эксплуатации и ремонта систем измерения и систем автоматизации, а так же постоянной автоматизации управления производством.

Данный дипломный проект посвящён модернизации участка гранулирования аммиачной селитры. Также в дипломном проекте отражена информация о видах выпускаемой продукции, организации дискретной службы, принципиальной технологической схеме производства.

Химическая промышленность в настоящее время является одной из ведущих отраслей промышленности. К ней привлекаются все большие объемы инвестиций, что обуславливает ее развитие в качестве и объеме производства. Под развитием понимается внедрение инновационных технологий, обеспечивающих получение более эффективных и качественных химических продуктов, а также повышение общего уровня автоматизации предприятий и привлечение квалифицированных кадров.

В частности, одним из ведущих предприятий химической промышленности в сфере сельского хозяйства, является «Завод минеральных удобрений», входящий в состав ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова». Также в состав ОАО «КЧХК» входят вспомогательные организации, обеспечивающие автономность и полное функционирование предприятия. К ним относятся:

1. ООО «Завод минеральных удобрений КЧХК»;

2. ООО «Ремонтно-механический завод КЧХК»;

3. ООО «Ремонтно-строительный завод КЧХК»;

4. ООО «Завод полимеров КЧХК»;

5. ООО «Транспортно-логистическая компания КЧХК».

1. Социально-экономическое обоснование темы дипломного проекта

1.1 Назначение технологического процесса производства аммиачной селитры

Производство аммиачной селитры (АС) осуществляется методом естественной грануляции при падении плава аммиачной селитры в крупнотоннажных агрегатах грануляции АС-721,2 противоположно подогретому воздуху [4].

Проектная мощность одного агрегата производства аммиачной селитры составляет 60 т/ч.

Технологический процесс производства гранулированной аммиачной селитры состоит из следующих стадий:

· прием и подготовка сырья;

· синтез, выпарка и гранулирование;

· транспортировка на склад готового продукта.

1.2 Назначение технологического процесса производства аммиачной селитры

Технологический процесс грануляции аммиачной селитры предназначен для получения гранулированной аммиачной селитры, которая является одним из основных видов минеральных удобрений.

В процессе эксплуатации в последние годы проявились следующие недостатки существующей системы:

1. Высокая аварийность:

- длительный простой оборудования из-за трудного поиска причины аварийной остановки оборудования и устранения данной причины и как следствие предприятие теряет прибыль из-за недовыпуска продукции;

- высокий износ оборудования, что ведёт к дополнительным расходам на закупку оборудования, ремонт, монтаж и наладку;

- повышенное загрязнение окружающей среды, что ведет к дополнительным налогам и штрафам;

2. Высокие расходы на обслуживание и ремонт

- необходимость большого количества квалифицированного персонала для поддержания работоспособного состояния системы управления, что ведёт к большим расходам на заработную плату, льготы, профилактическое питание, социальные программы и т.д.;

- необходимость организации и содержание отдельной службы, проведение регулярных проверок и обучение персонала;

В проекте предлагается устранить или по возможности снизить указанные выше недостатки введением новых технических решений.

В частности, произвести модернизацию участка грануляции аммиачной селитры с помощью внедрения дополнительного технологического оборудования, отвечающего современным требованиям к производству. А также повысить уровень автоматизации участка в целом с применением новейших систем автоматического контроля, регулирования и сигнализации.

2. Описание технологического процесса

2.1 Назначения технологического оборудования

Назначение технологического оборудования, технические характеристики, а также позиция на схеме представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Технологическое оборудование

Поз.	Наименование	Назначение	Тех.характеристики
1	2	3	4
Ф-207	Фильтр рукавный каркасный марки ФРКН-30	Предназначен для фильтрации рабочего воздуха от примеси меловой пыли	Объем: V=3,06 м3 Пропускная способность: Q=3060 м3/ч
ПШ-2191,2	Питатель шлюзовый Ш-3-51	Предназначен для подачи отфильтрованной меловой пыли в подогреватель Т-205	Пропускная способность: Q=0,18-1,65 м3/ч Скорость вращения: n=2,5-24 об/мин
Ц-217	Циклон марки ЦН-15-600х1УП	Предназначен для фильтрации рабочего воздуха от примеси меловой пыли	Объем: V=0,33 м3 Пропускная способность: Q=2500-4100 м3/ч
Т-205	Подогреватель мела	Предназначен для подогрева воздушно-меловой смеси	Q=18 т/ч
Р-132	Донейтрализатор	Предназначен для нейтрализации плава АС газообразным аммиаком до требуемого показателя рН
С-206	Смеситель	Предназначен для смешивания плава АС с воздушно-меловой смесью	Объем: V=1 м3 Рмеш = 15 кВт
1	2	3	4
Е-232	Сборник плава АС	Предназначен для сбора плава АС для последующей подачи на лейки гранбашни
Е-156	Реактор	Предназначен для тщательного смешивания плава АС и мела	Объем: V=3,5 м3 Рмеш = 15 кВт

2.2 Принцип действия функциональной схемы

Функциональная схема приведена на листе ТПЖА.425270.512 С2.

Процесс грануляции аммиачной селитры относится ко второй стадии процесса производства гранулированной аммиачной селитры.

Рассмотрим интересующий нас участок производства гранулированной аммиачной селитры.

