Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Новосибирской области

«Новосибирский технический колледж им. А. И. Покрышкина»

Дипломный проект

Проектирование автоматизированной мехатронной системы

управления процессом атмосферной перегонки нефти

Черепанов Алексей Станиславович

Руководитель дипломного проекта

Романченко Анатолий Михайлович

Консультанты:

по основной части

Романченко Анатолий Михайлович

Новосибирск

2023

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Новосибирской области

«Новосибирский технический колледж им. А. И. Покрышкина»

З А Д А Н И Е

на выполнение дипломного проекта

Студент:

Черепанов Алексей Станиславович

₍фамилия, имя, отчество₎

Группа:

МР-431

1. Тема:

Проектирование автоматизированной мехатронной системы

управления процессом атмосферной перегонки нефти

3. Содержание дипломного проекта:

§ Введение

§ Основная часть

ѕ Теоретическая часть

ѕ Практическая часть

§ Экономическая часть

§ Заключение

§ Список использованных источников

4. Приложение (чертежи, схемы и т.д.)

5. Срок предоставления студентом законченного дипломного проекта

Руководитель:

Романченко Анатолий Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 Анализ вопроса и постановка задачи
• 2.1.1 Состав установки и описание основных технологических узлов
• 2.2 Примеры автоматизации процессов в нефтегазовой промышленности
• 2.2.1 АСУ ТП установки переработки высокосернистой нефти (УПВСН) Акташского товарного парка
• 2.2.2 САУ газовоздушного тракта парового котла
• 2.3 Выводы по результатам обзора и составление технического задания
• 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 3.1 Разработка структурной схемы АСУ ТП
• 3.1.1 Основные особенности
• 3.1.2 Нижний уровень системы управления
• 3.1.3. Верхний уровень системы управления
• 3.2 Функциональная схема АСУ ТП
• 3.3 Выбор программного обеспечения автоматизированного рабочего места
• 3.4 Рабочая документация
• 3.4.1 Разработка рабочей документации на систему и её части
• 3.4.2 Разработка или адаптация программ
• 3.5 Ввод в действие
• 3.5.1 Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие
• 3.5.2 Подготовка персонала
• 3.5.3 Комплектация АСУ ТП
• 3.5.4 Строительно-монтажные работы
• 3.5.5 Пусконаладочные работы
• 3.5.6 Проведение предварительных испытаний
• 3.5.7 Проведение опытной эксплуатации
• 3.5.8 Проведение приемочных испытаний
• 3.6 Сопровождение АСУ ТП
• 3.6.1 Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами
• 3.6.2 Послегарантийное обслуживание
• 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСТНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА
• 4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте оператора АСУ процессом атмосферной перегонки нефти
• 4.1.1 Неблагоприятные параметры микроклимата
• 4.1.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны
• 4.1.3 Повышенный уровень электромагнитного излучения
• 4.1.4 Опасность поражения электрическим током
• 4.2 Меры по снижению и устранению опасных и вредных факторов
• 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 5.1 Затраты на проектирование конструкторской документации
• 5.1.1 Расчет численности разработчиков
• 5.1.2 Расчет заработной платы разработчиков
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Атмосферная перегонка нефти является одним из ключевых процессов в нефтеперерабатывающей промышленности, позволяющим разделить сырую нефть на фракции различной температуры и улучшить их качество для последующего использования. В современном мире, где энергетические ресурсы играют важнейшую роль, эффективность и автоматизация процесса атмосферной перегонки становятся неотъемлемыми составляющими для обеспечения стабильной и эффективной работы предприятий нефтеперерабатывающей отрасли.

Целью данного дипломного проекта является разработка и реализация автоматизированной мехатронной системы управления процессом атмосферной перегонки нефти, направленной на повышение эффективности, точности и надежности данного процесса. Для достижения этой цели требуется интегрировать современные технологии автоматизации и мехатроники, а также применить методы анализа и оптимизации процесса атмосферной перегонки нефти.

В рамках дипломного проекта будет проведен анализ существующих систем управления атмосферной перегонкой нефти, идентифицированы и оценены их преимущества и недостатки. На основе полученных данных будут разработаны требования к автоматизированной мехатронной системе управления, учитывающие особенности процесса и требования предприятий нефтеперерабатывающей отрасли.

Для реализации проекта планируется использовать современные методы и технологии в области автоматизации и мехатроники, включая применение программного обеспечения для моделирования и оптимизации процесса атмосферной перегонки. Будут разработаны алгоритмы управления и создана прототипная мехатронная система, которая будет протестирована и оценена на соответствие поставленным требованиям. Ожидается, что внедрение автоматизированной мехатронной системы управления процессом атмосферной перегонки нефти приведет к следующим результатам:

1. Повышение эффективности: Автоматизация процесса атмосферной перегонки нефти позволит снизить человеческий фактор и улучшить точность управления. Это приведет к увеличению производительности и снижению энергозатрат, что в свою очередь снизит операционные расходы предприятия. программное обеспечение автоматизированный нефтегазовый

2. Обеспечение точности и надежности: Мехатронная система управления, основанная на современных методах и технологиях, обеспечит высокую точность контроля параметров перегонки нефти. Это поможет предотвратить возникновение ошибок и неправильных действий в процессе, а также снизить риск аварийных ситуаций.

3. Оптимизация процесса: Применение программного обеспечения для моделирования и оптимизации позволит провести анализ процесса атмосферной перегонки нефти и оптимизировать его работу. Благодаря этому можно достичь оптимального распределения ресурсов, улучшить качество получаемых фракций и снизить потери продукции.

4. Улучшение безопасности: Автоматизация процесса позволит снизить воздействие человеческого фактора на работу системы и снизить риск возникновения аварий и несчастных случаев. Это способствует повышению уровня безопасности на предприятии и снижению потенциальных угроз окружающей среде.

