Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматическое регулирование. Учебное пособие.pdf
Рис. 16. САР температуры целевого продукта (100 °С) на выходе из
теплообменника Т1 (использование УВМ)
31
3.3. 3-й этап. АСУТП на базе контроллеров
«Интеллектуальная революция» - так можно охарактеризовать
сегодняшнее положение дел в области использования и применения
сложных высокотехнологичных устройств. Новейшие достижения
микропроцессорной техники пришли к нам из-за рубежа и привели к
масштабному применению микропроцессоров практически в каждом
электронном устройстве: телефонах, видеокамерах, диктофонах и
многих других полезных вещах. Газовики и нефтяники, энергетики и
химики, машиностроители и пищевики - уже нет ни одной отрасли,
где не были бы установлены и внедрены датчики давления нового
поколения. Сейчас эти потребители в полной мере ощутили все
преимущества интеллектуальных приборов. Газовая и нефтяная,
энергетическая и химическая, машиностроительная и пищевая – уже
нет ни одной отрасли, где не были бы установлены и внедрены
датчики давления нового поколения. Сейчас эти потребители в
полной мере ощутили все преимущества интеллектуальных
приборов. При таком комплексном подходе экономический эффект
использования интеллектуальных приборов стал еще очевиднее отдача от вложений в основные средства повысилась многократно.
Ниже представлена соответствующая структурная схема
автоматизированной системы управления технологическим
процессом (АСУТП) (рис.17).
В частности, для системы АСР используется контроллер РСУ
(распределенная система управления). Для системы АСЗ
используется контроллер противоаварийной защиты (ПАЗ). В
данном проекте использованы контроллеры фирмы Moore Products
Company: контроллер APACS+ (подсистема РСУ), контроллере
QUADLOG (подсистема ПАЗ).
Контроллер APACS+ управляет работой отдельных агрегатов
(30-50 контуров регулирования), технологических участков (150
контуров регулирования), цехов с непрерывными и периодическими
процессами. Контроллер QUADLOG имеет также несколько
модулей. Стандартный аналоговый модуль (SAM) входит в
семейство модулей ввода/вывода. Он предназначен для
подключения аналоговых и дискретных сигналов. Модуль SAM
обеспечивает высокую пропускную способность для стандартных
сигналов ввода/вывода (аналоговые входные сигналы (4-20) мА,
32
аналоговые выходные сигналы (4-20) или (0-20) мА, а также
дискретные входы и выходы).
Рис. 17. Структурная схема автоматизированной системы управления
технологическим процессом (АСУТП)
33
К модулю SAM можно подключить до 32 каналов. Каждый
канал может быть сконфигурирован для работы с аналоговым
входом (4-20) мА, аналоговым выходом (4-20) мА или (0-20) мА,
дискретным входом или дискретным выходом. Стандартный
дискретный модуль (SDM) имеет 32 канала ввода/вывода, каждый из
них может быть сконфигурирован как дискретный вход/выход,
дискретный импульсный выход. Модуль позволяет управлять
работой электродвигателя, отсечного канала.
Контроллер QUDLOG обеспечивает: повышенные
характеристики безопасности, отказоустойчивости и защиты
выходов; высокий уровень готовности системы; отказоустойчивость.
Система QUDLOG полностью интегрирована с системой управления
технологическими процессами APACS+. Это позволяет использовать
один операторский интерфейс и средства программирования, что
устраняет необходимость дополнительных усилий при установке,
конфигурировании, обслуживании и обучении персонала, а также
при организации связи систем управления безопасностью и
технологическими процессами.
При выборе контроллера решающими факторами являются:
надежность модулей ввода/вывода;
скорость обработки и передачи информации;
широкий ассортимент модулей;
простота программирования;
распространенность интерфейса связи с ЭВМ.
Этим условиям удовлетворяет контроллеры фирмы Moore Products
Company, также контроллеры Allen Bradley SLC 5/04 корпорации
Rockwell (семейство SLC 500 малых программируемых
контроллеров), контроллеры YS 170 YOKOGAWA и контроллеры
серии TREI-Multi (и, разумеется, ряд наших отечественных
контроллеров).
Иерархическая структура АСУТП
Иерархическая структура АСУТП включает в себя [3]:
1- й уровень полевого КИП;
2 -й уровень - станции управления процессом;
3-й уровень оперативного персонала, базирующийся на
инженерных и станциях операторов технологического
процесса.
34
1-й уровень АСУТП реализован на базе датчиков и
исполнительных механизмов. На уровне 1 частично применяются
датчики интеллектуальной серии, и на них выполняются функции
опроса и шкалирования измеряемых сигналов с передачей
информации по протоколу HART.