В донейтрализатор поз. Р-132 подается подогретый плав аммиачной селитры (ПАС). ПАС представляет из себя смесь различным компонентов. На 99 % плав состоит из нитрата аммония (NH4NO3). К остальным компонентам относятся различные добавки, которые вводятся для получения большего эффекта от применения минерального удобрения - гранулированной аммиачной селитры. Также в донейтрализатор подается газообразный аммиак для устранения повышенного уровня кислотности плава (реакция нейтрализации). Заданный уровень водородного показателя рН плава контролируется на выходе аппарата.

Далее подогретый и нейтрализованный ПАС подается в смеситель поз. С-206, где смешивается с подогретым мелом (СаСО3). Подогретый мел поступает из подогревателя мела поз. Т-205. Продвижение мела по подогревателю реализуется сжатым воздухом. Сжатый воздух имеет циклическую систему очистки. Для этого предусмотрены следующие аппараты: циклон поз. Ц-217, в котором происходит отделение крупнодисперсных компонентов мело-воздушной смеси, фильтр рукавный каркасный поз. Ф-207, в котором отделяются мелкодисперсный мел, вентиляторы поз. В-2081,2, служащие для организации нагнетания в линии питания воздухом подогревателя. Отделенный мел с помощью шлюзовых питателей поз. ПШ-2191,2 подается в подогреватель поз. Т-205.

После смесителя пульпа мела подается в реактор поз. Е-156, где происходит тщательное перемешивание и упарка с помощью парового подогрева реактора. Температура смеси составляет 165-180С. В данном аппарате получается новый вид АС - известково-аммиачная селитра (ИАС) с соотношением компонентов 26-30% СаСО3 и 69-73 % NH4NO3.

ИАС с помощью насоса поз. Н-166А (монтируемого вновь) перекачивается в сборник ПАС поз. Е-232, который находится на отметке +69,200 м на гранбашне.

Далее смесь ПАС и ИАС подается на лейки гранбашен для последующей грануляции.

3. Разработка технических требований

3.1 Технические требования к измерительным приборам

В данной технологической схеме данного участка необходимо измерять следующие технологические параметры:

· уровень;

· температура;

Для всех контрольно-измерительных приборов предъявляются следующие технические требования:

· Наличие унифицированных выходных сигналов (0-100 мВ, 0-1 В, 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, HART-протокол, 20-100кПа и т.д);

· основная приведенная погрешность не более ±0,5%;

· максимальная протяженность линии связи не более 1000 м;

· чувствительный элемент прибора не должен разрушаться под действием измеряемой среды;

· диапазон измеряемой величины должен составлять 2/3 от диапазона прибора;

· средний срок службы датчиков не менее 10 лет;

· наличие взрывозащищенного исполнения: (Ех, Вн);

· средняя наработка датчиков на отказ не менее 100 000 ч.

3.2 Технические требования к микропроцессорному контроллеру

Технические требования, предъявляемые к микропроцессорному контроллеру:

1) Количество информационных сигналов (каналов) должно соответствовать количеству измеряемых величин (датчиков) и возможность подключения дополнительных датчиков вследствие изменения технологии.

2) Количество управляемых каналов должно соответствовать количеству исполнительных органов (преобразователь частоты) и возможность подключения дополнительных исполняемых органов вследствие изменения технологии.

3) Изделие должно обеспечивать ввод дискретных сигналов.

4) Изделие должно обеспечивать ввод аналоговых сигналов.

5) Изделие должно обеспечивать двуполярное измерение силы постоянного тока с параметрами:

· диапазоны измерения: 0-20 мА, 4-20 мА;

· основная приведенная погрешность не более 0,15%;

· разрешающая способность преобразования не хуже 0,01%;

· периодичность измерения силы постоянного не реже одного раза в 100 мс;

· наличие индикации состояния входных сигналов.

6) Контроллер или устройства связи с объектом (УСО) должены обеспечивать измерение сигналов термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивлений с параметрами:

· градуировочные таблицы сигналов термоэлектрических преобразователей - по ГОСТ Р 8.585-2001;

· градуировочные таблицы термопреобразователей сопротивления - по ГОСТ 6651-94.

7) Возможность подключения МК к ЭВМ, для облегчения работы технологического персонала с МК. Дополнительные требование к ЭВМ:

· Наличие устройств вывода (принтер).

· Наличие устройств для хранение информации на различных носителях (CD-RW, DVD-RW и т.д.).

· Монитор 19-21 дюйм.

· Наличие устройств для связи с другими ЭВМ (модем, сетевая плата).

8) Предельные климатические условия эксплуатации изделия:

· пониженная рабочая температура окружающего воздуха +5С;

· повышенная рабочая температура окружающего воздуха +40С;

· относительная влажность воздуха до 80% при +25С.

9) Среднее время наработки на отказ плат не менее - Т=60 000 часов.

3.3 Технические требования к исполнительным органам

Автоматическое регулирование технологического процесса осуществляется с помощью исполнительных органов (ИО) - устройств управления работой технологического процесса.

Для всех ИО предъявляются следующие технические требования:

1) Технические характеристики должны соответствовать техническим требованиям к оборудованию.

2) Материал, из которого изготовлен ИО (насос), не должен разрушаться под действием протекающей среды, а также под воздействием температуры и давления.

3) Для связи МК с исполнительными органами служат преобразователи, которые предназначены для обеспечения соответствия между заданной величиной сигнала управления и состоянием исполнительного механизма.

4) Средний срок службы не менее 5лет,

5) Наличие взрывозащищенного исполнения: (Ех, Вн);

4. Обзор, выбор и обоснование выбора технических средств

4.1 Обзор и выбор технических средств датчиков

Датчики можно условно разделить:

· по виду выходного сигнала;

· по способу измерения технологического параметра [5].

4.1.1 По виду выходного сигнала

Датчики с унифицированным электрическим выходным сигналом.

