Разработка программного обеспечения для оптимального функционирования модернизированной автоматизированной системы управления технол

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированная  система управления технологическим  процессом (АСУ ТП) — комплекс программных  и технических средств, предназначенный  для автоматизации управления технологическим  оборудованием на предприятиях. АСУТП поднимает качество производства, благодаря комплексной автоматизации производственных процессов производительность повышается за счет того, что получение и использование данных в целях управления и контроля осуществляется автоматически. Таким образом, автоматизация технологических процессов позволяет добиться существенного увеличения выпуска продукции, снизить ее себестоимость и при этом добиться повышения её качества. [1]

В данном дипломном проекте предлагается разработка программного обеспечения  для оптимального функционирования модернизированной автоматизированной системы управления технологическим  процессом  разделения воздуха на установке А6-1, предназначенной для  получения чистого газообразного  и жидкого азота. Данная задача предполагает выбор управляющего устройства на базе контроллера, а так же выбор среды  программирования и создание алгоритма  работы системы.

Все составные  элементы модернизированной системы  имеют улучшенные показатели,  такие  как:

1. Точность.
2. Надежность.
3. Быстродействие.
4. Безопасность.
5. Совместимость с контроллером.

Модернизация АСУТП приведёт к таким желаемым эффектам как:

• Стабилизация эксплуатационных показателей технологического оборудования и режимных параметров технологического процесса;
• Увеличение выхода товарной продукции;
• Уменьшение материальных и энергетических затрат;
• Улучшение качественных показателей конечной продукции;
• Предотвращение аварийных ситуаций, благодаря системе противоаварийной защиты (СПАЗ) , включающей вычислительные логические устройства, датчики и исполнительные элементы.
• Увеличение таких показателей АСУТП, как надёжность, точность, быстродействие

Таким образом  из этого следует, что данный дипломный  проект актуален.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1 Технологический процесс

Установка разделения воздуха А6-1 предназначена  для получения чистого газообразного  и жидкого азота. В качестве побочного  продукта на установке возможно получение  технического газообразного кислорода.

Основным  способом промышленного производства азота и кислорода  является получение  их из атмосферного воздуха.

Состав  воздуха приведён в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Состав воздуха

Кроме элементов, приведённых в таблице 1.1, в воздухе содержатся примеси, количество которых изменяется в зависимости от наличия в месте забора источников, выделяющих продукты загрязняющие атмосферу.

К таким  примесям относятся  пыль и водяной  пар. В небольших и переменных количествах в воздухе содержатся  различные углеводороды, окись углерода, закись азота и другие газы, содержащиеся в природных месторождениях или  в промышленных выбросах.

Принцип работы  установки разделения воздуха  заключается в следующем.

Разделение  воздуха на азот и кислород ведётся  в жидком состоянии, пользуясь разностью  температур сжижения основных её составных  частей: кислорода –  -183 ^оС  и азота –  -196 ^оС.

Для сжижения атмосферного воздуха нужны очень низкие ( минус192 ¸минус 194 ^оС) температуры. Получить эти температуры можно, пользуясь способностью сжатого воздуха охлаждаться при расширении в определённых условиях.

Если  сжатый воздух пропустить через расширительный (дроссельный) вентиль, либо расширить  его в расширительной машине –  детандере, то воздух при расширении охлаждается.

Эффект  дросселирования и детандирования воздуха различны. При расширении одного и того же количества воздуха  при одинаковых начальных  давлении и температуре  при детандировании  получают большее количество холода, чем при дросселировании. В большинстве  воздухоразделительных установок  одновременно применяют дросселирование  и детандирование воздуха.

Установлено, что, в среднем, при снижении давления сжатого воздуха на 0,1 МПа при  дросселировании - его температура  понижается на 1\4 ^оС, а при снижении давления сжатого воздуха на 0,1 МПа  при детандировании – его температура понижается  на 3\4 ^оС.

В крупных  воздухоразделительных установках  низкого давления, где воздух сжимается  только до 0,8 МПа, чтобы достичь температуры  достаточной  для его сжижения, воздух предварительно охлаждают в  теплообменном аппарате – регенераторе.

 Регенераторы  заполнены теплоёмкой насадкой  из дроблённого камня. По насадке  сначала идёт холодный поток  продуктов разделения воздуха,  охлаждающий насадку; затем сжатый  воздух, который отдаёт своё тепло  и охлаждается.  Такой теплообмен  называется регенеративным.

