АСУ ТП очистки сточных вод

АСУ ТП очистки  сточных вод

Раздел 1. Общий

1.1  Введение

1.2  Характеристика проектируемого  объекта

Раздел 2. Специальный

2.1  Описание объекта автоматизации

2.2  Назначение и функции системы

2.3  Описание структурной схемы АСУ ТП

2.4  Комплекс технических средств верхнего уровня АСУ

2.5  Комплекс технических средств среднего уровня АСУ

2.6  Комплекс технических средств нижнего уровня АСУ

2.7  Функционирование системы АСУ ТП

Раздел 3. Экономический

3.1  Расчет затрат на приобретение средств автоматизации

3.2  Определение транспортных расходов и суммы амортизационных отчислений

Раздел 4. Охрана труда и промышленная безопасность

4.1. Анализ условий труда, опасных и вредных производственных факторов

4.2  Выбор и обоснование мероприятий для создания безопасных условий труда

4.3  Противопожарная защита

Раздел 5. Экология и охрана природных ресурсов

5.1  Охрана окружающей  среды

Раздел 6. Специальный  вопрос

6.1 Заземление в системах промышленной автоматизации

Графическая часть:

Лист 1.  Структурная схема АСУ ТП

Лист 2.   Структурная схема локального контроллера

Лист 3.   Заземление в промышленной автоматизации.

Система «плавающая земля»

1.1  Введение

 

Проблема сохранения водоисточников и водообеспечения  стала одной из самых насущных экологических задач. Система хозяйствования в нашей стране не способствовала развитию работ в области очистки промышленных стоков, поэтому водоемы страны постепенно насыщались всеми видами загрязнений. Более того, мелкомасштабные объекты вообще не имели очистных сооружений. В результате отходы отравляют не только поверхностные, но и подземные воды, и поэтому проблема обеспечения населения водой, пригодной для потребления, встала во всех регионах страны.

В технологических процессах  многих промышленных предприятий используется значительное количество воды, которая забирается из естественных водоемов. Отработанная вода содержит большое количество химических веществ, взвешенных частиц, и имеет повышенную кислотность. Такая вода не пригодна для использования человеком и требует очистки.

Без внедрения АСУ ТП комплекс очистных сооружений не автоматизирован, то есть управление всеми агрегатами комплекса осуществлялось вручную. При этом дозировка различных реагентов несбалансированна, что приводит к необоснованным материальным затратам вследствие неизбежных передозировок.

Автоматизация производства на основе микроэлектронной техники  для развития и совершенствования, существующих и создающихся технологических производств, является одним из важных направлений производства.

При автоматизации человек  освобождается от непосредственного участия в производстве, а функции управления производственным процессом передаются автоматическим устройствам.

Основной, определяющей целью управления оборудованием, технологическими и производственными процессами с помощью АСУ ТП является повышение производительности труда, улучшение качества продукции и использования материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

Автоматизация параметров дает значительные преимущества:

• обеспечивает уменьшение численности рабочего персонала, т.е. повышение производительности его труда,
• приводит к изменению характера труда обслуживающего персонала,
• увеличивает точность поддержания параметров технологического процесса
• повышает безопасность труда и надежность работы оборудования,
• увеличивает экономичность работы прдприятия

В итоге автоматизации значительно облегчится труд обслуживающего персонала. Оператор после автоматизации может, находясь у щита следить за всеми протекающими  процессами. А также может контролировать процессы регулирования и по мере необходимости вносить необходимые воздействия.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка автоматизированной системы управления комплексом сооружений предназначенных для очистки сточных вод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Характеристика проектируемого объекта

 

По заданию необходимо было разработать проект автоматизации  системы управления комплексом очистных сооружений.

Была разработана структурная  схема системы автоматизации  и произведен выбор оборудования.

В качестве технической  базы спроектированной системы автоматизации был предложен регулирующий микропроцессорный контроллер MicroPC фирмы Octagon Systems. Преимуществом модернизированной системы является более точная реализация процесса регулирования, основанная на цифровой обработке информации.