Датчики данного типа преобразуют измеряемую величину в токовый унифицированный выходной сигнал (ТУС) : 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, HART-протокол и т.д.

Протокол HART (Highway Adressable Remote Transduser), разработанный компанией Rosemount в середине 80-х годов, реализует известный стандарт Bell 202 FS. Цифровой и аналоговый сигналы передаются одновременно по одной паре проводов. Наличие международной организации «HART Communication Foundation» позволяет активно поддерживать и продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей.

Коммуникационый протокол HART обеспечивает:

- возможность применения датчиков как в аналоговых, так и цифровых системах, поддерживающих HART-протокол: по одной паре проводов одновременно передается аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART;

- двухсторонний обмен информацией между датчиком и управляющим HART-устройством: ручным портативным HART-коммуникатором или другим HART-мастером, а также компьютером, оснащенным HART-модемом и специальной программой;

- тестирование и управление параметрами датчика на расстоянии.

Данные выходные сигналы являются входными сигналами практически для всех современных микропроцессорных контроллеров. Вследствие этого приборы с ТУС получили огромное распространение и применяются в современных АСУ ТП.

4.1.2 Выбор способа измерения контуров и выпускаемых промышленностью датчиков

В контуре 2LT281 будет применяться датчик Метран-100 [6], т.к. он обладают следующими достоинствами:

· материалы датчика, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионностойкими;

· основная погрешность измерений ±0,5% от диапазона;

· унифицированный аналоговый токовый выходной сигнал и цифровой сигнал в стандарте протокола HART;

· взрывозащищенное исполнения "Ex";

· простота установки и обслуживания;

· устойчивость устойчив к действию окружающей среды;

· средняя наработка датчиков на отказ 100 000 ч.

Обозначение датчика при заказе:

В контуре 2LT281 Метран-100-Ех-ДИ-1141-02-МП1-t10-025-40кПа-М20-ШР22-ГП ТУ4212-008-12580824-99.

В контурах 4ТЕ292, 7ТЕ293, 8ТЕ293, 4ТЕ294, 5ТЕ594 будут применяться датчики КТХК 01.04-С10-И-3-40/80 [7], т.к. они обладают следующими достоинствами:

· материалы датчика, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионностойкими;

· специализированы к измерению температуры твердых поверхностей;

· основная погрешность измерений ±0,5% от диапазона;

· взрывозащищенное исполнения "Ex";

· простота установки и обслуживания;

· устойчив к действию окружающей среды;

· низкая инерционность;

· средняя наработка датчиков на отказ 100 000 ч.

Обозначение датчиков при заказе:

КТХК 01.04-С10-И-3-40/80

В контуре 2LЕ281 будет применяться уровнемер пьезометрический

УП-1. Этот прибор получил широкое распространение на предприятии, к тому же он является разработкой конструкторского бюро предприятия. К его достоинствам можно отнести:

· простоту конструкции;

· надежность, обусловленную опытом применения;

· точность измерения;

· коррозионную стойкость к измеряемой среде.

Обозначение датчика при заказе:

УП-1, черт. ОКБ КИПиА 2168.00.000-03-исп.02-вариант№1

Этот прибор является существующим и смонтированным на реакторе поз. Е-156. Выбор датчиков обусловлен опытом их эксплуатации, а так же соответствием технических требований их техническим характеристикам.

Контуры автоматического контроля и регулирования

Контуры автоматического контроля и регулирования концентрации, температуры, расхода, перепада давлений, избыточного давления приведены в таблице 4.1.2.

Таблица 4.1.2 - Контуры автоматического контроля и регулирования, температуры, уровня

Номер контура	Измеряемый параметр	Диапозон измеряемой величина	Факторы влияющие на выбор метода и датчика
1	2	3	4
4ТЕ292	Температура корпуса улитки насоса поз. Н-166А	Т=165ч190 ОС	· температура Т=+165ч+190єC
7ТЕ293	Температура переднего подшипника насоса поз. Н-166А	Т=20ч90 ОС	· температура Т=+20ч+90єC
8ТЕ293	Температура заднего подшипника насоса поз. Н-166А	Т=20ч90 ОС	· температура Т=+20ч+90єC
4ТЕ294	Температура переднего подшипника двигателя насоса поз. Н-166А	Т=20ч90 ОС	· температура Т=+20ч+90єC
5ТЕ294	Температура заднего подшипника двигателя насоса поз. Н-166А	Т=20ч90 ОС	· температура Т=+20ч+90єC
2LЕ281	Уровень ИАС в реакторе поз. Е-156	L=200ч1200 м	· уровень L=200ч1200 мм

Выбор и обоснование приборов для измерения температуры, избыточного давления (уровня)

· Выбор и обоснование приборов для измерения уровня.

Принцип действия уровнемера пьезометрического основан на измерении избыточного давления в пьезометрической трубке, в которую нагнетается воздух. Это давление напрямую зависит от уровня жидкости, в которую она погружена. Поэтому наиболее подходящий тип прибора - это тензоэлектрический преобразователь избыточного давления.

Измерение уровня ИАС в реакторе поз. Е-156 производиться с помощью: уровнемера пьезометрического УП-1 и избыточное давление измеряется с помощью прибора Метран-100-Ех-ДИ-1141.

Метран-100-Ех-ДИ-1141 измеряет избыточное давление в пьезометрической трубке уровнемера УП-1 поз. 2LE281. Он выбран потому, что может использоваться во взрывоопасных и пожароопасных помещениях, имеет высокий класс точности и малую инертность. Может передавать сигнал на расстояния до 10 км. А также оснащен жидкокристаллическим индикаторным устройством, по которому можно определять показания по месту.