Таким образом, для получения низких температур  в системе воздухоразделительной  установки должны быть:

• машина для сжатия воздуха – турбокомпрессор;
• устройство для расширения воздуха – дроссель и детандер;
• аппарат для предварительного охлаждения сжатого воздуха – регенератор.

Однако, сначала надо подготовить атмосферный воздух к сжижению, превратить его в сырьё для получения продуктов разделения. Для этого воздух необходимо очистить от примесей:

• от механических примесей – в фильтрах;
• от паров воды и двуокиси углерода – вымораживанием в регенераторах;
• от ацетилена и других взрывоопасных углеводородов – в адсорберах газовых или жидкостных.

Для разделения жидкого воздуха на азот и кислород необходим процесс ректификации, который осуществляется в специальных  аппаратах – ректификационных  колоннах и протекает в два  этапа:

• Первый этап – предварительное  разделение воздуха в основной колонне.  В результате предварительного разделения воздуха:  в основной колонне получают обогащённую, до 34 %об., кислородом  жидкость и чистый газообразный азот. Обогащённая жидкость собирается в нижней части основной колонны – испарителе или кубе, поэтому она называется кубовой жидкостью.
• Второй этап –  разделение кубовой жидкости, для получения из неё чистого  кислорода и отбросного газа – происходит в колонне технического кислорода.

Для осуществления  процесса ректификации необходимо, чтобы  в каждой из ректификационных колонн снизу вверх поднимался поток  газа, а сверху вниз сливался поток  жидкости. Многократная встреча этих двух потоков на тарелках ректификационных колонн и происходящие при этом процессы тепло- и массообмена приводят к  разделению воздуха.

Таким образом,  любая воздухоразделительная установка,  обеспечивая взрывобезопасность процесса разделения воздуха, может быть условно  разделена на следующие узлы:

• предварительной подготовки воздуха;
• теплообмена;
• холодопроизводительности;
• ректификации;
• выдачи продуктов разделения.

1.2 Техническая характеристика установки разделения воздуха

Техническая характеристика установки разделения воздуха представлена в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Техническая характеристика установки разделения воздуха

Воздухоразделительный блок А-6 представляет собой установку  низкого давления с регенераторами с базальтовой насадкой, работающими  по схеме воздушной тепловой петли, с использованием турбодетандера на потоке обогащённого воздуха промежуточного давления.

1.3 Описание технологической схемы

Воздух  из турбокомпрессора в количестве 14400 м³\час проходит систему газоводяного охлаждения (тех. № …79) и под давлением не выше 0,8 МПа, с температурой 20 ^оС поступает в регенераторы  (тех. №…1, …2, …3, …4) установки разделения воздуха А6-1 (тех. № 6-1).

Поток воздуха, поступающего на разделение,  проходит  по насадке регенераторов сверху – вниз. Этот поток называется - прямой поток, или прямое дутьё в регенераторах.

В регенераторах  поступающий воздух охлаждается  до температуры насыщения и одновременно очищается от влаги, двуокиси углерода и частично от углеводородов, которые  вымерзают на каменной насадке.

Потоки:

• отбросного газа, содержанием кислорода  34%;
• чистого азота, содержанием кислорода 0,0005 %;
• технического кислорода, содержанием кислорода 99,5 %;
• сухого воздуха, используемого на нужды КИП при необходимости,
• проходят по насадке регенераторов по направлению снизу – вверх. Эти потоки  называются обратными потокам или обратное дутьё в регенераторах.

Потоки  чистого азота, кислорода и сухого воздуха проходят во встроенных змеевиках  регенераторов постоянно и непрерывно при работающей установке.

Направления  прямого потока поступающего воздуха  и обратного потока отбросного газа, проходящие по базальтовой насадке, меняются в регенераторах согласно цикловой диаграммы переключения регенераторов.

Чистый  газообразный азот из основной колонны (тех. № …43) поступает   в межтрубное пространство основного конденсатора (тех. № …50), где азот конденсируется и стекает в сборник-распределитель азота (тех. №…20).

Из сборника-распределителя жидкий азот подаётся на орошение основной колонны. Часть жидкого азота (116,5 кг/час) из сборника распределителя через  вентиль Р-30 поступает в систему  хранения и газификации жидкого  азота. Небольшое количество жидкого  азота через вентиль Р-23 из сборника – распределителя подаётся на охлаждение рубашки трубопровода подачи жидкого кислорода на всас плунжерного насоса (тех. №…38).

Не сконденсировавшаяся  часть чистого азота из основного  конденсатора направляется в подогреватель  чистого азота (тех. №….58), а затем  в регенераторы, для осуществлении  циркуляции кубовой жидкости в контуре  основного конденсатора использован  газлифт, имеющий место при подаче газообразного воздуха в форсунку (тех. №…19).