Использование ПЭВМ со SCADA-пакетом TRACE MODE даёт большие возможности для представления информации человеку. В результате настройки системы производится включение и отключение преобразователей, раздача заданий в преобразователи, получение значений от преобразователей, прием данных, и вывод данных на дисплей компьютера

Результат применения  предлагаемой АСУ ТП состоит в стабилизации параметров технологического процесса, за счёт увеличения объёма и качества обработки информации, позволяющей технологическому персоналу принимать своевременные и оптимальные решения при внештатных ситуациях. Весь технологический процесс постоянно контролируется. При любых отклонениях в технологии или ошибках в работе оборудования система управления пытается самостоятельно решить возникшую проблему, и только после нескольких неудачных попыток выдает сообщение об ошибке оператору.

Внедрение АСУ ТП привело  к улучшению следующих технико-экономических показателей работы очистных сооружений:

• уменьшению расхода реагентов при условии выполнения регламентных требований по качеству очистки и нейтрализации промышленных стоков;
• сокращению энергозатрат на единицу объема очищаемых и нейтрализуемых промышленных стоков;
• увеличению срока заполнения отстойных емкостей осаждаемыми илами за счет оптимизации процесса нейтрализации кислых стоков «известковым молоком»;
• повышению надежности работы комплекса очистных сооружений за счет централизации контроля и улучшения оперативности управления.

За счет внедрения  автоматизации уменьшилась численность рабочего персонала, в результате чего повысилась экономия заработной платы; увеличился коэффициент использования мощности; повысилась надежность работы оборудования; уменьшились сроки окупаемости капитальных затрат.

Таким образом, мероприятия  по внедрению автоматизации комплекса по очистке сточных вод способствуют интенсификации производства, дают существенный экономический эффект.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Описание объекта автоматизации

 

Объектом автоматизации  является комплекс очистных сооружений, включающий:

• систему открытых лотков для подачи промышленных стоков на площадку очистных сооружений. Объем поступающих промстоков колеблется в пределах 150-1200 м³/час;
• систему лотков с запорными ручными органами, обеспечивающих распределение промышленных стоков по усредняющим емкостям;
• узел нейтрализации, в состав которого входят система ввода и предварительной обработки усредненных промстоков;
• система распределения реагентов по точкам подачи;
• нейтрализатор — емкость, в которой обеспечивается перемешивание сжатым воздухом усредненных промстоков с подаваемыми реагентами и происходит реакция нейтрализации;
• система пробоотбора;
• разгрузочный колодец;
• насосную станцию для откачки нейтрализованных промстоков в пруд-отстойник;
• систему приготовления и дозирования реагентов. Технологическое оборудование этой системы размещается в общем строительном объеме насосной станции для откачки нейтрализованных стоков;
• пруды-отстойники, в которых происходит осветление нейтрализованных промстоков;
• насосную станцию сброса очищенных и нейтрализованных стоков из прудов-отстойников;
• насосные дренажные станции, обеспечивающие откачку дренажных вод с площадки размещения очистных сооружений;
• насосную станцию при пруде-отстойнике;
• систему трубопроводного транспорта перекачки промстоков;
• системы водо- и теплоснабжения.

В ходе исследования объекта  автоматизации были выявлены следующие особенности, оказавшие влияние на выбор технических средств:

• распределённость объекта на значительной территории;
• неоднородность объекта, то есть объект состоит из большого числа агрегатов, требующих различных алгоритмов управления;
• объект можно отнести к типичным объектам автоматизации, так как он содержит аналоговые и дискретные сигналы;
• все оборудование комплекса очистных сооружений управляется дискретными сигналами.

В ходе реализации задачи была создана система автоматизированного управления комплексом очистных сооружений, получившая название АСУ ТП сточных вод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Назначение и функции системы

 

АСУ ТП очистки сточных вод предназначается для реализации функций оперативного контроля, учета, анализа и управления объектами очистных сооружений титаномагниевого комбината. Она обеспечивает автоматизированный и автоматический режимы работы оборудования, участвующего в технологической схеме очистки промышленных стоков предприятия, улучшает информационное обеспечение руководящего и оперативного персонала.

• Автоматизированная система выполняет следующие функции: автоматическое поддержание постоянного расхода промышленных стоков на выходе усреднителей;
• автоматическое регулирование величины рН промышленных стоков изменением количества извести, подаваемой для нейтрализации стоков;
• автоматическое поддержание постоянного расхода кислых промышленных стоков, поступающих на разбавление «известкового молока»;
• автоматическое управление системой дозирования раствора сульфида натрия;
• программное управление аппаратами подготовки реагентов (Na2S, ПАА);
• дистанционное программное управление насосами подачи реагентов на разбавление;
• дистанционное программное управление насосами раздачи реагентов;
• дистанционное программное управление насосами откачки стоков;
• автоматическое программное управление клапанами.