Достоинства:

- Высокая точность измерений;

- используется в большинстве современных систем измерения;

- чувствительные элементы компактны и надежны;

- низкая себестоимость метода;

- простота обслуживания и замены датчиков.

· Выбор и обоснование приборов для измерения температуры

Наиболее подходящий тип прибора - это термоэлектрический преобразователь, так как рабочие измеряемые температуры весьма высоки, поэтому величина термо-ЭДС является относительно высокой и стабильной.

Преобразователь термоэлектрический КТХК 01.04-С10-И-3-40/80 - это устройство, в котором, термо-ЭДС, наводимая на свободных концах, зависит от температуры нагрева рабочего спая. Он выбран потому, что он измеряет температуру в конкретных точках в диапазоне измерения от -40 до +600 0С).

Достоинства:

- высокая точность измерений;

- малая инерционность;

- используется в большинстве современных систем измерения;

- чувствительные элементы компактны и надежны;

- низкая себестоимость метода;

- простота обслуживания и замены датчиков.

4.2 Обзор и выбор контроллера

4.2.1 КРОСС

Контроллер КРОСС [13] предназначен для общепромышленного применения в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в различных отраслях промышленности - энергетической, металлургической, пищевой, стекольной, цементной и т.д. Контроллер может использоваться также в качестве автономного средства для управления объектами малой и средней сложности.

В составе АСУ ТП контроллер предназначен для обслуживания взрывопожароопасных объектов, в том числе химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, оговоренных ПБ 09-170-97. Контроллер является изделием общего назначения по ГОСТ 18311-80. Место установки контроллера - взрывобезопасное помещение.

Программное обеспечение контроллера позволяет пользователю:

§ выполнять широкий круг алгоритмических задач: алгебраических и тригонометрических функций, статических и динамических преобразований, регулирования, программно-логического управления, защиты, учета, регистрации и архивации данных и т.п.;

§ обеспечить возможность контроля, управления и тестирования каналов ввода и вывода в автономном режиме и с помощью компьютера, при этом обеспечивается возможность переноса, тиражирования программ;

§ достичь снижения затрат на разработку и отладку программ пользователя за счет простоты и удобства программирования, их переноса и документирования, независимости от способов построения и работы устройств ввода/вывода.

Программно-аппаратные средства контроллера направлены на выполнение требований, возникающих при построении АСУ ТП. В первую очередь это возможность обмена данными в реальном масштабе времени через интерфейс Еthernet.

В контроллере применена интеллектуальная подсистема ввода/вывода.

Устройства связи с объектом (УСО) контроллера имеют встроенные бортовые микропроцессоры, выполняющие независимо и асинхронно по отношению к центральному процессору различные функции по обработке сигналов и диагностике оборудования.

Наличие интеллектуальной подсистемы ввода/вывода позволяет:

§ повысить производительность и уменьшить время цикла за счет сокращения нагрузки на центральный процессор по объему вычислений и интенсивности обменов данными с модулями УСО;

§ повысить надежность за счет сокращения объема аппаратуры модулей и непрерывной самодиагностики;

§ расширять и добавлять номенклатуру модулей в процессе жизни контроллера (модули ввода/вывода, модули контроля и управления исполнительными органами, модуль микроконтроллера);

§ повысить живучесть системы АСУ ТП за счет децентрализации и автономного выполнения различных функций;

§ упростить модернизацию контроллера за счет переносимости технологических программ, снижения затрат на их разработку и отладку вследствие независимости от способов построения и работы аппаратуры ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, датчиков и исполнительных органов;

§ иметь возможность контроля, управления и тестирования модуля УСО в автономном режиме (без центрального процессора) с помощью компьютера через порт модуля с интерфейсом RS-232;

§ получить масштабируемость подсистемы ввода/вывода (до 31 модуля на четырех последовательных шинах SPI).

Модули УСО (имеющие сигналы постоянного тока и напряжения, сигналы термопар и термопреобразователей сопротивлений, дискретные сигналы и т.п.) осуществляют автономное, без участия центрального процессора, управление в циклическом режиме процедурами ввода/вывода, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, а также предварительную обработку сигналов (фильтрацию, линеаризацию, заводскую установку и установку в условиях эксплуатации), широтно-импульсное модулирование импульсных выходных сигналов, непрерывную диагностику (короткое замыкание, обрыв) входных аналоговых каналов, установку выходов в заданное состояние в аварийных ситуациях.

Коэффициенты установки аналоговых входов и линеаризации характеристик наиболее распространенных датчиков заносятся в память модуля в процессе его производства, чем обеспечивается взаимозаменяемость модулей во время их эксплуатации.

Тип датчика, требуемые состояния выходов в аварийных ситуациях и т.п. заносятся в память модуля пользователем при настройке модуля по месту эксплуатации.

Высокая надежность контроллера обеспечивается следующими решениями:

§ использование микромощной элементной базы ведущих зарубежных фирм;

§ исполнение системных и технологических программ из flash-памяти компьютера;

§ использование высоконадежного программного обеспечения (операционная система OS-9, исполнительная подсистема ISaGRAF, сетевое ПО), имеющего сотни тысяч инсталляций;

§ аппаратная поддержка сетевых протоколов;

§ резкое снижение числа межмодульных контактных соединений за счет использования последовательной внутри контроллерной магистрали SPI (4 сигнальных провода на модуль);

§ непрерывная внутри модульная диагностика, наличие сторожевых таймеров во всех интеллектуальных модулях;

§ защита выходов модулей УСО от короткого замыкания;

§ возможность дублирования центрального процессора по необходимым функциям интеллектуальными модулями УСО;

§ возможность резервирования входов и выходов модулей;

§ возможность резервирования модулей УСО на одной шине SPI;

§ возможность резервирования шин SPI вместе с подключенными к ним модулями УСО;

§ возможность "горячей" замены модулей УСО.