В завершении дипломного проекта ожидается получение полноценного прототипа автоматизированной мехатронной системы управления процессом атмосферной перегонки нефти, который будет протестирован и оценен на соответствие требованиям и эффективность его работы. Результаты и выводы проекта будут полезны для предприятий нефтеперерабатывающей отрасли, стремящихся к улучшению своих производственных процессов и повышению конкурентоспособности.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Анализ вопроса и постановка задачи

2.1.1 Состав установки и описание основных технологических узлов

Установка предназначена для фракционирования нефти, с целью получения светлых нефтепродуктов. Состав установки:

§ Колонна отбензиневания

§ Емкость орошения

§ 4 воздушных конденсатора холодильника

§ Теплообменник

§ 5 насосов

Рассмотрим технологический процесс атмосферной перегонки нефти:

Потоки нефти нагретой обессоленной и обезвоженной нефти поступаю в ректификационную колонну. Здесь происходит процесс ректификации - это тепло - и - массообменный процесс разделения жидкостей, различающихся по температуре кипения, за счет противоточного, многократного контактирования паров и жидкости. В колонне через каждую тарелку противотоком проходят 2 потока:

1. жидкость - флегма, стекающая с вышележащей на нижележащую тарелку;

2. пары, поступающие с нижележащей на вышележащую тарелку;

Пары и жидкость, поступающие на тарелку, не находятся в состоянии равновесия, однако, вступая в равновесие стремятся к этому. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадая в зону более низкой температуры, конденсируется, и часть высококипящего продукта из этого потока переходит в жидкость. Концентрация компонента в парах таким образом понижается, а низкокипящего - повышается. Фракционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно меняется. Часть ректификационной колонный, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной, а расположенная ниже ввода - отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации.

С верха концентрационной части в паровой фазе выводится целевой продукт необходимой чистоты - ректификат, а с нижней тарелки - жидкость, все еще в достаточной степени обогащенная низкокипящим компонентом. В отгонной части происходит отпарка из этой жидкости легкокипящих фракций, а из нижней части колонны выводится высококипящий продукт - кубовый остаток.

Таким образом, с верха колоны смесь углеводородных газов, паров бензина и водяного пара отводится в воздушные конденсаторы холодильники ХВК1-ХВК4. Здесь происходит конденсация паров, за счет воздушного охлаждения до 35^oС. Далее конденсат попадает в емкость орошения. Здесь конденсат отстаивается и разделяется на бензин и воду. Вода сбрасывается из емкости и выводится с установки.

Бензин из емкости орошения поступает на прием насосов Н3/1-Н3/2. Часть бензина из емкости этими же насосами подается на верх колонны в качестве острого орошения. Другая часть бензина с балансовой температурой, через клапан, выводится с установки, в качестве готового продукта.

Углеводородный газ с верха емкости направляется в сепаратор топливного газа. В трубопровод на выходе из колонны, для предотвращения хлористоводородной и сероводородной коррозии оборудования, подаются растворы ингибитора коррозии типа «Геркулес 1017», в количестве 10г/т нефти и нейтрализатора.

Для исключения повышения давления в колонне и емкости выше максимально допустимого на них установлены клапаны ручного управления, для открытия сброса в факельный коллектор.

Отбензиненная нефть с низа колонны насосами H2/1-H2/2, после предварительного нагрева в теплообменнике, где смешивается с нефтью из ректификационной колонны получения продукта с более высокой температурой кипения, направляется для дальнейшей переработки.

Предусмотрена возможность аварийной откачки избытка нефти из колонны насосами H2/1-H2/2 обратно в сырьевой парк.

2.2 Примеры автоматизации процессов в нефтегазовой промышленности

2.2.1 АСУ ТП установки переработки высокосернистой нефти (УПВСН) Акташского товарного парка

Создание АСУ ТП УПВСН являлось ключевым этапом на пути достижения удвоенной производительности товарного парка нефти без увеличения численности обслуживающего персонала. Основные цели внедрения АСУ ТП на УПВСН Акташского товарного парка:

- получение в режиме реального времени информации о ходе технологических процессов;

- внедрение автоматизированных средств диагностирования и предупреждения возникновения аварийных ситуаций;

- контроль состояния исполнительных механизмов и вспомогательных агрегатов;

- замена ручного ведения документооборота автоматизированным;

- замена устаревших средств КИПиА на современные, повышающие надежность и точность измерений, обеспечивающие удобство в обслуживании, снижающие трудоемкость управления ТП.

При выборе технических средств для построения АСУ ТП, разработчиками учитывались следующие факторы: максимальное использование датчиков и приборов, функционирующих в составе аппаратуры установки; обеспечение простоты интеграции системы в ЛВС предприятия стандарта Ethernet. В результате, АСУ ТП УПВСН была построена на базе контроллеров сбора данных и управления ADAM-5000/TSP фирмы Advantech с промышленной шиной Ethernet (рисунок 2.1). Контроллеры укомплектованы модулями ввода серии ADAM-5000 следующих типов:

- ADAM-5017 - 8-канальный модуль аналогового ввода (8 шт.);

- ADAM-5051 - 16-канальный модуль дискретного ввода (8 шт.);

- ADAM-5080 - 4-канальный модуль ввода импульсных сигналов (1 шт.).

Рисунок 2.1 - структурная схема АСУ ТП УПВСН

Общее представление о задействованных в системе датчиках и контрольно-измерительных приборах дает таблица 2.1.

Таблица 2.1

АРМ операторов базируются на персональных ЭВМ стандартной комплектации под управлением Microsoft Windows 2000. В качестве SCADA-системы используется InTouch версии 7.1 из пакета Wanderware Factory Suite 2000.

Внедрение системы не только значительно облегчило работу операторов и другого обслуживающего персонала, но также позволило оперативно и качественно получать информацию о технологическом процессе, отслеживать состояние оборудования установки и контролировать значения регулируемых параметров. В системе заложены возможности наращивания и быстрой интеграции в корпоративную АСУ ТП всего предприятия.[6].

2.2.2 САУ газовоздушного тракта парового котла

Система автоматизации газовоздушного тракта парового котла является распределенной системой управления (DCS - Distributed Control System), для которых характерно: один большой технологический объект; распределенная архитектура системы; наличие большого количества аналоговых и дискретных сигналов; тип контроля - регулирование и управление.