Кроме этого, АСУ ТП обеспечивает выполнение следующих комплексов задач.

1. Формирование текущих и сменных значений показателей производства:

• сбор и первичная обработка текущих значений контролируемых показателей;
• ввод информации от датчиков;
• обработка сигналов;
• сведение всей поступившей и обработанной информации в единый интегрированный массив.

2. Оперативно-диспетчерский контроль производства:

• контроль расхода сырьевых ресурсов за прошедшую смену;
• контроль расхода сырьевых ресурсов за прошедшие сутки;
• контроль состояния запасов материальных ресурсов на начало текущей смены;
• контроль использования основного технологического оборудования за прошедшие сутки.

3. Ведение базы данных:

• ведение интегрированного массива показателей производства;
• ведение справочников пределов изменений значений контролируемых параметров и отклонений сменных показателей производства;
• ведение справочника расчета аналитических показателей производства.

4. Формирование отчетных документов:

• формирование сменного, суточного и месячного рапортов и выдачу их на принтер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Описание структурной схемы АСУ ТП

 

АСУ ТП сточных вод выполнена в виде трехуровневой распределенной модульной системы с жестким распределением выполняемых функций по уровням:

• уровень отображения информации, контроля и архивирования;
• уровень управления;
• уровень устройств связи с объектом (УСО).

Структурная схема системы  приведена на листе 1графической части проекта.

Уровень отображения информации, контроля и архивирования включает в себя пульт оператора и автоматизированное рабочее место АРМ.

Пульт оператора (ПО) обеспечивает выполнение следующих функций:

• отображение и контроль текущего состояния технологического процесса;
• задание параметров управления технологическим процессом и передача их на уровень управления;
• предупредительная и аварийная сигнализация;
• прием и отображение результатов экспресс-анализа от АРМ «Лаборатория»;
• регистрация и формирование отчетных документов;
• архивирование и просмотр архивных трендов.

Автоматизированное рабочее  место (АРМ) обеспечивает ввод и передачу на пульт оператора результатов экспресс-анализа промышленных стоков.

Уровень управления выполняет функции сбора и обработки данных с уровня УСО и управления технологическим процессом. Реализация функций управления осуществляется автономно, то есть без участия уровня отображения информации.

Уровень устройств связи  с объектом (уровень УСО) предназначается для сопряжения уровня управления с датчиками и исполнительными устройствами объектов.

Каждый из уровней соединен с  другим уровнем информационными  связями согласно иерархической  структуре. Это означает, что верхний  уровень может получить информацию от нижнего уровня только через средний и наоборот. Таким образом, достигается функциональная законченность уровней автоматизации, возможность их автономного функционирования снизу вверх. Пульт оператора и АРМ предусматривают возможность связи с другими АСУ и более высокими уровнями иерархии общезаводской АСУП при дальнейшем развитии.

Пульт оператора, АРМ и локальный  контроллер связаны посредством  одноранговой локальной вычислительной сети Ethernet. Связь «уровень управления — уровень УСО» осуществляется посредством интерфейса RS-485. В качестве сетевой операционной системы выбрана Personal NetWare, так как в этом случае проще осуществить переход на более крупную сеть с выделенным сервером на основе сетевой операционной системы Novell NetWare v3.12 или выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Комплекс  технических средств верхнего уровня АСУ

 

Автоматизированное рабочее  место (АРМ) и пульт оператора функционируют на базе IBM PC совместимых компьютеров под управлением операционной системы MSDOS v6.22 и сетевой операционной системы Personal NetWare.

Компьютерные  системы управления позволяют объединить все основные компоненты систем автоматизации (визуализация, логическое управление, управление движением, распределенный ввод-вывод, интеграция в мир IT-технологий и т.д.) на единой платформе – платформе промышленного компьютера.

Задачи промышленной автоматизации  предъявляют различные требования к применяемым персональным компьютерам  – высокая производительность, круглосуточная эксплуатация в условиях высокой  температуры, влажности, вибрации, загрязненности окружающей среды.