Кубовая жидкость из основного конденсатора поступает в циркуляционные адсорберы (тех. №…21,…22), очищается в них  от углеводородов и возвращается в отделитель пара (тех. №…76).

Часть кубовой  жидкости после адсорберов может  поступать на дальнейшее разделение в колонну технического кислорода (тех. №…45), если КТК включена в работу.

Конденсатор колонны технического кислорода  змеевикового типа (тех. №…55): в трубном  пространстве конденсируется азот, отбираемый из основной колонны, а в межтрубном пространстве испаряется кислород. Жидкий кислород из конденсатора колонны технического кислорода поступает в поршневой  насос (тех.№…38)  и через змеевики регенераторов выдаётся потребителю  под давлением не выше 22,0 МПа.

1.4 Назначение основного оборудования и принцип его работы

1.  Регенераторы  РЗ-18(тех.№ …1,…2,…3,…4)

Для охлаждения и одновременного вымораживания  из большего количества воздуха влаги  и двуокиси углерода применяются  регенераторы, т. к. они при сравнительно малом объёме характеризуются большой поверхностью теплообмена и низким гидравлическим сопротивлением и эффективно очищают воздух от влаги и двуокиси углерода.

Основной  частью регенераторов является каменная насадка из дроблённого базальта большой теплоёмкости с развитой поверхностью теплообмена. Базальт  заполняет весь объём регенератора не занятого змеевиками для выхода чистого азота, технического кислорода  и сухого воздуха.

1.  Колонна основная   МР- 12 ¤ 53 (тех.№…43)

Основной  поток воздуха, охлаждённый в  регенераторах до температуры, близкой  к температуре конденсации воздуха  при давлении в основной колонне, поступает в парожидкостном состоянии  под нижнюю тарелку основной колонны. Часть воздуха, отобранного после  регенераторов и переохлажденного в теплообменниках чистого азота  и отбросного газа в жидком состоянии  поступает в нижнюю часть основной колонны.

2. Конденсатор основной  КВ-465/16  (тех.№…50)

Конденсатор – теплообменный аппарат, предназначенный  для конденсации одного продукта (азота) за счёт испарения другого (кубовой  жидкости) путём теплообмена между  ними с целью создания флегмы и  газового потока, необходимых для  организации процесса ректификации.   

Газообразный  поток кубовой жидкости из конденсатора поступает через детандерный  теплообменник на турбодетандер, а  часть жидкости из конденсатора отбирается для получения продукционного кислорода  в КТК. 

4. Колонна технического кислорода МК-4/20 (тех.№…45)

Вертикальный цилиндрический аппарат из алюминия с тарелками  ситчатого типа.

Кубовая жидкость, обогащенная в конденсаторе до 34% О₂ через дроссельный пневматический клапан Р-13 поступает на верхнюю тарелку колонны. Стекая по тарелкам сверху вниз испаряет азот встречным потоком газообразного потока от конденсатора колонны технического кислорода и насоса жидкого кислорода.

1. Конденсатор   КМ-14,7\4 (тех. № …55)

Конденсатор колонны технического кислорода - вертикальный, кожухотрубный аппарат змеевикового типа из алюминия. В змеевиках конденсатора КТК проходит азот газообразный чистотой 0,0005 % О₂ и давлением основной колонны.

1.  Теплообменник  ТВА – 36/6  (тех. № 58)

Вертикальный  витой кожухотрубный аппарат  из алюминия. Предназначен для подогрева  азота, поступающего на холодные концы  регенераторов. Подогрев обратного  потока (азота) в теплообменнике перед  регенераторами позволяет уменьшить  среднюю разность температур на холодном конце регенераторов.

2.  Теплообменник  ТВА-90/8  (тех. № 60)

Вертикальный  витой кожухотрубный аппарат  из алюминия. Предназначен для подогрева  отбросного газа, поступающего на холодные концы регенераторов. Подогрев обратного  потока (отбросного газа) в теплообменнике перед регенераторами позволяет  уменьшить среднюю разность температур на холодном конце регенераторов.

3.  Теплообменник   ТВА-24/7 (тех. №61)

Вертикальный  витой кожухотрубный аппарат  из алюминия. Предназначен для охлаждения ² петлевого потока²  до температуры, близкой к температуре конденсации воздуха при данном давлении, встречным потоком отбросного газа, поступающим из конденсатора основного в турбодетандер.