Проектируемая система имеет иерархическую 3-х уровневую структуру.

Иерархия системы, следующая:

нижний уровень - уровень датчиков и исполнительных механизмов;

средний уровень - уровень микропроцессорного комплекса SLC-500;

верхний уровень - уровень оперативного управления.

К приборам и средствам автоматизации нижнего уровня относятся все первичные и вторичные преобразователи, магнитные пускатели и усилители.

Средний уровень (уровень контроля) представлен промышленным контроллером SLC 5/04.

Приборы нижнего уровня подсоединяются к SLC 5/04 по обычным проводам; электрический сигнал у них унифицированный.

Под верхним (SCADA-уровнем) понимается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на базе персонального компьютера.

Система контроля и управления газовоздушного тракта парового котла предназначена для оперативного учета, поддержания заданных значений параметров технологического процесса и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.

Реализация уровня управления

Для реализации функций управления и сбора данных в системе, разрабатываемой в рамках настоящего проекта, использован один из контроллеров производства компании Allen-Bradley семейства SLC-500.

Основными положительными качествами контроллеров SLC-500 считаются: модульность структуры, понятный пользователю интерфейс и возможность эксплуатации без принудительного охлаждения.

Контроллер SLC в сочетании с модулем непосредственной коммуникации (DCM), модулем сканера (SN) или модулем распределенного сканера (DSN) для реализации распределенного ввода/вывода может быть интегрирован в сеть дистанционного ввода/вывода Allen-Breley 1771 Remote I/O /21/.

Для ввода аналоговых сигналов стандарта 4-20 мА выбраны модули 1746-NI8. Модули обеспечивают преобразование любых сигналов в виде тока от минус 20 до плюс 20 мА и напряжения от минус 10 до плюс 10 В. Модули имеют 8 входов.

Для ввода дискретных сигналов типа "сухой контакт" применены модули 1746-IV32 с внешним источником питания 24В постоянного тока. Модули 1746-IV32 обеспечивают подключение 32 сигналов постоянного напряжения 24 В по схеме с общей землей.

Выходные сигналы 24 В постоянного тока формируются при помощи модуля 1746-OV32 и 1746-OV16. Модули типа OV32 и OV16 обеспечивают, соответственно, 32 и 16 транзисторных выходов по схеме с общей землей.

Модули размещаются в шасси типа 1746-А13, имеющей 13 слотов для установки модулей. Расположение модулей отражено в таблице 2.2.

Таблица 2.2

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1746-Р2	1747-L541	1746- NI8	1746- NI8	1746- NI8	1746- NI8	1746-IV-32	1746-IV-32	1746-OV-32	1746-OV-32	1746-OV-16	резерв	резерв	резерв



На рисунке 1.2 представлен дисплей АРМ оператора-технолога в виде мнемосхемы, отражающий работу всего газовоздушного тракта.

Рисунок 2. 2 - Мнемосхема-дисплей АРМ оператора-технолога

АРМ операторов базируются на персональных ЭВМ стандартной комплектации под управлением Microsoft Windows 2000. В качестве SCADA-системы используется RSView 32.

Внедрение АСУ значительно облегчило работу операторов, также позволило повысить качество управления технологическим процессом, сократить количество и время локализации аварийных ситуаций и отказов.[5].

2.3 Выводы по результатам обзора и составление технического задания

Рассмотренные примеры АСУ позволяют говорить, что современные системы управления являются децентрализованными, дающими: гибкость; высокую производительность вследствие разделения функций между управляющими устройствами; возможность значительного, по сравнению с централизованными системами управления, наращивания ресурсов. Можно отметить значительное продвижение промышленного Ethernet в сфере АСУ, вследствие наличия огромного выбора совместимых между собой аппаратных и программных средств построения сетей этого стандарта. Существующие системные решения гарантируют востребованность промышленного Ethernet и в будущем. Прежде всего, это объединение в единую сеть промышленных компьютеров, рабочих станций и терминалов, используемых в качестве рабочих мест операторов.

В ходе дипломного проектирования был осуществлен патентный поиск, в результате которого был проведен обзор всех видов ректификационных колонн, были отобраны патенты и авторские свидетельства на данные разработки, которые различные по своим техническим решениям и являются наиболее перспективными (Справка о патентном поиске, приложение В). Наиболее перспективные работы в этой области произошли в последнее десятилетие в связи с развитием современной техники. В установке используется наиболее подходящая для данного технологического процесса колонна отбензиневания.

Основанием для разработки АСУ процессом атмосферной перегонки нефти является необходимость автоматизации установки атмосферной перегонки нефти с увеличением производительности установки до 2,5 млн. т. в год по сырью на ОАО «Новошахтинский ЗНП»

Применение АСУ позволит автоматизировать процесс, увеличить уровень производительности, увеличить качество производимых продуктов, предотвратить аварийные ситуации, снизить психологическую нагрузку на оператора.

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка структурной схемы АСУ ТП

3.1.1 Основные особенности

Система имеет двухуровневую иерархическую структуру. Нижний уровень представлен программируемым контроллером SIMATIC S7 -300, станцией распределенного ввода/вывода ET200M с подключенными к ней датчиками и исполнительными механизмами, верхний уровень включает в себя автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора и инженера КИП.

Структура системы управления разработана в соответствии с выявленными в ходе аналитического обзора основными тенденциями в автоматизации; и с учетом того, что помещение аппаратной, где располагается программируемый контроллер, находится вне зоны размещения установки атмосферной перегонки нефти. Непосредственно в зоне расположения объекта располагается станция распределенного ввода / вывода. Данный факт позволяет все сигналы от датчиков, исполнительных механизмов заводить на модули станции распределенного ввода/вывода, откуда сигналы передаются непосредственно на ПК.

