а. Примеры применения АСУ ТП

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСУ ТП

7.1. АСУ ТП ПОЛУЧЕНИЯ 1,2-ДИХЛОРЭТАНА НА СТЕРЛИТАМАКСКОМ АО «КАУСТИК»

7.1.1 Общие сведения

Процесс получения 1,2-дихлорэтана (ДХЭ) в цехе №7 Стерлитамакского АО «Каустик» реализован по непрерывной технологической схеме и включает в себя две последовательно соединенные стадии:

· синтеза ДХЭ из этилена и абгазного хлора;

· ректификации ДХЭ с очисткой сточных вод от ДХЭ.

Стадия синтеза ДХЭ включает две параллельные технологические нитки, состоящие из реактора хлорирования и узла конденсации абгазов. В одной из ниток абгазы после хлоратора направляются в дополнительный реактор для дохлориронания оставшегося этилена.

Стадия ректификации ДХЭ включает в себя три последовательно включенные колонны с промежуточными емкостями, а узел очистки сточных вод - одну колонну отпарки ДХЭ из сточных вод стадии синтеза ДХЭ со сборниками.

Рекомендуемые материалы

Технологический процесс является пожаро- и взрывоопасным, оборудование обеих стадий расположено на улице (рис. 1, 2). Категория производственных помещений - В4А.

Микропроцессорная система управления технологическим процессом получения ДХЭ (АСУ ТП-ДХЭ) разрабатывается в соответствии с планом реконструкции и замены существующей щитовой системы контроля и управления ТП с пневматическими приборами и регуляторами.

Основной задачей разрабатываемой системы контроля и управления является снижение потерь этилена за счет высокоточного регулирования соотношения расходов этилен/хлоргаз на входе в реактор с компенсацией возмущений по давлению этилена и хлоргаза на входе в цех и концентрации хлора в абгазном хлоргазе. Кроме того, АСУ ТП-ДХЭ должна обеспечить безопасность протекания технологического процесса.

АСУ ТП-ДХЭ представляет собой иерархическую двухуровневую распределенную систему.

Нижний уровень АСУ ТП-ДХЭ включает три подсистемы:

· подсистему контроля и регистрации параметров технологического процесса, реализованную на щитовых приборах типа А-542;

· подсистему автоматического регулирования параметров;

· подсистему сигнализации и противоаварийной защиты (СПАЗ) процесса при отклонении параметров за допустимые границы.

Подсистема автоматического регулирования выполнена на базе микропроцессорных контроллеров (МПК) Ремиконт Р-130, объединенных в две локальные сети «Транзит» по четыре контроллера в каждой для управления стадией синтеза с реактором дехлорирования абгазного этилена («Транзит 1») и стадией ректификации ДХЭ с узлом отпарки ДХЭ («Транзит 2»). Сети «Транзит» через шлюзы по линиям последовательного интерфейса связаны с персональными компьютерами (ПК) верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

Подсистема СПАЗ выполнена на базе программно-технического комплекса (ПТК) <КРУИЗ», включающего в себя промышленный персональный компьютер MicroPC, связанный через локальную вычислительную сеть Ethernet с ПК верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ. Связь с датчиками аналоговой и дискретной информации, лампами внешней мнемосхемы, электропневматическими клапанами, управляющими отсечными клапанами, и магнитными пускателями электроприводов насосов осуществляется через устройство связи с объектом  (УСО) промышленного MicroPC.

Микропроцессорные контроллеры Р-130 нижнего уровня обеспечивают сбор и первичную обработку информации от датчиков, а также контроль и автоматическое регулирование технологических параметров с индикацией значений параметров на лицевой панели Р-130.

Контроллеры Р-130 обеспечивают возможность управления процессом с помощью клавиш лицевой панели. Кроме этого, используя пульт настройки Р-130, можно изменять параметры настройки регуляторов (коэффициент пропорциональности Кп, постоянную интегрирования Ти, коэффициент дифференцирования Кд).

Контроллер MicroPC реализует функции подсистемы сигнализации и противоаварийной защиты (СПАЗ) АСУ ТП-ДХЭ и работает автономно. УСО MicroPC и восьми МПК Р-130 подключены к общим датчикам основных технологических параметров: давления, концентрации, расхода, уровня, температуры.