4.  Насос сжиженного газа 2 НСГ-0,063\20 (тех.№…38)

Насос сжиженного газа 2НСГ-0,063\20 в составе установки  разделения воздуха применяется  для перекачивания сжиженного переохлаждённого кислорода, полученного при разделении воздуха,  как побочного продукта потребителям.

Насос представляет собой поршневую одноцилиндровую  машину с бесступенчатым регулированием производительности при остановленном  электродвигателе насоса.

2 АНАЛИЗ МОДЕРНИЗИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ

В модернизируемой  системе управления технологическим  процессом блока разделения воздуха  используется бесконтактная станция  управления АСТРА-221. Данная станция  является основным элементом системы  управления регенераторами воздухоразделительных  установок типа А-6-1.

Она предназначена  для реализации алгоритма управления температурным режимом регенераторов  и управления клапанами, переключающими потоки по насадкам регенераторов в  соответствии с цикловой диаграммой.  АСТРА-221 – это автомат стабилизации температурного режима аппаратов, поддерживающая 2 группы регенераторов.

Электропитание  станции осуществляется от двух независимых  источников переменного напряжения 350/220В, частоты 50 Гц. Мощность потребляемая по каждому вводу 300Вт. Станция нормально  функционирует в диапазоне температур окружающей среды плюс 1 – плюс 35 ˚С. Элементной базой станции являются транзисторные элементы серии «Логика-Т».

Станция построена по принципу 100% горячего резервирования и состоит из 3-х  частей, конструктивно выполненных  в 2-х шкафах типовой конструкции. Станция имеет три режима работы: «АО»,  «Авт.», «АР».

«АО» - управление регенераторами от автомата основного.

«АР» - управление регенераторами от автомата резервного.

«Авт.» - управление регенераторами от автомата основного с автоматическим включением резервного по сигналу отказа основного  автомата (основной режим работы).

Таким образом  существующая система представляет собой систему автоматического  управления технологическим процессом, построенную на транзисторных элементах, с резервированием. Данная система  используется с момента запуска  БРВ и уже выработала свой ресурс. Так же она морально устарела и не способна поддерживать современные типы датчиков, а так же не отвечает современным промышленным требованиям к подобным системам.

3 ТЕХНИЧЕСКОЕ  ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ СИСТЕМЫ  КОНТРОЛЯ, УПРАВЛЕНИЯ И ПАЗ УСТАНОВКИ  РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА А-6-1.

В соответствии с применением  при разработке проектной документации на модернизацию объекта:«ОАО «Нафтан» завод «Полимир». Цех №009. Программная  часть системы контроля, управления и ПАЗ установки разделения воздуха А-6-1.»

Место установки системы: помещение операторной  корп. 487.

Разработчик проектной документации: Писаренко А.В.

Подлежит разработке: программная часть системы контроля, управления и ПАЗ установки разделения воздуха А-6-1.

.

1. Общие требования

Согласно настоящему заданию  подлежит модернизации программная  часть системы контроля, управления и ПАЗ установки разделения воздуха.

1. Заказчик

Юридический адрес: Завод  «Полимир» «ОАО «Нафтан», Республика Беларусь г. Новополоцк.

Почтовый адрес: 211440, Новополоцк. Республика Беларусь.

2. Площадка  установки системы

Блок разделения воздуха  А-6-1 цеха №009.

3. Обоснование разработки

• Окончание срока службы аппаратной части системы;

• Оптимизация программного обеспечения.

4. Назначение  программной  части системы

• Сбор данных с точек контроля установки разделения воздуха и воздействие на технологический процесс с помощью микропроцессорноного контроллера по средствам структурированного алгоритма;
• Анализ и обработка полученных данных по заданным алгоритмам;
• Автоматический контроль и предотвращение аварийных ситуаций на технологическом объекте;
• Реализация управляющих воздействий на исполнительные механизмы для поддержания технологического режима.

5. Порядок обработки и передачи информации

Информация о технологическом  процессе от смонтированных на установке  датчиков поступает на контроллер, расположенный в помещении операторной  корп. 487.

Программа функционирования автоматизированного рабочего места (рабочей станции) должна обеспечивать:

• прием информации от контроллера;
• отображение информации о технологическом объекте в виде мнемосхемы и таблицы параметров с указанием значений параметров;
• архивирование информации в виде секундных и минутных трендов;
• защиту системы от ложных действий оператора;
• защиту ссистемы от несанкционированного доступа;
• сохранность информации по авариям.

2. Исходные данные

1. Параметры электроэнергии на площадке