3.1.2 Нижний уровень системы управления

Нижний уровень системы управления обеспечивает:

- сбор информации от датчиков, установленных по месту;

- постоянный контроль параметров процесса и поддержание их заданных значений, контроль состояния оборудования;

- обработку и передачу информации о состоянии объектов на АРМ, прием информации с АРМ и формирование управляющих воздействий;

- автоматическое управление техпроцессом, автоматическое включение резервного оборудования при нарушении работы основного;

- предотвращение развития аварийных ситуаций и обеспечение безопасного завершения процесса по заданной программе.

Рисунок 3.1. - Контроллер S7-300

Управление осуществляется из центрального пункта управления (ЦПУ), где размещены АРМ операторов, обслуживающих секции установки.

Учитывая повышенные требования к надежности систем контроля и управления взрывоопасных производств, применены контроллеры типа SIMATIC S7-300 фирмы Siemens.

Контролеры SIMATIC S7-300 фирмы Siemens являются мощным вычислительным средством и способны выполнять задачи любой сложности.

Контроллер обеспечивает непрерывный опрос датчиков, диагностику модулей.

Эксплуатационные характеристики ПЛК:

температура окружающей среды 1 - 50 градусов

относительна влажность воздуха при температуре 30 градусов не более 90%

атмосферное давление 750 мм рт. ст.

амплитуда вибрации частотой до 25 Гц, мм, не более 0,1

вид обслуживания - периодический

режим работы - круглосуточный

Технические характеристики контроллера зависят от выбора установленных модулей. Связь контроллера и устройств нижнего уровня осуществляется через станцию распределенного ввода-вывода ЕТ200М и сеть PROFIBUS-DP.

В состав контроллера входит:

Каркас

Центральный процессор CPU 315-2DP

Блок питания PS -307

Коммуникационный процессор CP 343-1

Центральный процессор CPU 315-2DP.

CPU исполняет программу пользователя; подает питание 5В на расположенную с задней стороны модулей шину S7-300;

CPU 315-2 DP отличаются следующими свойствами:

* может использоваться как Master-устройство DP (DP-Master) или как Slave-устройство DP (DP-Slave)

* 48 Кбайт рабочей памяти

* 80 Кбайт встроенной загрузочной памяти RAM; может быть расширена с помощью платы памяти емкостью от 16 Кбайт до 512 Кбайт, в CPU программируемы до 256 Кбайт



Рисунок 3.1. - Элементы CPU 315-2DP

Блок питания PS -307

Преобразует напряжение сети (AC 120/230 В) в рабочее напряжение DC 24 для питания S7-300, а также для электропитания цепей нагрузки DC 24 V.

Источник питания PS 307; 10 A имеет следующие отличительные характеристики:

* Выходной ток 10 A

* Выходное напряжение 24 в пост. тока; защита от короткого замыкания и обрыва цепи

* Подключение к однофазной системе переменного тока (входное напряжение 120/230 В перем. тока, 50/60 Гц)

* Надежная электрическая изоляция в соответствии с EN 60 950

* Может быть использован как источник питания нагрузки

Технические характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Размеры и вес
Размеры Ш х В х Г	200 125 120 мм
Вес	1,2 кг
Номинальные входные данные
Входное напряжение * Номинальное значение	120/230 В перем. тока
Частота системы питания * Номинальное значение * Допустимый диапазон	50 Гц или 60 Гц от 47 Гц до 63 Гц
Номинальный входной ток * при 230 В * при 120 В	1,7 A 3,5 A
Пусковой ток (при 25°C)	55 A
I2t (при пусковом токе)	9 A2с
Номинальные выходные данные
Выходное напряжение * Номинальное значение * Допустимый диапазон * Время нарастания	24 В пост. тока 24 В 5 %, защита от размыкания макс. 2,5 с
Выходной ток * Номинальное значение	10 A Нельзя включать в параллельные конфигурации
Защита от короткого замыкания	Электронная, не фиксирующая, от 1,1 до 1,3 IN
Остаточные пульсации	макс. 150 мВ

Коммуникационный процессор CP 343-1.

Коммуникационный процессор CP 343-1 позволяет производить подключение контроллеров SIMATIC S7-300 к сети Industrial Ethernet. Он разгружает центральный процессор контроллера от выполнения коммуникационных задач и обеспечивает поддержку:

* Транспортных протоколов ISO, TCP/IP и UDP.

* PG/OP функций связи (связь с программаторами и устройствами человеко-машинного интерфейса).

* S7 функций связи (клиент, сервер, мультиплексирование).

* S5 функций связи.

Модуль оснащен встроенными интерфейсами AUI/ITP и RJ45. Переключение между интерфейсами AUI и промышленной витой пары (ITP) выполняется автоматически. Передача данных производится в дуплексном или полудуплексном режиме со скоростью 10 или 100 Мбит/с. Операции определения скорости передачи и настройки на эту скорость выполняются автоматически. При использовании протокола UDP поддерживается передача широковещательных сообщений. CP 343-1 позволяет выполнять дистанционное программирование контроллеров через сеть, а также подключать контроллеры к офисной сети Ethernet. Конфигурирование коммуникационного процессора выполняется с помощью пакета NCM S7 для Industrial Ethernet. Этот пакет входит составной частью в STEP 7 V5 и более поздних версий.

CP 343-1 поставляется с предварительно установленным уникальным Ethernet адресом. Он осуществляет независимую передачу данных по сети Industrial Ethernet с соблюдением требований международных стандартов. Он снабжен собственным микропроцессором и способен работать в комбинированном режиме, обеспечивая поддержку транспортных протоколов ISO, TCP/IP и UDP. При этом для организации обмена данными могут использоваться PG/OP- и S7- функции связи, а также функции S5-совместимой связи. Для контроля соединений возможна настройка времени отклика для всех TCP-соединений с активными и пассивными партнерами по связи.

Станция распределенного ввода-вывода ЕТ200M.

Так как датчики распределены по объекту и удалены от контроллера на значительное расстояние, необходима система для приёма - передачи сигналов.