На верхнем уровне АСУ ТП-ДХЭ на базе трех персональных компьютеров типа IBM PC в обычном исполнении организуются автоматизированные рабочие места (АРМ) аппаратчиков, с которых в реальном времени должны выполняться функции контроля и управления стадией синтеза ДХЭ (АРМ-1) и функции контроля и управления стадией ректификации ДХЭ с узлом отпарки ДХЭ (АРМ-2), а также функции архивации текущей информации и её обработки за отчетные периоды времени (ПК МА).

Для реализации информационных и управляющих функций верхнего уровня используется SCADA-система ТРЕЙС МОУД фирмы AdAstra Research Group версии 4.20.

При этом на двух ПК АСУ ТП-ДХЭ функционируют мониторы реального времени (МРВ) системы ТРЕЙС МОУД, на третьем ПК - сетевой монитор архива (МА) системы ТРЕЙС МОУД. На MicroPC подсистемы СПАЗ нижнего уровня в качестве базового пакета программного обеспечения функционирует Микро МРВ 4.20.

Подсистема СПАЗ ПТК «КРУИЗ» включает в себя

· блок MicroPC;

· блоки приема (блоки-коммутаторы) аналоговых сигналов 4-20 мА с гальванической развязкой на 30 каналов каждый - 3 шт.;

· блоки приема (блоки-коммутаторы) дискретных сигналов 24 В постоянного тока с оптоизоляцией входов на 32 канала каждый - 2 шт.;

· блоки дискретных выходных сигналов (блоки-коммутаторы) с оптоизоляцией выходных цепей 24 В постоянного тока и 220 В переменного тока на 16 каналов каждый - 10 щт.

Общее количество контролируемых параметров составляет 201.

Количество входных каналов:

· аналоговых от датчиков и первичных преобразователей - 154;

· дискретных от концевых выключателей отсечных клапанов - 24;

· дискретных от магнитных пускателей насосов - 19;

· дискретных от кнопок центрального пульта - 4.

Количество выходных каналов аналогового регулирования - 32.

Всего входных сигналов, подлежащих сигнализации, - 118, в том числе:

· аналоговых - 61,

· дискретных - 47.

Всего выходных сигналов - 102. в том числе:

· на сигнализацию - 85,

· на блокировку- 17.   

7.1.2. Программное обеспечение верхнего уровня

В общем виде реализуемые на АРМ верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ функции можно разделить на три подкласса.

· Индикация параметров ТП и сигнализация нарушений режима.

· Управление из кадра (с экрана) технологическим процессом, реализуемое через МПК нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

· Управление переходом по экранам (кадрам).

Информация о нарушениях технологического режима подлежит автоматической распечатке на принтерах ПК АРМ с одновременным сохранением её в специальном файле-отчете тревог.

На мониторах ПК АРМ возможность сигнализации отклонений от уставок обеспечена для всех контролируемых параметров. Кроме сигналов от датчиков и преобразователей, на экранах ПК АРМ осуществляется контроль и индикация переменных, коэффициентов и констант на входах и выходах алгоблоков (АБ) в алгоритмической структуре МПК Р-130 и обеспечивается возможность их изменения в реальном времени.

При реализации АСУ ТП-ДХЭ предусмотрена дополнительная возможность управления любой стадией с обоих АРМ (например, двумя хлораторами одновременно с АРМ-1 и АРМ-2 соответственно).

Поэтому информационные кадры, отображаемые в рабочих областях экранов ПК1 АРМ-1 и ПК2 АРМ-2, полностью идентичны друг другу, но сгруппированы в соответствии с разделением ТП на стадии и узлы и могут вызываться на любой из мониторов ПК. При этом базы каналов, используемые на АРМ-1 и АРМ-2, одинаковы по номерам, но отличаются друг от друга типами каналов.

Информационные кадры, отображаемые на экране ПКЗ операторской станции архива, частично идентичны кадрам, отображаемым на АРМ, а частично отличаются от них. Эти кадры могут использоваться как аппаратчиками ЛРМ-1 и АРМ-2, так и другим  технологическим или административным персоналом цеха.

Визуализация информации с промышленного компьютера подсистемы СПАЗ осуществляется на мониторах ПК1, ПК2 и ПКЗ.

На экранах ПК АРМ верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ реализуются следующие типы информационных кадров: заставка АСУ ТП, заголовок АРМ-1 (АРМ-2), мнемосхемы, обзорные кадры АРМ-1 (АРМ-2), кадры группового управления, текущие тренды, архивные тренды, кадры «контур» для управления настройками автоматических систем регулирования (АСР), кары индивидуального контроля параметров, кадр параметров аналитического контроля, контроль состояния технологического оборудования, просмотр отчетов технико-экономических показателей (ТЭП), экран просмотра режимных листов, просмотр протокольных кадров, экран просмотра характеристик нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ, экран просмотра характеристик верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ.