Состав контроллера.

Контроллер имеет проектно-компонуемый состав.

Модули ввода/вывода (модули УСО) группами до восьми штук соединены с центральным блоком ЦБ1 соединителем SPI через модули ИСК1, имеющие по два порта интерфейса SPI.

Общие функциональные характеристики контроллера.

В общем виде контроллер может выполнять следующие функции:

§ измерение сигналов датчиков, фильтрацию, линеаризацию и преобразование принятых сигналов в цифровое нормализованное представление;

§ прием дискретных сигналов;

§ управление, регулирование, вычисление в соответствии с введенной программой пользователя;

§ формирование и вывод управляющих сигналов на объект управления в виде аналоговых и дискретных сигналов;

§ хранение программ и констант пользователя, а также служебных программ во flash-памяти, переменных процесса в статическом энергонезависимом ОЗУ;

§ информационный обмен: с другими контроллерами и компьютерами через локальную сеть Ethernet; с компьютером через последовательный интерфейс RS 232;

§ сопряжение контроллера с различными SCADA-системами;

§ отображение информации на экране компьютера, подключенного к контроллеру через интерфейс RS 232 или через сеть Ethernet;

§ самодиагностика модулей и контроллера в целом.

Показатели надежности

Средняя наработка на отказ с учетом технического обслуживания составляет не менее:

§ Канала аналоговых модулей AI1-8, AIO1-8/4,AIO1-0/4, AIO1-8/0, TC1-7, TR1: 870000 часов.

§ Канала дискретных модулей DIО1-8/8, DI1-16, DО1-16: 100000 часов.

§ Среднее время восстановления работоспособного состояния не более 2 часов.

§ Средний срок службы контроллера не менее 10 лет.

4.2.2 Промышленный контроллер ISPDAS

Серия I-7000 [14] обеспечивает недорогое гибкое и эффективное решение для самого широкого спектра индустриальных и лабораторных задач.

Линейка выпускаемой продукции включает процессорные модули (контроллеры серии I-7188), коммуникационные модули, модули аналогового ввода и вывода, модули дискретного ввода/вывода, таймеры/счетчики.
Каждый модуль - это функционально законченное устройство, размещенное в пластиковом корпусе из негорючей пластмассы. На корпусе расположены необходимые разъемы и клеммные соединители для винтовой фиксации внешних входных и выходных цепей. Установка модулей не требует специальных объединительных плат и может осуществляться как на стандартную несущую 35-миллиметровую DIN-рейку, так и на любую плоскую панель или стену. По своим техническим характеристикам и системе команд контроллеры и модули серии I 7000 аналогичны изделиям других производителей, представленным на рынке России в настоящее время. Однако, при создании серии I-7000 разработчики не только учли все лучшие черты, присущие ранее выпушенным сериям, но и обеспечили их полную совместимость, устранили отдельные недостатки, а также дополнили свои изделия новыми функциями.

Основные технические характеристики

Контроллеры серии I-7188 представляют собой недорогие универсальные PC-совместимые контроллеры для решения задач управления во многих отраслях промышленности.

Базовыми процессорными модулями серии являются контроллеры

I-7188 и I-7188D. По существу I-7188 - это маленький РС-совместимый компьютер. В нем есть процессор АМD188ES с тактовой частотой 40МГц, до 512 кбайт SRAM памяти (ОЗУ), электронный Flash-диск (аналог жесткого диска) объемом до 512 кбайт, часы реального времени, 4 последовательных порта - то есть почти все необходимые атрибуты обычного компьютера.
В настоящее время I-7188 не имеет себе равных среди РС-совместимых контроллеров по соотношению цена/производительность.

Области его применения могут быть самыми разнообразными. Прежде всего это идеальный удаленный контроллер для управления группой модулей серии I-7000. Необязательно подключать модули напрямую к "большому" управляющему компьютеру или дорогостоящему PLC. I-7188 вполне справится с задачей сбора данных от модулей удаленного ввода/вывода и первичной обработкой информации. Кроме того, при помощи контроллера I-7188 и группы модулей можно реализовать очень недорогую автономную замкнутую систему автоматического управления. Контроль и оперативное управление подобной системой очень легко осуществлять с удаленной рабочей станции (АРМ) через последовательный интерфейс. К контроллеру I-7188 можно подключать не только модули удаленного ввода/вывода, но и любые другие устройства: принтеры, модемы, POS-терминалы, другие компьютеры и контроллеры - словом, все, что может обмениваться данными через последовательный порт. Отметим, что I-7188 имеет 8 СОМ-портов (RS-232 и RS-485), поэтому к разным портам можно присоединять устройства разных типов. Таким образом, Ваша система или отдельный ее сегмент могут иметь довольно сложную конфигурацию и топологию.

Контроллеры серии I-7188X* отличаются от базовой модели наличием внутренней скоростной шины ввода/вывода, к которой могут присоединяться модули расширения. Последние представляют собой небольшие электронные платы, которые реализуют те или иные дополнительные функции контроллера: АЦП, ЦАП, дискретный ввод/вывод, наращивание памяти и т.п. Эти платы вставляются внутрь корпуса I-7188X*. Внешние цепи подсоединяются к разъему контроллера. По сравнению с базовым вариантом у контроллеров серии I-7188X* разъем имеет большее количество контактов - 13 против 10.