Рабочая станция представляет собой  надежный, высокопроизводительный промышленный персональный компьютер с отличным дисплеем. Такой компьютер можно  индивидуально настраивать. Любые  дополнительные требования заказчика, такие как внешний дизайн или расширение аппаратуры, можно реализовывать для каждого проекта.

Система автоматизации технологическим процессом очистки сточных вод в результате использования рабочих станций на основе промышленных компьютеров имеет следующие особенности:

• Минимизация остановок благодаря стабильности системы
• Гарантированная непрерывная работа 24 часа в сутки
• Эффективная самодиагностика
• Решения для сохранения данных (профилактическое сохранение данных)
• Удобная для обслуживания конструкция оборудования (для изменения конфигурации и сервиса)
• Совместимость с требованиями промышленности

В составе автоматизированного  рабочего места (АРМ) используется программное обеспечение, разработанное в системе программирования Borland Pascal (Turbo Pascal) v7.0 с применением объектно-ориентированной библиотеки создания пользовательских интерфейсов Turbo Vision v2.0.

Программные средства, обеспечивающие реализацию пульта оператора, должны отвечать более жестким требованиям, так как пульт оператора участвует в управлении технологическим процессом, реализуя верхний уровень в иерархии управления. Пакет Trace Mode v4.2x отвечает этим требованиям и может использоваться в качестве универсального программного обеспечения для реализации верхних уровней современных информационно-управляющих систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Комплекс  технических средств среднего уровня АСУ

 

Для реализации уровня управления необходимо использовать надежный промышленный контроллер, способный работать в сложных условиях окружающей среды. Все функции автоматического управления сосредоточены на этом уровне, поэтому надежность данного уровня представляется достаточно важной.

Так как архитектура PC является стандартом в промышленности, для более эффективной реализации многоуровневой системы, представляющей собой взаимосвязь различных компонентов, необходимо применять, по возможности, IBM PC совместимое оборудование как наиболее распространенное в настоящее время. Использование IBM PC совместимой платформы предоставляет возможности по применению огромного разнообразия существующего в настоящее время аппаратного обеспечения, а так же широкого спектра готового программного обеспечения и средств его разработки. Перечисленным требованиям отвечает серия промышленных контроллеров MicroPC фирмы Octagon Systems. Структурная схема локального контроллера показана на листе 2 графической части проекта.

Контроллер MicroPC имеет  встроенную операционную систему DOS 6.22, а в качестве системы реального времени управления технологическим процессом используется монитор реального времени — Микро МРВ, входящий в состав пакета Trace Mode.

Процессорные платы  формата MicroPC предназначенны для применения в расширенном температурном  диапазоне ( -40С…+80С ), имеют небольшие  габариты, возможность подключения  широкого спектра периферийных устройств, наличие до 3 последовательных портов, паралельный порт, порты аналогового и дискретного ввода-вывода. Все платы питаются напряжением одного номинала +5В. Среднее время безотказной работы до 25 лет.

 

2.6 Комплекс  технических средств нижнего уровня АСУ

 

В качестве модулей устройств  связи с объектом в системе используются модули серии ADAM4000 фирмы Advantech.

Модули сери ADAM-4000 являются малогабаритными многофункциональными интеллектуальными устройствами связи с объектом, специально разработанные для применения в промышленных условиях. Встроенный микропроцессор обеспечивает независимое от управляющей системы выполнение функций гальванически изолированного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов с последующей нормализацией, фильтрацией, преобразованием в форму, пригодную для передачи по последовательному каналу связи, а также обеспечивает информационный обмен с ведущим узлом сети передачи данных на базе интерфейса RS-485.

Для поддержки уровня УСО со стороны уровня управления разработан драйвер, обеспечивающий взаимодействие Микро МРВ с модулями ADAM.

Исходя из набора входных  и выходных сигналов объекта автоматизации, используются три типа модулей УСО:

• ADAM4052 — 8-канальный дискретный ввод (7 шт.);
• ADAM4017 — 8-канальный аналоговый ввод (7 шт.);
• ADAM4050— 7-канальный дискретный ввод и 8-канальный дискретный вывод (9 шт.).