Для этого используется станции распределенного ввода-вывода. Станции ЕТ200M предназначены для построения систем распределенного ввода-вывода и поваляют использовать в своем составе все сигнальные и функциональные модули. Станция работает в сети PROFIBUS-DP и выполняет функции ведомого устройства.

Станция включает в свой состав подчиненный интерфейсный модуль IM 153-3 (рисунок 3.3), модули входных или выходных аналоговых/дискретных сигналов. А также в состав входит источник питания (PS-307). Станция поддерживает выполнение диагностических функций, с помощью которых контролируется техническое состояние модулей ввода - вывода, короткие замыкания в выходных цепях модулей, ошибки в передаче данных, наличие напряжения питания (=24 В), подключение и удаление модулей. Результаты диагностики могут считываться по сети PROFIBUS-DP или контролироваться по светодиодам станции. В каждом интерфейсном модуле может быть до 8 модулей ввода-вывода информации.

Рисунок 3.3. - Интерфейсный модуль IM 153-3

Для режима резервирования с помощью IM 153-3 выполняются следующие предпосылки следующие предпосылки: DP-Master 1 - центральный процессор CPU 315-2DP и DP-Master 2 - центральный процессор CPU 315-2DP.

* Обрабатывают одну и ту же программу пользователя

* Имеют для IM 153-3 одинаковую параметризацию и конфигурирование.

Рисунок 3.4. - Принцип резервирования PROFIBUS с помощью IM 153-3

IM 153-3 в принципе состоит из 2 подчиненных интерфейсных модулей, модулей PROFIBUS. Оба модуля PROFIBUS взаимно контролируют свои рабочие состояния.

Передача данных пользователя всегда происходит через оба модуля PROFIBUS к соответствующему Master-устройству DP. Один из модулей PROFIBUS всегда активен. Только через этот активный модуль PROFIBUS осуществляется передача данных пользователя непосредственно на выходы или от входов периферийных модулей. Другой модуль пассивен и “находится в состоянии готовности”.

Имеется два способа выполнения переключения между модулями PROFIBUS:

* Если активный модуль PROFIBUS выходит из строя, то IM 153-3 переключается на пассивный модуль PROFIBUS. Тогда передача данных пользователя продолжается с помощью отображения этих данных из памяти.

* DP-Master принудительно переключает с активного на пассивный модуль PROFIBUS (напр., через STOP CPU).

Модули ввода-вывода.

Входные аналоговые модули обеспечивают возможность первичной фильтрации сигналов, а также установку зоны нечувствительности при изменении параметров для сокращения объема пересылаемых данных в систему контроля и управления.

Модули ввода-вывода обеспечивают:

Прием сигналов от следующих датчиков:

Термопар

Датчиков уровня

Расходомеров вихревых

Сигнализаторов уровня

Аналоговых датчиков с сигналом 4 - 20 мА

Дискретных датчиков типа «сухой контакт»

Устройств, обменивающихся информацией по шине PROFIBUS-DP

Формирование управляющих сигналов:

1. 4 - 20 мА для электропневмоклапанов

2. дискретных сигналов постоянного тока = 24 В

Модули позволяют выполнить горячую замену модулей без отключения всей подсистемы. Модули имеют индикаторы состояния, облегчающие диагностику их работоспособности, а также поиск неисправностей. Указанные модули могут работать в тяжелых заводских условиях, в соответствии со стандартом, при температуре окружающей среды от -40 до +70 градусов. Надежность обеспечивается резервированием питания, лини связи с управляющими контроллерами, а также возможность горячей замены блоков питания.

Для согласования различных уровней сигнала процесса используется следующие модули:

Ввода: аналоговые сигналы - SM 331 Ex AIx32 (4-20 mA). Дискретные сигналы - SM 321 DIx32 (24 В), SM 321 DIx16 (24 В).

Вывода: дискретные сигналы - SM 322 DОx32 (24 В). Аналоговые сигналы: SM 332 AOx32(4-20 mA).

Ввода/вывода: дискретные сигналы - SM 323 DOx8/DIx8 (24 В)

Модуль ввода аналоговых сигналов SM 331 Ех AIx32 (4-20 mA) оснащен встроенными искробарьерами.

Для согласования дискретных сигналов переменного тока 220 В со входными дискретными сигналами применяется релейная гальваническая развязка.

3.1.3. Верхний уровень системы управления

Верхний уровень системы управления обеспечивает:

- предоставление информации о ходе технологического процесса в виде числовых значений параметров, цветовой индикации состояния оборудования, технологических сообщений, а также изменения технологических параметров. В качестве форм представления информации используются фрагменты мнемосхем, панели управления, графики, тренды, окна текущих и архивных сообщений и др.;

- диспетчерское и оперативное управление технологическим процессом;

- сбор, хранение и обработку базы данных технологических параметров, архивацию параметров, событий и действий оператора;

- индикацию граничных значений параметров с выдачей сообщений, содержащих полную информацию о параметре;

- индикацию обрыва канала связи с выдачей сообщения, однозначно указывающего канал и др.

В качестве автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора используется рабочая станция - персональный компьютер, выполненный в промышленном исполнении. Основные характеристики: ОС Windows XP Professional, двухъядерный процессор Pentium P-820 (2,8 ГГц), 22'' ЖК-монитор, внешние громкоговорители, 73 Гб SCSI HDD, 1 Гб ОЗУ, 48Х DVD-CDRW Drive, 3 сетевых порта.

На компьютер устанавливаются необходимые драйвера, а также следующее программное обеспечение: Microsoft Office 2007 (обязательная установка MS Access), речевое ядро и речевой синтезатор, для озвучивания событий, поступающих в протокол, пакет STEP7 Lite, SCADA систему InTouch.

Компьютер должен иметь 4 USB порта, к ним присоединяются: клавиатура, мышь, лазерный принтер и источник бесперебойного питания. Отметим, что питание всех компонентов системы управления осуществляется от источников бесперебойного питания ИБП.