Выбор дополнительных модулей расширения достаточно велик. Это и модули аналогового ввода и аналогового вывода, дискретного ввода/вывода, многофункциональные модули, таймеры/счетчики, коммуникационные модули, модули для наращивания дополнительной памяти, коммуникационные модули и платы-прототипы. Платы-прототипы предназначены для разработчиков, которые хотели бы встроить в контроллер нестандартные устройства, выполняющие специфические функции. Эти же платы можно использовать и для макетирования и тестирования.

Замечательным примером применения контроллеров серии I-7188X может служить легко реализуемая функция регистратора данных (data logger). Для этого внутрь контроллера устанавливается плату X600, на которой имеется 1-канальный 12-битный АЦП и 4Мб Flash-памяти. Если нам необходимо регистрировать некий аналоговый сигнал с периодичностью в 1 минуту, то I-7188X с установленным в нем модулем X600 способен делать это в течение почти 4 лет!

Существуют три разных варианта исполнения контроллеров: I-7188XА, I-7188XВ и I-7188XС. Они отличаются друг от друга объемом памяти, количеством последовательных портов и наличием встроенных каналов дискретного ввода/вывода. Существуют и варианты со встроенным семисегментным индикатором.

Практические реализации сетей на основе интерфейса RS-485 не всегда могут устраивать пользователя с точки зрения быстродействия. В подавляющем большинстве сетей скорость обмена не превышает 115 кбод. Намного меньшее количество реализаций допускают скорости обмена до 921 кбод. Поэтому одним из выходов в данном случае может быть использование высокоскоростных сетей передачи данных, например Ethernet.

Контроллеры типа I-7188EX имеют встроенный порт Ethernet 10Base-T (10Мбит/с, RJ-45, витая пара). По этому порту поддерживается связь на длину до 100м. Имеется три варианта исполнения этих контроллеров, отличающихся тем или иным количеством последовательных портов. Кроме того, модель I-7188EX имеет дополнительные каналы дискретного ввода/вывода (6 входов, 6 выходов). В контроллеры I-7188EX можно устанавливать те же модули расширения, что и в I-7188X.

Последние веяния технологии - интеграция контроллеров в сети Интранет/Интернет. I-7188EX имеет все необходимое для этого. В комплекте поставляются библиотеки TCP/IP, WEB Server. На базе этих контроллеров можно организовать даже компактный WEB сервер, имеющий выход в Internet.

Пример построения системы автоматического правлениея представлен на рисунке

Рисунок - Пример построения системы управления

Программирование I-7188

Операционная система контроллеров I-7188 может быть двух типов: Datalight ROM DOS или MiniOS7. Операционная система MiniOS7 разработана фирмой ICP DAS специально для применения в контроллерах серий I-7000 и I-8000. Она обеспечивает функции, эквивалентные тем, что и Datalight's ROM DOS, совместимая с MS DOS 6.2. Однако имеется и ряд существенных отличий. MiniOS7 обладает следующими преимуществами:

- Оптимизирована для работы с контроллерами серий I-7000 и I-8000

- Не поддерживаются функции, ненужные для работы в этих контролерах

- Более быстрая загрузка (0.1…0.2 с)

- Более компактное ядро (примерно 23кб против 64кб в ROM DOS)

- Возможность программной загрузки новой версии ядра

- Поддержка скоростной внутренней шины

- Прямой контроль модулей серий I-7000 и I-8000

- Поддержка работы с Flash-памятью

- Встроенные функции диагностики контроллера

- Бесплатно распространяемая операционная система

Операционная система работает не с жесткого, а с ROM-диска, защищенного от записи. Платой за встроенность операционной системы в контроллер явилось некоторое уменьшение объема пространства на Flash-диске, доступного для программ пользователя (на 23 кбайт). Но зато сразу после включения питания начинается автоматическая загрузка операционной системы, и контроллер готов к работе.

Разрабатывать программы для контроллера можно на обычном компьютере. Можно использовать обычные языки программирования, такие как Си, Pascal, BASIC, то есть все то, что используется для создания программ под DOS. Однако следует помнить, что в контроллере используется процессор AMD 188, поэтому в программе нельзя использовать инструкции процессора 286 и выше. Затем скомпилированную программу следует загрузить во Flash-диск модуля I-7188. Это делается после подключения контроллера через СОМ4 к любому последовательному порту обычного компьютера при помощи специальной утилиты, поставляемой в комплекте с контроллером. Если на компьютере запустить специальную терминальную программу из числа поставляемых в комплекте, то монитор и клавиатура компьютера становятся устройствами ввода/вывода информации для I-7188 (т.е. консолью). Отладку программ на контроллере можно производить и без перезаписи содержимого Flash-диска. Для этого можно использовать виртуальный диск, создаваемый в ОЗУ контроллера с помощью специального драйвера, поддерживаемого MiniOS7.

Однако не у всех имеется возможность и желание писать собственные программы на обычных алгоритмических языках, особенно при необходимости реализации достаточно сложных алгоритмов обработки информации и реализации функций управления. Реальной альтернативой этому является специальный класс программ (SoftLogic- и SCADA-системы), дающий возможность облегчить жизнь пользователю. Одной из подобных программ, разработанных нами специально для работы со всеми модулями серии I-7188, является пакет GoodHelp 2.0. SoftLogic-система GoodHelp позволяет программировать контроллеры серии I-7000 на удобном и интуитивно-понятном языке функциональных блоков согласно стандарту IEC61131-3. В настоящее время GoodHelp обладает библиотекой из более 100 функциональных модулей, что позволяет решать задачи управления производственными процессами любой сложности.