Характеристики используемых модулей ADAM:

ADAM-4017 Модуль аналогового ввода на 8 каналов

16-разрядный АЦП

6 дифференциальных и  2 однополюсных канала

Программная настройка для работы с мВ, В или мА

Гальваническая изоляция 500 В

 

ADAM-4052 Модуль цифрового ввода-вывода с гальванической развязкой

6 полностью изолированных  цифровых входов

2 изолированных входа  с общей землей

Входное напряжение от 0 до 30 В

Гальваническая изоляция 5000 В

 

ADAM-4050 Модуль цифрового ввода-вывода

7 цифровых входов

Входное напряжение от 0 до 30 В

8 выходов типа «открытый коллектор»

Предусмотрена возможность работы с электронными реле

 

Использование интерфейса RS485 позволяет минимизировать количество физических линий связи при построении системы. RS-485 – полудуплексный многоточечный последовательный интерфейс передачи данных. Передача данных осуществляется по одной паре проводников с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений, этот стандарт стал основой для создания целого семейства полевых шин широко используемых в промышленной автоматизации.

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Процедуры совместного использования линии передачи требуют применения определённого метода управления направлением потока данных.

Основные особенности  данного интерфейса:

1. Стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики, физический уровень (среду), но не программную платформу.
2. Стандарт RS-485 не оговаривает:

• возможность объединения несимметричных и симметричных цепей,

• параметры качества сигнала, уровень искажений (%),
• методы доступа к линии связи,
• протокол обмена,
• аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель),
• типы соединителей, разъёмов, колодок, нумерацию контактов,
• качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск),
• отражённость, уровень сигнала (reflect).

Электрические и временные  характеристики интерфейса RS-485

• 32 приёмопередатчика при многоточечной конфигурации сети (на одном сегменте, максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети: 1200 метров).
• Только один передатчик активный.
• Максимальное количество узлов в сети — 250 с учётом магистральных усилителей.
• Характеристика скорость обмена/длина линии связи (зависимость экспоненциальная):
• 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара)
• 375 кбит/с 300 м (одна витая пара)
• 500 кбит/с
• 1000 кбит/с
• 2400 кбит/с 100 м (две витых пары)
• 10000 кбит/с 10 м

Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с  рекомендуется использовать экранированные витые пары.

 

 

 

 

 

2.7 Функционирование системы АСУ ТП

 

В процессе функционирования системы участвует оператор. Для удобства восприятия информация о технологическом процессе представлена графически. Поскольку этой информации много, используется деление ее на логически законченные части (кадры), которые соответствуют определенным участкам технологического процесса. При этом целостность восприятия не теряется.

Условно все кадры  можно разделить на две группы: основные и служебные.

Основные кадры соответствуют  участкам технологического процесса и  содержат условное представление оборудования, относящегося к данному участку, а также значения необходимых  параметров. Такие кадры содержат средства визуализации процесса функционирования оборудования системы, посредством которых любое изменение состояния оборудования отображается на экране. Например, работа насоса отображается вращением лопастей насоса (мультипликация на основе последовательности графических примитивов), движение воды в трубопроводе индицируется бегущей дорожкой, состояние клапанов (открыто/закрыто) отображается изменением их цвета и т.д.

Оператор большую часть  времени в процессе функционирования системы взаимодействует именно с этими кадрами, примеры которых приведены на рис. 5, 6, 7.

Служебные кадры предназначаются для размещения дополнительной информации о состоянии технологического оборудования, а также для просмотра отчетных документов.

К служебным также  отнесен кадр задания параметров (коэффициентов) регулирования, так как эти параметры не требуют частого изменения. Имеется кадр, где сведены аварийные сообщения по работе насосов в составе аппаратов приготовления реагентов. Один из служебных кадров («Выбор варианта дозирования») предназначен для выбора оптимального варианта дозирования реагентов на основании концентрации загрязняющих веществ в стоках. Эта информация поступает из лаборатории экспресс-анализа как результат работы АРМ. На кадре в виде рекомендации оператору представляется оптимальный вариант дозирования реагентов.

К кадрам, предназначенным  для просмотра отчетных документов, относятся кадры просмотра отчета тревог, кадры просмотра рапортов (сменного, суточного и месячного), а также кадры просмотра архивных трендов.

Сменный рапорт формируется  оператором в начале смены за предыдущую смену. Формирование заключается в записи рапорта на диск в файл и распечатке его на принтере. Суточный рапорт формируется оператором в начале первой смены за прошедшие сутки. При этом создаются файл с суточным рапортом и строка в месячном рапорте, соответствующая прошедшим суткам.