Технические средства 2 и 3 уровней размещаются в
помещении операторной. Станции управления процессом
реализованы на базе контроллера РСУ (распределенная система
управления) которая собирает информацию, вырабатывает
регулирующие воздействия) и контроллера ПАЗ (система
противоаварийной защиты) позволяющей контролировать
нарушения в ходе технологического процесса, осуществлять защиту
и блокировку аппаратов и вырабатывать защитные воздействия.
Функции РСУ и ПАЗ выполняют программируемые контроллеры.
Контроллеры выполняют следующие функции:
воспринимают аналоговые, дискретные электрические
унифицированные сигналы;
измеряют и нормируют принятые сигналы;
выполняют программную обработку сигналов с первичных
преобразователей и формируют аналоговые и дискретные
управляющие сигналы;
отображают информацию на экране;
управляются при помощи стандартной клавиатуры.
3-й уровень АСУТП представлен автоматизированными
рабочими местами оператора-технолога и оператора-инженера.
Обеспечивается ведение базы данных, визуализация состояния
технологического оборудования, обработка данных, формирование и
печать отчетных документов, ручное дистанционное управление
технологическим оборудованием. Станции оснащены современными
ПК. Информация с контрольно-измерительных приборов и датчиков
в виде аналоговых и дискретных сигналов поступает с 1 уровня на
технические средства 2 уровня, на которых реализуются в
автоматическом режиме функции сбора, первичной обработки
информации, регулирования, блокировок. Информация, необходимая
для контроля и управления технологическими процессами,
поступает от контроллеров на 3-й уровень – операторские станции и
станции главных специалистов. Станции оснащены современными
ПК. Информация с контрольно-измерительных приборов и датчиков
в виде аналоговых и дискретных сигналов поступает с 1 уровня на
35
технические средства 2 уровня, на которых реализуются в
автоматическом режиме функции сбора, первичной обработки
информации, регулирования, блокировок. Информация, необходимая
для контроля и управления технологическими процессами,
поступает от контроллеров на 3-й уровень – операторские станции и
станции главных специалистов.
Cхема «Структура АСУТП», представленная в упрощенном
виде, демонстрирует связи между уровнями. Диалог оператора с
системой управления осуществляется с использованием цветного
дисплея, клавиатуры и манипулятора «мышь». На операторской
станции сконфигурирован пользовательский интерфейс для
взаимодействия оператора с системой. Для вызова необходимой
информации оператору достаточно при помощи «мыши» выбрать на
экране надпись или изображение какого-либо объекта и одной или
двумя манипуляциями вывести на экран необходимую информацию.
Клавиатура также может быть использована для получения
необходимой информации. Кроме этого при помощи клавиатуры
производится ввод текстовой и цифровой информации. Сообщения о
нарушениях предупредительных и предаварийных границ для
аналоговых параметров, действиях операторов по управлению
технологическими процессами регистрируются и выводятся на
печать по запросу оператора. Выход аналогового параметра за
допустимые границы, сигнализация, нарушение связи с объектами
по какому - либо из каналов связи отображается на операторской
станции звуковой сигнализацией и цветовым отображением
изменений на мнемосхемах. Информация, выводимая оператору на
экран монитора по его запросу, может иметь различные виды:
обобщенная мнемосхема, представляющая весь объект
автоматизации. С этой мнемосхемы можно перейти на подробную
мнемосхему любого узла, выбрав его на экране курсором;
мнемосхемы отдельных узлов, отображающие часть
технологической цепочки с индикацией величин аналоговых
сигналов;
оперативные тренды, показывающие состояние параметра;
исторические тренды, позволяющие отслеживать состояние
аналогового параметра за длительные периоды (смена, сутки, месяц);
панели контроля и управления аналоговыми регуляторами;
аварийные и технологические сообщения.
Коммуникационный протокол НАRТ [2] обеспечивает
36
двухсторонний обмен информацией между интеллектуальным
датчиком и управляющими устройствами ( Highway Addressable
Remote Transducer Protocol) (Highway – путь; Addressable - адрес;
Remote- действие на расстоянии; Transducer - преобразователь) –
цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка
внедрить информационные технологии на уровень полевых
устройств. HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов
американской компанией Rosemount. В начале 1990 – х годов
протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным
стандартом. Однако, полных официальных спецификаций
протокола в открытом доступе нет – их необходимо заказывать за
деньги на сайте фонда HART-коммуникаций. На март 2009 года
доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая
технологию беспроводной передачи данных. Для технологии
«НАRТ - протокол» характерна регулярная самодиагностика в
процессе эксплуатации. Востребованы не только новые приборы
для измерений, но и новые средства коммуникации: НАRТ модемы, НАRТ - коммуникаторы, НАRТ - мультиплексоры,
программное обеспечение для связи с компьютером. Приём сигнала
о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART
- модема или HART - коммуникатора. Модулированный цифровой
сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика
или осуществить его настройку, накладывается на токовую
несущую аналоговой токовой петли уровня (4 – 20) мА. Таким
образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и
вторичной информации осуществляется по двум проводам.
Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен
данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым
сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых
АСУТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством
HART-коммуникатора или компьютера.
При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять
полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет
необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их
настроить непосредственно со своего рабочего места.
37
В многоточечном режиме – датчик передает и получает информацию
только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически
фиксируется на минимальном значении (только питание устройства –
4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине.
Информация о переменных процесса считывается по HART протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15
датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а
также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в
многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и
обращение к каждому идет по соответствующему адресу.
Рассмотрим на примере функционирование типовой схемы
автоматического регулирования, выполненной в соответствии с
ГОСТ 21.404-85 – схемы регулирования температуры целевого
продукта на выходе из теплообменника.
Спецификация к рис. 18. [7]:
0-1. Интеллектуальный преобразователь температуры Метран-281-
Exia. Выходной сигнал (4-20) mA/HART, НСХ K, диапазон
измеряемых температур (-50 ÷ +300)
цифр. сигн. 0,5
0
C.
0
C. Доп. погр. анал. сигн. 1 0C,
0-2, 0-3. Барьеры для обеспечения искробезопасности цепей
электропневматических преобразователей РИФ-А5. Напряжение
питания 24 В. выходной сигнал по цепи нагрузки 4-20 мА. Класс
точности 0,1.
0-4. Электропневматический позиционер SIPART PS2. Диапазон
входного сигнала 4-20 мА. Взрывозащита: EexbIICT6.
0-5. Клапан малогабаритный, регулирующий в комплекте с
электропневмопозиционером (во взрывозащищенном исполнении)
КМР-П-101-НЖ-32-4,0.
Для управления регулирующим клапаном используется
электропневматический позиционер Sipart PS2. Он предназначен
для обеспечения соответствия между заданной величиной
регулирующего воздействия (4-20мА) и положением
пневматического исполнительного механизма поступательного или
поворотного действия. Для установки во взрывоопасных зонах
позиционеры Sipart PS2 должны работать в комплекте с активным
универсальным барьером искробезопасности, обеспечивающим
искробезопасность входных цепей и устанавливаемым вне
взрывоопасной зоны. Искробезопасность входных и выходных
цепей обеспечивается барьерами искробезопасности серии РИФ–
38
А5 ПГ «Метран», которые разработаны для использования
совместно с системами управления технологическими процессами
и состоит из набора компактных модулей барьеров
искробезопасности, предназначенных для обработки и
согласования входных и выходных сигналов технологической
установки. Сигнал с интеллектуального датчика Метран 281-Ехia
(поз. 0-1) через барьер искробезопасности РИФ–А5 (поз.0-2)
подается в контроллер, где он регистрируется.
Это значение сравнивается с заранее заданным значением
100°С и при наличии рассогласования система APACS
вырабатывает управляющее воздействие на регулирующий клапан
КМР–П–101–НЖ–32–4,0 (поз.0-5) через барьер искробезопасности
РИФ–А5 (поз.0-3) и через электропневматический позиционер
Sipart PS2 (поз. 0-4) до тех пор, пока величина рассогласования не
станет равной нулю. В итоге температура целевого продукта в
точке А будет поддерживаться на значении 100°С.
Здесь изображена типовая схема автоматического регулирования
в ее классическом понимании. В дальнейшем будет использоваться
более простая матрица (рекомендуемая для студенческих
проектов), хотя наличие барьеров искробезопасности, блоков
питания несомненно подразумевается.
Спецификация к рис. 19 [7]:
6-1. Интеллектуальный преобразователь температуры Метран-281-
Exia. Выходной сигнал (4-20)mA/HART, НСХ K, диапазон
измеряемых температур (-50 ÷ +300)
0
C. Доп. погр. анал. сигн. 1 ºC,
цифр. сигн. 0,5 °C.
6-2. Регулирующий клапан с пневмоприводом АТА – 7. Камфлекс,
серия 35-30232 4700Е (8013) Нормально открытый, D
= 100 мм.
у
Максимальный перепад давления: 0,6 МПа. Вход 4-20 mA. Класс
проточки ANSI: VI
Комплект поставки: электропневматический позиционер с двумя
манометрами. Исполнение по взрывозащите ExiaIICT4 .
Контроллер APACS+ (подсистема РСУ).
Контроллер QUADLOG (подсистема ПАЗ).
Температура целевого продукта на выходе из теплообменника Т1
поддерживается на уровне 100
0
С изменением подачи хладагента [4].
39
Рис.18. САР температуры целевого продукта на выходе из
теплообменника
40