Отдельных слов заслуживает проект Lagoon-7000, который является продуктом интеграции контроллеров серии I-7188 с популярной SCADA-системой Trace Mode компании AdAstra Research Group. Фактически контроллер Lagoon-7000 представляет собой контроллер I-7188/DOS/512 с установленным на нем микро-монитором реального времени (МикроМРВ) Trace Mode.

Lagoon-7000 под управлением TRACE MODE может контролировать до 128 точек ввода/вывода. Контроллером практически полностью поддерживаются все возможности полнофункционального МикроМРВ. Минимальный цикл его МикроМРВ составляет 55 мс. При скорости последовательного порта 56 кбод, контроллер за 1 секунду опрашивает до 20 модулей ввода/вывода.

В комплект поставки Lagoon-7000 входит ОРС-сервер. Поэтому контроллер может быть интегрирован в АСУ ТП, работающую не только под TRACE MODE, но и под любой другой современной SCADA-системой, поддерживающей ОРС-технологию.

Кроме того, каждому купившему контроллер бесплатно предоставляется базовая версия SCADA-системы TRACE MODE 5 для разработки операторского интерфейса и демо-версия сервера реального времени TRACE MODE на один час работы. Пользователь может разработать человеко-машинный интерфейс к контроллеру и опробовать его в реальном времени.

4.2.3 Микропроцессорный комплекс I/A Series FOXBORO

I/A Series представляет собой новое поколение промышленных систем управления. Эта новейшая система имеет усовершенствованную технологию, способную вывести на новый уровень показатели надежности, качества, экономической эффективности промышленного производства.

Общие технические характеристик [10].

Благодаря много уровневому построению системы защиты от агрессивной среды. В ней не используются открытые электронные схемы, объединительные платы, каркасы для установки печатных плат и общие источники питания. Вся электроника выполнена в виде имеющих высокий уровень защиты модулей. Эти модули монтируются в шкафы, которые обеспечивают дополнительный уровень защиты.

· Внутренний Уровень Защиты: Модули Внутренние уровни защиты от воздействия окружающей среды реализованы в самих модулях. Для снижения потребления мощности, выделения тепла и повышения надежности в системе I/A Series используется электронные схемы CMOS. Технология монтажа на поверхности резко снижает размер микросхем и повышает надежность за счет отсутствия зазоров. Электронные схемы монтируются внутри модулей на металлических пластинах. Тепло отводится от схем через металлические пластины за пределы модулей, где оно рассеивается в окружающем воздухе. Модули закрываются крышками из прочного структурированного пенопласта. Для дополнительной защиты компонентов пустоты внутри модулей заполняются герметичным пенопластом, что гарантирует невозможность проникновения воздуха даже при изменении температуры и атмосферного давления. Все эти меры обеспечивают высокую надежность защиты модулей к всем формам воздействия окружающей среды, поэтому в большинстве случает модули не нуждаются в дополнительной защите.

· Внешний Уровень Защиты: Шкафы Шкафы предназначены для установки функциональных модулей и модулей питания I/A Series, а также клеммников и соединительных разъемов для внешней проводки. Существует несколько типов шкафов, начиная от малых шкафов для монтажа только модулей Полевой шины в полевых условиях и кончая большими шкафами, в которых устанавливается большое количество модулей разных типов. Некоторые окружающие среды характеризуются экстремальной температурой или высоким уровнем коррозии, которые требуют дополнительных мер защиты. Для работы в таких условиях изготовляются шкафы с герметичными дверцами, воздушными вентиляторами или электронными системами теплоотвода. Эти шкафы с усиленной защитой комплектуются в соответствии с параметрами окружающей среды, упрощая выбор варианта изделия для различных типов окружающей среды.

Модульное построение системы I/A Series обеспечивает ее относительно несложное включение в существующее систему. Малая система, например, одна рабочая станция с несколькими процессорными модулями и модулями Полевой шины, может постепенно наращиваться до уровня интегрированной системы автоматизации и информации масштаба предприятия. Это обеспечивает гибкость планирования внедрения начиная с малой системы и позволяет постепенно развивать ее по мере появления новых задач.

Архитектура I/A Series основана на концепции узла. Каждый узел работает независимо и выполняет функции, связанные с автоматизацией производственных процессов. Он может быть связан с другими узлами Foxboro или других фирм через совместимые сети.

Обычно узел представляет собой набор модулей размером с книгу, размещаемых вместе в Промышленном шкафу рядом с рабочей станцией и полевыми устройствами. Каждый модуль выполнен как отдельное устройство и предназначен для выполнения общих для системы функций, хотя его конкретные функции определяются программным обеспечением. Модули могут свободно соединяться и комбинироваться в соответствии с решаемой задачей.

Узел может состоять из любой комбинации процессорных модулей, связанных шиной NodeBus. Практически любой узел автоматики может быть сконфигурирован как часть полной системы автоматики. Архитектура I/A Series позволяет распределять вычислительные мощности многопроцессорных систем. Такой модульный подход оптимально соответствует построению самих производственных процессов.

