Литературный обзор современных средств и систем

1 Литературный обзор современных средств и систем 

Один из мировых лидеров  в области автоматизации производства – фирма Honeywell – хорошо известна в России. На многих предприятиях ряда отраслей работают выпускаемые фирмой средства и системы: TPS, TDC 2000, TDC 3000, Total Plant Alcont, PlantScape, интеллектуальные приборы различного назначения.

Автоматическая система управления технологическим процессом блоков печей конверсии, поташной очистки, блока получения синтез - газа и технического водорода так же реализована на базе системы Experion PKS фирмы Honeywell, работающей в операционной среде WINDOWS 2000, и контроллера HPM.

1. Общие свойства системы

Ниже отмечены основные особенности  системы, характеризующие свойства системы Experion PKS.

- широкая масштабируемость, достигаемая использованием специальной архитектуры распределенной системы, при которой несколько отдельных систем Experion PKS работают как единый комплекс, обеспечивая прямой доступ от любой рабочей станции к любому контроллеру и к историческим данным любой системы;

- объединение всех данных различных средств системы в единой базе данных, что позволяет иметь одноразовый ввод информации из любого средства и многократное использование ее разными пользовате лями на различных уровнях управления;

- непосредственная доступность всей информации, вырабатываемой системой, через средства Интернет/Интранет, поскольку построение всех программных средств верхнего уровня системы базируется на запатентованной фирмой технологии HMIWeb, реализующей человеко-машинный интерфейс (HMI) с форматированием данных (их гипертекстовой разметкой) на языке XML;

-  экономное функционирование сетей благодаря принятому способу передачи сигналов от любых средств нижнего уровня (датчиков и контроллеров): сигналы передаются только тогда, когда происходят изменения их значений. Это существенно снижает загрузку сетей и повышает быстродействие системы;

- всесторонняя открытость системы, которая обеспечивается использованием промышленного интерфейса ОРС (ОРС-клиента и ОРС-сервера); типовой связью с реляционными СУБД – язык SQL и драйвер ODBC, всеми типовыми программными интерфейсами и стандартами сборки программ фирмы Microsoft, включая COM/DCOM, OLE, ActiveX

- наследование линии предыдущих систем автоматизации фирмы Honeywell и реализация непосредственной связи и интеграции с существующими на предприятиях системами, комплексами, контроллерами производства фирмы Honeywell.

Рисунок 1 – Архитектура  системы Experion PKS

2. Сетевая структура системы

Система имеет 3 сетевых уровня, каждый из которых может быть реализован разными вариантами типовых сетей.

На верхнем информационном уровне, формирующем связи рабочих станций друг с другом, с серверами, с корпоративной сетью предприятия, используется типовая сеть Ethernet в двух вариантах:

- нерезервированная сеть Ethernet/Fast Ethernet: скорость передачи данных – 10/100 Мбит/с, максимальная длина сегмента сети – 1 км, число сегментов – 6 (5 повторителей), число узлов на сети – 12;

- fault Tolerant Ethernet (отказоустойчивый Ethernet) – лицензированная разработка фирмы Honeywell, объединяющая в себе достоинства широко распространенной недорогой информационной сети Ethernet и живучесть промышленных сетей. Она построена на резервированных кабелях и обеспечивает множественные связи между узлами сети (до 4-х портов сети на каждом узле), что приводит к сохранению связей при единичных сбоях в сети и даже при многих множественных сбоях.

В качестве отдельных узлов сети могут применяться и узлы обычной сети Ethernet. Любые локальные неисправности сети обнаруживаются за время порядка 1 с и в подавляющем большинстве случаев компенсируются передачей информации через другой путь по имеющимся множественнымсвязям. Скорость сети – 100 и 1000 Мбит/с, а другие характеристики сети идентичны типовой сети Ethernet.

В качестве промышленных сетей, соединяющих контроллеры друг с другом, с серверами и/или рабочими станциями, могут использоваться Ethernet, Fault, Tolerant Ethernet, ControlNet.

Сеть ControlNet имеет следующие  характеристики: скорость передачи данных – 5 Мбит/с, максимальная длина сегмента сети – 1 км, число сегментов – 6 (5 повторителей), поддерживает одиночную и резервированную среды, число узлов на сети – 32.

К одному серверу через  любую промышленную сеть может быть подключено до 10 нерезервированных или резервированных контроллеров.

В качестве полевых сетей, соединяющих контроллер с удаленными каркасами модулей ввода/вывода и с интеллектуальными приборами, предусмотрено использование любого из широко распространенных цифровых протоколов данного уровня: Foundation Fieldbus, Profibus DP, HART- протокол, а  также  указанной выше сети ControlNet.