Кадры мнемосхем содержат схемы отдельных узлов процесса с указанием взаимосвязи контуров регулирования параметров.

Кроме этого, с кадров мнемосхем возможен выбор контура регулирования, управление которым осуществляется с использованием специальной панели. При этом обеспечена возможность управления параметрами регулятора, возможность переключения контура управления с автоматического режима на ручной и непосредственное управление величиной сигнала на клапан.

Обзорные кадры представляют информацию о значениях и состоянии всех контролируемых и регулируемых технологических параметров по стадии, относящейся к данному АРМ, а также о состоянии оборудования этой стадии.

Кадры группового управления отображают группу из регулируемых и связанных с ними нерегулируемых (до четырех) параметров и обеспечивают возможность одновременного ручного управления несколькими контурами АСР путем изменения их параметров или величины сигнала на регулирующий клапан.

Кроме того, для каждого регулятора на экране представлены тренды текущих значений сигналов и параметров.

Кадр «Контур» предназначен для настройки параметров регуляторов и имеет две модификации. Первая модификация предназначена для одноконтурных схем. Она включает в себя одну панель для управления значениями параметров настройки контура Кп, Ти, Кд (осуществляется при вводе пароля). Вторая модификация предназначена для каскадных схем, и на ней присутствуют две панели настройки ведущего и ведомого регуляторов.

На этом же кадре размещена панель для включения/выключения режима автоматической настройки параметров регуляторов с индикацией рассчитанных оптимальных значений Кп и Ти.

Кадры «текущие тренды» и «архивные тренды» отображают графики изменения во времени текущих или архивных значений шести параметров (в %) с их идентификацией цветом и стилем линий, а также индикацией значений параметров по визиру в физических единицах. С этого кадра по паролю осуществляется включение/выключение любого параметра из цикла опроса.

Кадр индивидуального контроля параметров позволяет просматривать тренды всех контролируемых и регулируемых параметров, а также управлять значением аварийных границ, шкалой, периодом опроса и включением/отключением опроса для любого параметра.

Экраны для просмотра текстовых файлов организованы аналогично друг другу и позволяют осуществлять просмотр:

· оперативных форм сменных, суточных рапортов, отчетов с начала месяца, квартала, года, (от начала периода до момента запроса) и их архивных форм за полный учетный период;

· усредненных на интервале в 1 час значений основных контролируемых параметров, оперативных от начала смены до момента запроса и сменных за полную смену;

· отчета тревог, протокола нарушений, протокола событий текущих или архивных. Экран просмотра характеристик нижнего уровня АСУ ТП-ДХЭ позволяет контролировать текущую структуру сетей  «Транзит I» и «Транзит» 2 МПК Р-130 с сигнализацией наличия неисправных Р-130 или шлюзов и индикацией их номера, а также наличие ошибок контуров регулирования в Р-130 с сигнализацией светом и индикацией номера Р-130 и номера неисправного контура.

Экраны просмотра характеристик верхнего уровня АСУ ТП-ДХЭ позволяют контролировать текущую структуру ПК АСУ ТП-ДХЭ с сигнализацией наличия неисправных ПК и индикацией номера неисправного (отключенного) узла, а также индикацию периодов опроса сети, номера сетевых узлов приемников или источников данных.

7.2. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ АСУ ТП СТАДИИ НЕПРЕРЫВНОЙ ЭТЕРИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУТИЛАЦЕТАТА

7.2.1. Технологический процесс стадии непрерывной этерификации бутиацетата

Бутилацетат (БА) широко применяется в производстве медицинских препаратов, пластмасс, целлофана, кинофотопленки, искусственных кож, клея, лаков и эмалей. Одним из основных производителей высококачественного БА в России является АО «Дмитриевский химический завод» в г. Кинешма Ивановской области.