Для обеспечения обмена между рабочей станцией и контроллером используется локальная вычислительная сеть (ЛВС) Ethernet - сеть управления SIMATIC, являющаяся выделенной для обеспечения надежности и высокой производительности. Для подключения к внешней ЛВС производства, предоставляется отдельный интерфейс Ethernet в составе интеграционной станции.

Итак, на нижнем уровне обе подсистемы программируемых логических контроллеров работают автономно друг от друга и не зависимо от состояния АРМов операторов-технологов, автоматически и циклически выполняют следующие функции:

сбор, обработку, архивирование информации, поступающей от аналоговых двухпозиционных датчиков о состоянии процесса и оборудования;

вычисление и приведение к нормальному виду значений параметров процесса в соответствии с заданным диапазоном измерений и свойств КИПиА;

реализацию алгоритмов автоматического управления и блокировок с выдачей управляющих воздействий на исполнительные устройства (клапаны, электрические задвижки, электромагнитные пускатели двигателей насосов);

самодиагностику.

В штатном режиме, ПЛК нижнего уровня обменивается информацией с верхним уровнем контроля и управления (АРМами) в объеме:

- прием от АРМов и отработку команд оператора-технолога на изменения режима работы регулятора (автоматическое, ручное), изменения задания для технологических параметров участвующих в контурах управления и процентного открытия регулирующих затворов, дистанционного управления оборудованием, выбор рабочих емкостей, насосов;

- прием от АРМов и обработку команд на изменение состояния деблокирующих ключей для параметров участвующих в блокировках (доступ по паролю начальника установки);

- прием от АРМов и обработку команд по изменению настроек ПИД регуляторов;

- передача информации о состоянии процесса и оборудования на АРМы.

Каждое АРМ состоит из монитора, клавиатуры, мыши или трекбола и предназначено для:

- представления оперативному персоналу информации, поступающей от аналоговых и двухпозиционных датчиков о состоянии процесса и оборудования;

- возможность оценивать состояние технологического процесса, как по мгновенным показателям режима, так и наблюдать динамику изменения параметров во времени по трендам;

- получать сообщения о предупредительной и аварийной сигнализации отклонений технологического процесса от регламентных норм, нарушение в работе силового оборудования;

- возможности проанализировать качество ведения технологического режима по историческим трендам, архивному журналу сигнализации, журналу действий оператора.

3.2 Функциональная схема АСУ ТП

На установках атмосферной перегонки нефть обычно разделяет на четыре дистиллятные фракции - легкий и тяжелый бензин, керосин, дизельное топливо и остаток - мазут. Установка (рис.3.5) состоит из двух колонн - простой К1 и сложной К2. Сложная имеет две отпарных секции КЗ, К4. Перед поступлением в первую колонну К1, обессоленная нефть подогревается в теплообменниках (рис.3.6) г- утилизируя тепло. Верхним продуктом первой колонны является легкая бензиновая фракция и небольшое количество газа. Остальные продукты получаются во второй колонне. Обе колонны обслуживаются общей трубчатой печью П (рис.3.5).

Обессоленная нефть (см.рис.3.6) подается насосом в колонну К1, нагретая предварительно до температуры 200...220°С. Перед этим она делится на два потока. Первый поток утилизирует тепло промежуточного орошения сложной колонны (рис.3.6) последовательно - верхней и нижней ступеней. Второй поток утилизирует тепло сначала керосиновой фракции, затем фракции дизельного топлива и, наконец, мазута.



Рисунок 3.5 Функциональная схема АСУ ТП установки атмосферной перегонки нефти: П - трубчатая печь; К1, К2 - ректификационные колонны; К3, К4 - отпарные колонны; Н1 - Н6 - насосы; С1, С2 - газосепараторы - водоотделители; Т1 - Т13 - теплообменные аппараты различного назначения.

Рисунок 3.6 Функциональная схема АСУ ТП нагрева обессоленной нефти путем утилизации тепла продуктов установки перегонки нефти.

После смешения оба потока поступают в среднюю часть колонны К1. Пары легкого бензина по выходе из К1 конденсируются и охлаждаются в теплообменных аппаратах Т1 и Т2 (рис.3.5) и разделяются в газосепараторе С1. Сконденсированная и отделенная в сепараторе С1 фракция легкого бензина частично отводится из системы насосом Н2, а частично используется в качестве орошения в колонну К1. Частично отбензиненная нефть из колонны К1 забирается насосом Н1 и подается в змеевик трубчатой печи П. Нагретая в змеевиках печи нефть поступает в парожидкостном состоянии, в основную колонну К2, часть её используется в качестве "горячей струи" в колонне К1. Верхним продуктом колонны К2 является более тяжелая бензиновая фракция. Она так же конденсируется охлаждается в теплообменниках ТЗ, Т4 и после сепарации в С2, отводится из системы насосом Н6. Часть её возвращается в колонну в качестве орошения. Следующие фракции - керосиновая и дизельного топлива - выводятся из отпарных колонн КЗ, К4 насосами Н5, Н4. После охлаждения до необходимой температуры в теплообменниках -утилизаторах Т5, Т8, воздушных холодильниках Т6, Т9 и холодильниках Т7, Т10 эти фракции выводятся из системы. Под нижние тарелки отпарных колонн К3, К4 вводится перегретый пар. Тяжелый, неиспаренный остаток нефти, - стекающей с последней тарелки колонны К2, продувается перегретым водным паром. Мазут, освобожденный таким образом от низкокипящих фракций, с низа колонны К2 направляется насосом НЗ для утилизации тепла и охлаждения в теплообменники Т11, Т12, Т13.

Предусмотренное функциональной схемой АСУ ТП автоматическое управление уменьшает вероятность снижения качества продуктов, сокращает потребление энергии, улучшает эксплуатационные показатели работы оборудования. Значительное снижение энергозатрат может быть достигнуто за счет опережающего управления параметрами процесса. Нужно предусмотреть режим управления по ограничениям, который не только защищает технологическое оборудование, но и обеспечивает нормальное его функционирование при соблюдении определенных критериев. Работа установки основана на принципе двукратного испарения. Общий расход нефти стабилизирован по расходу с регистрацией температуры. Распределение нефти по потокам и аппаратам производится на установке открытием исполнительными механизмами соответствующих регулирующих органов. Температурный контроль теплообменных аппаратов позволяет выявлять эффективность работы каждого из них расчетным путем.