Процессорные модули различаются по типу интерфейсов устройств, которые они поддерживают и по их вычислительной мощности. Процессорные модули построены на основе общей микропроцессорной платформы и программного обеспечения операционной системы. Как правило, любые программные модули I/A Series могут загружаться на любом процессорном модуле; однако обычно на процессорный модуль загружаются программные модули, соответствующие устройствам, с которыми у данного процессорного модуля есть интерфейс. Процессорные модули построены на основе микро процессоров компании Intel, используемых в большинстве персональных компьютеров. Этот подход с использованием открытой архитектуры означает, что промышленное программное обеспечение I/A Series может работать на IBM-совместимых персональных компьютерах. Соответствие процессорных модулей стандартам связи также обеспечивает открытую архитектуру для обмена данными с внешними устройствами и системами.

Связь в I/A Series построена на базе модели взаимодействия открытых систем OSI с использованием стандартов передачи данных ISO и IEEE. Связь между узлами I/A Series осуществляется не через патентованные сети передачи данных, а через одноуровневую или иерархическую сеть IEEE 802.4.

В случае сбоя модуля его замена выполняется очень просто. Каждый модуль имеет шестисимвольный идентификационный код, который при замене присваивается новому модулю. Используя этот код, система автоматически загружает соответствующее программное обеспечение в новый модуль и практически немедленно запускает его.

Оборудование с усиленной защитой можно устанавливать непосредственно в производственной среде. Для аппаратуры I/A Series не требуются отдельные комнаты с системами кондиционирования. Его можно монтировать рядом с промышленными установками, за счет чего сокращаются расходы на прокладку кабелей связи. Использование различных типов шкафов также упрощает установку оборудования в экстремальных условиях.

Модульность позволяет при покупке системы комплектовать ее в соответствии со своими требованиями. Заказчик может приобрести систему в конфигурации для текущего применения и последовательно наращивать систему по мере надобности. Кроме того, аппаратуру и программное обеспечение I/A Series можно модернизировать по мере усовершенствования технологии; при этом сохраняется совместимость с уже существующими системами.

В I/A Series используется встроенное резервирование, обеспечивающее высокую степень надежности. промышленное программное обеспечение I/A Series позволяет с помощью распределенных функций производить удаленное тестирование и диагностику. Все модули имеют функцию самодиагностики. Работоспособность системы может быть дополнительно улучшена за счет резервирования наиболее важных модулей. Все сообщения между модулями передаются по линиям связи с обнаружением ошибок и механизмом повторной передачи; все каналы передачи данных внутри шкафов резервируются. Также возможно резервирование локальной сети, связывающей узлы I/A Series в территориально распределенных системах.

Модули Полевой шины обрабатывают полевые сигналы различных типов, обычных для промышленных предприятий. Но так как эти модули конфигурируются программно, то в I/A Series используется значительно меньше типов сигналов по сравнению с более ранними системами. Например, только один модуль нужен для многих типов термопар и милливольтовых сигналов.

Модули Полевой шины бывают аналогового и дискретного типа. Аналоговые модули имеют 8, 16, 32 точки ввода/вывода на модуль, дискретные - 8, 16, 32 точек. Дискретные модули Полевой шины могут осуществлять множество функций, таких как мониторинг последовательности событий, управление релейной логикой и счетчик импульсов. Аналоговые вводы имеют конфигурируемое разрешение. Все выводы поддерживают выбираемое состояние в случае сбоя управляющего процессора, линии связи или модуля Полевой Шины. Все полевые сигналы изолированы от управляющей электроники и в большинстве случаев каждая точка ввода/вывода изолирована от всех остальных.

Стандартные дисплеи для обслуживания осуществляют контроль состояния и диагностику системы. Эти дисплеи предназначены для обслуживающего процесс персонала, и позволяют производить полную диагностику системы. Дисплей состояния системы осуществляет контроль текущего статуса системы и определяет местонахождение и тип сбоев. Также имеются дисплеи для диагностики в режиме off-line, определяющие наличие в системе сбойного элемента. Эти дисплеи вместе с концепцией функционирования системы создают среду для эффективного централизованного или распределенного обслуживания системы.

4.2.4 Микропроцессорный комплекс TRICON

Отказоустойчивая система управления TRICON [11] предназначена для применений в критических условиях, требующих максимальной безопасности и непрерывного функционирования. Данные отказоустойчивые системы управления TRICON успешно используются ведущими производителями химической, нефтяной, газовой, целлюлозно-бумажной и энергетической промышленности для повышения безопасности, увеличения производительности и снижения времени простоя.

Общие технические характеристики.

Отказоустойчивость системы TRICON основана на архитектуре с тройным модульным резервированием (TMR). TRICON обеспечивает безошибочное непрерывное управление процессом при выходе из строя отдельных компонентов или переходных ошибок от внешних и внутренних источников.

Архитектура TRICON имеет тройное резервирование всех узлов, начиная от главного процессора до блоков ввода/вывода. Каждый блок ввода/вывода имеет три независимых канала. Каждый канал входного модуля считывает технологические данные и передает эту информацию соответствующему главному процессору. Три главных процессора обмениваются данными друг с другом, используя высокоскоростную шину под названием TRIBUS. Один раз за цикл три главных процессора синхронизуются и обмениваются данными с двумя соседними через шину TRIBUS. TRIBUS производит мажоритарную выборку цифровых входных данных, сравнивает выходные данные и посылает копии аналоговых входных данных в каждый главный процессор. Главные процессоры выполняют программу управления и посылают выходную информацию, полученную в результате выполнения программы, в выходные модули. Кроме мажоритарной выборки входных данных, TRICON проводит мажоритарную выборку выходных данных. Это делается на выходных модулях, как можно ближе к процессу, чтобы выявить и скомпенсировать ошибки, которые могли возникнуть между выборкой TRIBUS и окончательным выходным сигналом, передаваемым в процесс.