Получение БА основано на реакции этерификации уксусной кислоты (УК) бутиловым спиртом (БС) в присутствии катализатора – серной кислоты. Технологический процесс (ТП) стадии непрерывной этерификации имеет достаточно сложное аппаратурное оформление, содержащее приемные и напорные баки, подогреватель и испаритель, куб – этерификатор (КЭ), колонну азеотропной ректификации (КР), дефлегматоры и флорентину, а также емкости готового продукта. В общем случае ТП в установившемся режиме осуществляется следующим образом. Исходные компоненты УК и БС в заданном массовом соотношении из напорных баков через подогреватель подаются в нижнюю часть испарителя, из которого парожидкостная смесь поступает в КЭ через барботер, погруженный в жидкость. Греющий пар под давлением поступает в змеевики КЭ и испарителя. Пары из КЭ подаются в нижнюю часть КР для разделения двойного гетерогенного азеотропа БА и воды от УК. Из верха КР пары БА, БС и воды в виде смеси бинарного и тройного азеотропов направляют в дефлегматор. Далее конденсат разделяется на два потока: одна часть возвращается вверх в КР в виде флегмы, а другая направляется во флорентину, где расслаивается на БА и эфироводу. Из низа КР жидкая фаза возвращается в испаритель.

7.2.2. Основные цели и направления работ по созданию АСУ ТП

Основная цель состоит в повышении в 1,5 – 2 раза производительности стадии непрерывной этерификации и снижении удельного энергопотребления при сохранении заданного качества БА, а также в оснащении ТП современными средствами контроля состояния и оперативного управления.

Структурная схема АСУ ТП стадии этерификации в производстве БА приведена на рис. 7.1.

Анализ объекта управления позволил определить необходимость следующих направлений работы:

создание системы автоматического управления (АСУ) температурой на «контрольной» тарелке внизу КР, которая косвенно характеризует состав парожидкостной смеси при азеотропной реакции;

разработка АСУ температурным режимом стадии в условиях изменения нагрузки на испаритель в широком диапазоне, а также действия неконтролируемых возмущений по жидкой фазе из низа КР и давлению греющего пара;

построение системы управления массовым соотношением компонентов (МСК) УК и БС при значительных колебаниях их концентраций и температур;

разработка алгоритмов стабилизации расходов УК и БС в заданном соотношении, расходов флегмы и охлаждающей воды, давления греющего пара, давлению паров внизу КР, температуры и уровня в КЭ, а также реализация режимов частичного и полного автоматического останова стадии при возникновении аварийных ситуаций;

для оперативного контроля эффективности ведения технологического процесса должны быть установлены система отображения мнемосхем с динамически изменяющимися параметрами, система регистрации и воспроизведения ретроспективной информации с интервалом хранения данных не менее 2 – 3 месяцев, система архивации диагностических сообщений с возможностью получения отчетов на дисплее и бумаге.

7.2.3. Аппаратные средства

Для создания АСУ ТП было предложено применить в качестве низового контроллера Ломиконт Л-112.

Так как контроллер не отличается высокой надежностью, основной режим работы контроллера - с дублированием, что позволяет существенно повысить живучесть АСУ ТП.

Рис. 7.1. Структурная схема АСУ ТП на базе контроллера Ломиконт Л-112

Условные обозначения:

КС1 – канал связи для «горячего» резервирования

КС2 – КС4 – каналы связи с рабочими станциями

РС1– РС3 – рабочие станции оператора.

Общее количество подключаемых к Л-112 сигналов для двух линий непрерывной этерификации включает 110 аналоговых и 60 дискретных входов-выходов.

Для осуществления контроля за состоянием технологического процесса двух линий этерификации и оперативного управления применены рабочие станции (РС) на базе IBM PC совместимых компьютеров, которые размещены вместе с контроллером Л-112 в помещении с кондиционированным воздухом и подключены к источникам бесперебойного питания SMART-UPS.

Система поддерживает до трех рабочих станций, имеющих одинаковые функциональные возможности и ПО. Связь рабочих станций с Л-112 осуществляется через адаптер RS-232 и ИРПС со скоростью 9600 бод. Режим работы РС оперативно устанавливается в одно из двух состояний: командный (К) или информационный (И).

7.2.4. Программное обеспечение

В состав программного обеспечения рабочей станции входят следующие компоненты:

· программы создания и корректировки базы данных АСУ ТП;

· диспетчер задач с программами первоначального запуска и настройки системы «мягкого» реального времени;

· программы настройки систем управления верхнего уровня;

· исполнительные модули подсистем реального времени;

· комплекс средств человеко-машинного интерфейса (ММI) и обмена информацией с контроллером Ломиконт Л-112.