3.3. Выбор программного обеспечения автоматизированного рабочего места

Система RSView32 - это интегрированное программное обеспечение человеко-машинного интерфейса (HMI) для сбора данных, оперативного контроля и управления автоматизированными устройствами и технологическими процессами. Производитель RSView32 - компания Rockwell Automation, признанный мировой лидер в области производства комплексных средств для автоматизации. RSView32 - это программный продукт, являющийся одним из компонентов комплекса средств для визуализации технологических процессов View AnyWare компании Rockwell Automation.

ViewAnyWare - это набор операторских интерфейсов, PC-совместимых рабочих станций и ПО, имеющий следующие общие черты:

- высокая надёжность оборудования и ПО;

- интуитивно понятный интерфейс пользователя;

- использование только открытых коммуникационных стандартов;

- совместимость с полным спектром аппаратных платформ Allen Bradley;

- открытая и гибкая архитектура, основанная на DNA for Manufacturing

фирмы Microsoft.

Вообще SCADA - это программное обеспечение, предназначенное для обеспечения помощи инженеру в создании в кратчайшие сроки надежной и быстродействующей системы управления процессом. Именно поэтому пользователей SCADA интересуют прежде всего следующие аспекты ПО для управления:

- удобство разработки проектов;

- производительность;

- коммуникации.

Рассмотрим, как эти требования реализованы в RSView32. Разработка графического представления процесса: система разработки RSView32 использует современные технологии Windows и предоставляет пользователю интуитивно-понятный интерфейс для создания «экранов» - графических представлений участков технологического процесса. Каждый проект RSView может содержать любое количество экранов, каждый из которых отображает ту или иную детализацию управляемого объекта. Экраны RSView32 могут содержать как простые графические объекты (эллипсы, прямоугольники и др.), так и более сложные объекты, такие как тренды или отчеты по сигналам тревоги.

RSView32 предлагает ряд средств и технологий для уменьшения времени разработки и облегчения построения визуализации, среди них:

- объектно-ориентированное проектирование, упрощающее реализацию

проектов;

- большой набор графических библиотек, состоящий из сотен объектов;

- возможность импортировать растровую графику популярных;

графических форматов, а также чертежи и векторную графику, созданные в CorelDRAW или AutoCAD;

- возможность создавать собственные библиотеки графических объектов;

- использование графических объектов и элементов управления ActiveX.

Обо всех изменениях контролируемого процесса оператор должен получать визуальную информацию, которая передается визуально с помощью анимации экранов. Анимация в RSView32 осуществляется с помощью управления видимостью, цветом, заполнением, положением, размером и вращением. RSView32 предоставляет следующие возможности анимации:

- технология «Object Smart Path» - чтобы определить диапазон движения;

- графического объекта по дисплею, необходимо просто поместить объект в начальную и конечную позиции. RSView 32 автоматически вычислит все;

- промежуточные состояния объекта;

- объединять объекты в группы и производить анимации над группами;

- копировать элементы анимации различных типов с одного объекта на

другой.

Связь с оборудованием: для связи с управляемыми устройствами RSView32 использует высокопроизводительные стандарты OPC или DDE, которые стали основными технологиями для связи верхнего и нижнего уровня автоматизации. OPC (OLE for process control) позволяет RSView32 выступать в качестве клиента или сервера, обеспечивая передачу данных как между различными станциями RSView32, так и другими серверами OPC.

Для обмена данными по DDE RSView32 стандартный DDE или высокоскоростной Advanced DDE. Особо следует отметить механизм связи RSView32 с контроллерами Allen-Braldey. Для соединения с техникой Allen-Bradley используются прямые драйверные связи, где максимально эффективно используются коммуникационные технологии Rockwell Automation. Это делает систему RSView32 самой высокопроизводительной SCADA-системой для управления контроллерами Allen-Bradley.

В состав пакета RSView32 входит утилита мониторинга тегов, позволяющая в любой момент времени проверить наличие связи SCADA- системы с каждым из исполнительных устройств.

Отладка проектов: важная часть процесса разработки. По некоторым данным, время отладки сложного проекта может в несколько раз превышать время его разработки. Наличие мощного средства отладки системы автоматизации позволит минимизировать время тестирования проекта, а также предотвратить возникновение ошибок при работе готовой системы. RSView32 предлагает ряд уникальных средств тестирования и отладки:

- тестовый запуск участка для быстрого тестирования отдельного экрана,

графического объекта или анимации. Это позволит получить данные с объекта и быстро запустить только отдельный участок проекта, а не запускать на выполнение весь проект целиком;

- изменения проекта в режиме online. В RSView для того, чтобы

совершить изменения в интерфейсе проекта, нет необходимости завершать процесс; редактирование какого-либо окна SCADA-системы можно производить во время выполнения процесса, при этом изменения войдут в силу при следующем открытии этого окна;

- возможность тестирования проекта при различных условиях за счет

использования наборов параметров, рассматриваемых как единое целое состояние системы.

Защита проектов: при запуске проектов немаловажно разграничить доступ различных операторов к отдельным частям проекта. RSView32 дает возможность обезопасить проекты с помощью 16 уровней защиты проекта и защиты на уровне системы. Защита на уровне проекта позволит ограничить доступ пользователей или групп пользователей к определенным дисплеям или запретить им изменять определенные значения тегов. Защита на уровне системы позволит заблокировать пользователей внутри проекта RSView32 так, что они не смогут выйти в операционную систему Windows.

Если разработчику проекта недостаточно встроенных возможностей RSView32, он может автоматизировать HMI-приложения с помощью мощного встроенного языка программирования Visual Basic for Applications (VBA).

Среда VBA предназначена для расширения возможностей RSView32. Запускать VBA-подпрограммы можно по событию, в макрокоманде или пользователем из командной строки.

Контроль значений и протоколирование: несмотря на то, что в хорошо разработанном HMI-проекте все основные критические участки выполнения системы должны визуализироваться, в больших проектах оператору просто невозможно уследить за всей системой целиком. Для помощи оператору в этом случае используются специальные сигналы оповещения. К тому же, состояния некоторых объектов должны протоколироваться с целью дальнейшей обработки данных. RSView32 предлагает целый комплекс средств, для оповещения оператора и для протоколирования данных.

Отслеживание трендов: тренды - это визуальное представление текущих или накопленных ранее параметров процесса, которое дает операторам возможность с помощью графиков отслеживать работу промышленного объекта.

Рисунок 3.7 Общий вид схемы АРМ оператора.

RSView32 позволяет строить графики, используя до 16 переменных на один тренд, и использовать затенение, выделяя момент пересечения параметром контрольного значения.

Обнаружение событий - события в RSView32 - это арифметические или логические выражения над тегами и параметрами процессов в управляемой системе.

Эти выражения должны определять наступление какого-либо события, и инициировать реакцию SCADA-системы на это событие. Реакцией может быть автоматическое выполнение каких-либо команд или макросов. Контроль сигналов тревоги: сигналы тревоги - это сигналы, которые должны извещать оператора о наступлении каких-либо критических или аварийных событий, требующих немедленного вмешательства. Сигналы тревоги могут быть определены как для дискретных, так и для аналоговых параметров процесса. При поступлении сигналов тревоги RS View выполняет определенные пользователем действия, среди которых может быть останов процесса, выдача световой или звуковой сигнализации или предупреждения.

Рисунок 3.8 Общий вид мнемосхемы атмосферной перегонки нефти на АРМ оператора.

3.4 Рабочая документация

3.4.1 Разработка рабочей документации на систему и её части

Осуществляют разработку рабочей документации, содержащей все необходимые и достаточные сведения для обеспечения выполнения работ по вводу, АС в действие и её эксплуатации, а также для поддержания уровня эксплуатационных характеристик (качества) системы в соответствии с принятыми проектными решениями, её оформление, согласование и утверждение. Виды документов по ГОСТ 34.201-89.

3.4.2 Разработка или адаптация программ

Проводят разработку программ и программных средств системы, выбор, адаптацию и (или) привязку приобретаемых программных средств, разработку программной документации в соответствии с ГОСТ 19.101.

3.5 Ввод в действие

3.5.1 Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие

Проводят работы по организационной подготовке объекта автоматизации, в том числе: реализацию проектных решений по организационной структуре АС, обеспечение подразделений объекта управления инструктивно-методическими материалами, внедрение классификаторов информации.

Организационная подготовка объекта автоматизации играет ключевую роль в обеспечении правильного функционирования автоматизированной системы (АС). Вот некоторые причины, почему организационная подготовка имеет важное значение:

- Оптимальное использование ресурсов.

Правильно организованная структура АС позволяет оптимально использовать ресурсы объекта автоматизации. Каждое подразделение или сотрудник будет иметь определенные обязанности и ответственность, что способствует эффективному распределению задач и ресурсов внутри системы.

- Установление четкой ответственности.

Организационная подготовка помогает определить четкую ответственность за различные аспекты работы с АС. Это помогает предотвратить путаницу и неопределенность в отношении того, кто отвечает за выполнение определенных задач и функций в системе.

- Обеспечение согласованности и сотрудничества.

Разработка организационной структуры АС способствует установлению согласованности и сотрудничества между различными подразделениями и сотрудниками. Это облегчает обмен информацией, координацию работы и решение проблем внутри системы.

- Установление процедур и стандартов.

Организационная подготовка включает разработку процедур, инструкций и стандартов, которые регулируют работу с АС. Это позволяет обеспечить единообразие и согласованность в процессах управления, а также упрощает обучение новых сотрудников и обмен опытом между коллегами.

- Обеспечение безопасности и соблюдения нормативных требований.

Организационная подготовка также включает внедрение мер безопасности и соблюдение нормативных требований в работе с АС. Это включает обучение сотрудников правилам безопасности, установку процедур контроля и мониторинга, а также соблюдение соответствующих норм и стандартов в отношении обработки и хранения данных.

3.5.2 Подготовка персонала

Проводится обучение персонала, и проверка его способности обеспечить функционирование АС. Вот некоторые шаги, которые обычно включает подготовка персонала:

- Обучение по работе с АС.

Проводится обучение персонала, который будет работать с АС. Это включает обучение по использованию программного обеспечения, пониманию интерфейсов, взаимодействию с системой и выполнению задач, связанных с управлением и эксплуатацией АС. Обучение может проводиться в форме семинаров, тренингов, онлайн-курсов или индивидуального обучения.

- Знакомство с инструкциями и руководствами.

Персонал должен быть ознакомлен с инструкциями, руководствами пользователя и другими релевантными документами, связанными с АС. Они должны понимать, как использовать эти материалы для выполнения своих задач, решения проблем и обращения за поддержкой при необходимости.

- Тестирование и проверка компетенции.

Проверка способности персонала обеспечить функционирование АС может включать проведение тестов или практических заданий, чтобы убедиться, что они правильно понимают и могут применять полученные знания и навыки. Это помогает убедиться, что персонал готов к работе с АС и может выполнять свои обязанности.

- Обучение по безопасности.

Персонал должен быть обучен мерам безопасности, связанным с использованием АС. Это может включать обучение правилам обращения с оборудованием, правилам доступа к системе, защите данных и другим аспектам безопасности. Понимание и соблюдение этих мер безопасности помогает предотвратить непредвиденные ситуации и минимизировать риски.

- Обновление знаний и навыков.

Автоматизированные системы могут быть подвержены изменениям и обновлениям со временем. Поэтому важно обеспечить постоянное обновление знаний и навыков персонала. Это может включать проведение регулярных обновлений, тренингов или обучающих сессий, чтобы персонал был в курсе последних изменений и мог эффективно использовать АС.