База данных (БД) РС построена на паспортном принципе и содержит информацию обо всех типах сигналов и переменных АСУ ТП, к которым имеется централизованный доступ из всех приложений. Кроме типов данных, однозначно связанных с подключаемыми сигналами, в БД в виде отдельных типов определены параметры регуляторов, параметры ручного ввода, вычисляемые значения, а также тренды аналоговых входов.

Диспетчер задач реального времени выполняет первоначальный запуск программного обеспечения АСУ ТП в работу, его «холодный» или «теплый» перезапуск в случае сбоев или остановов, а также вызов на выполнение с заданным интервалом и приоритетом задач реального времени.

Минимальный интервал выполнения задач - 1 секунда. Необходимо отметить, что с целью обеспечения безударного восстановления после сбоев для отдельных типов данных поддерживается режим ведения страховых копий.

Подсистема обмена информацией с контроллером Ломиконт Л-112 обеспечивает ввод информации в РС, а также выдачу управляющих команд. Интервал ввода команд может быть установлен с точностью до тика. Данная подсистема имеет гибкий механизм настройки и работает в режиме обработки прерываний.

Программа первичной переработки информации выполняет функции по фильтрации и линеаризации сигналов, аппроксимации шкал датчиков, вычислению действительных значений параметров, а также выполнению технологического и аварийного контроля переменных ТП. Дополнительно подсистема контролирует изменение режимов работы оборудования и систем управления, а также формирует в суточном журнале событий диагностические сообщения, которые одновременно поступают в окна аварийных тревог на панелях РС и сопровождаются звуковыми сигналами различной тональности.

Суточные архивы технологических параметров и диагностических сообщений хранятся в отдельных файлах, структура которых соответствует СУБД Paradox фирмы Borland International.

Средства человеко-машинного интерфейса в данном проекте представлены комплексом панелей определенной структуры, предназначенным для отображения информации и ведения диалога. В большинстве панелей имеется верхнее и нижнее меню направлений диалога. Общее количество функциональных клавиш или их комбинаций достаточно велико, причем часть из них могут быть скрытыми. Отображение динамической информации на панелях производится посредством таких элементов, как значение параметра, семафор, кнопка, панель регулятора, график, столбцовая диаграмма, тренд, поле сигнализации и окно аварийных сообщений.

Кроме автоматически измеряемых параметров, ряд переменных состояния ТП определяется с помощью лабораторных анализов или различных методик вычисления. Информация, поступающая через панель ручного ввода информации, размещается в БД РС и используется в вычислительных процедурах, а также доступна для архивации.

Реализация систем стабилизации отдельных параметров, каскадных схем с коррекцией и соотношения общим количеством более 20 выполнены в рамках ПО контроллера Ломиконт Л-112 на базе стандартной библиотеки алгоритмов, при этом доступную точность управления можно считать удовлетворительной.

Особое внимание было уделено системе управления температурой парожидкостной смеси на выходе испарителя, нагрузкой для которого являются подаваемые исходные компоненты УК и БС, а также жидкая фаза из низа КР. Экспериментальные исследования динамических характеристик испарителя подтвердили наличие нестационарности объекта управления и высокий уровень неконтролируемых возмущений. В этих условиях было решено применить адаптивную систему управления, основанную на принципах беспоисковой самонастройки.

Лекция "4. Организационные мероприятия по электробезопасности" также может быть Вам полезна.

Результаты идентификации КР по каналу «расход флегмы – температура на «контрольной тарелке» выявили его инерционный характер и наличие транспортного запаздывания, превышающего величину наибольшей постоянной времени. Кроме того, изменения нагрузки на стадию и действие неконтролируемых низкочастотных возмущений приводят к нестационарности коэффициента передачи объекта управления. В этой ситуации необходимо применять системы с компенсацией транспортного запаздывания и самонастройкой канала управления. Цифровое моделирование остановило выбор на системе управления для объектов с запаздыванием.

Программное обеспечение рабочих станций разработано на языке С++ версии 3.0 фирмы Borland International, Inc.

7.2.5. Результаты работы

По результатам опытно-промышленной эксплуатации достигнут устойчивый режим работы стадии этерификации с увеличенной в 1,7 раза производительностью и заданным качеством БА. Существенно сокращено потребление греющего пара; выведен из эксплуатации ряд самопишущих приборов.

Дальнейшие пути совершенствования или создания новых АСУ ТП в производстве БА видятся на пути применения более современных контроллеров нижнего уровня в сочетании с качественными программными средствами человеко-машинного интерфейса, работающими под управлением Windows.