3. Технические средства нижнего уровня

 Основным  контроллером  системы  Experion PKS  является контроллер С200, который поддерживает работу в резервированной  и  нерезервируемой  конфигурации.  По быстродействию контроллер может быть сконфигурирован для работы в одной из двух модификаций, характеризуемой  базовым  временем  обработки  одного  функционального модуля за 5 или 50  мс.  Контроллер  имеет память для программ пользователя 4 Мбайта. Модули  ввода/вывода  контроллера  являются  интеллектуальными:  установленный  в  них  процессор  управляет  опросом  датчиков,  выполняет  преобразование измеряемой величины в цифровую форму, производит заданные математические и логические действия. Модули ввода/вывода располагаются в том же каркасе, что и в контроллере, или выносятся в отдельных каркасах непосредственно в цеха и соединяются с ним через полевую сеть  ControlNet  с  использованием  оптоволоконных  технологий.  Возможно  резервирование  модулей  ввода/вывода.  Максимальное  число  модулей  ввода/вывода на один контроллер – 64. Существуют различные модификации  модулей  ввода/вывода:  исполнение  в  каркас, взрывобезопасное  исполнение  модулей  ввода/вывода, экономичное исполнение блоков.

Ниже  даны  параметры  различных  серий  модулей ввода/вывода:

- модули  аналоговых  входов  на  8,  16  каналов  с параметрами  0-5  В,  4-20  мА,  разрядностью  14  бит, точностью 0,075 %;

- модули входов милливольтных сигналов, термопар и термосопротивлений на 16, 32 (мультиплексор) канала, разрядностью 15 бит;

- модули аналоговых  выходов  на  8,  16  каналов  с параметрами 4-20 мА;

- модули дискретных входов на 32 канала;

- модули дискретных выходов на 16, 32 канала;

- релейные выходы на 265 В и 2,5 А.

Большинство  модулей  ввода/вывода  имеет  гальваническую развязку.

Кроме указанного основного контроллера, в системе могут использоваться полностью интегрированные в нее контроллеры PLC-5 и LС 5550 семейства AllenBradley, выпускаемые фирмой Rockwell Automation.

Для  создания  систем  противоаварийной  защиты используется  специальный  контроллер  противоаварийной  защиты  фирмы  Honeywell  Fail  Safe  Controller (FSC),  имеющий центральный  процессор  с  четырехкратным  резервированием. 

4. Технические средства верхнего уровня

В  системе  Experion  PKS  возможны  несколько типов рабочих станций (Рисунок 2). Рабочая  станция  типа  Flex  обладает  наибольшими возможностями.  Она  в  качестве  клиента  может  быть подсоединена к серверу Experion PKS различными способами: через сеть Ethernet, через Интернет, через радио-связь. Станция  типа  Flex  либо  непрерывно  соединена  с сервером  (когда  используется  оператором  автоматизируемого процесса), либо подключается к нему в отдельные периоды по желанию пользователя (когда используется  инженерным  персоналом предприятия).  Все  механизмы безопасности  и  авторизации подключения  сохраняются  вне зависимости  от  способа  ее  соединения.

Рабочая  станция  типа Console  имеет одно  важное отличие:  доступ  к контроллерам  осуществляется  непосредственно,  а  не  через  сервер,  с использованием  сети  Fault Tolerant  Ethernet.  Использование  станций  этого  типа  целесообразно  при  автоматизации быстрых непрерывных процессов, требующих постоянного внимания оператора.

Рисунок 2 – Внешний вид  рабочей станции в системе Experion  PKS

Рабочая  станция  типа Console  Extension  является расширением  станции  Console и  подключается  непосредственно  к  ней,  как  к  серверу, через  сеть  Fault  Tolerant Ethernet.

Рисунок 3 – Мобильные  рабочие станции беспроводной связи Mobil PKS

Кроме  того,  в  системе Experion  PKS  могут использоваться  мобильные  рабочие станции беспроводной связи Mobil PKS (Рисунок 3).

1.5 Программное обеспечение

Программное  обеспечение  системы  Experion  PKS охватывает различные стороны контроля, управления, диагностики,  анализа,  документирования  и  усовершенствованного  управления  и  содержит  ряд  оригинальных алгоритмов, базирующихся на изучении конкретных свойств автоматизируемого объекта. Программная  среда  контроля  и  управления  CEE (Control Execution Environment) Общая  программная среда CEE  выполнения  алгоритмов контроля и управления охватывает 3 технических средства:

- контроллер  С200,  реализующий типовые функции контроля и управления нижнего уровня;

- сервер Experion PKS, реализующий более сложные и объемные (супервизорные) прикладные задачи управления, выходом которых являются воздействия на уставки контуров управления нижнего уровня или непосредственные команды исполнительным механизмам;

- персональный  компьютер,  реализующий  моделирование работы контроллера и сервера (без подключения к компьютеру последних), необходимое для проверки и отладки  разработанного  прикладного  программного обеспечения  контроля  и  управления  и  для  обучения  и тренажа операторов. Имитация самого автоматизируемого процесса (если требуется) производится специальным программным пакетом Shadow Plant Honeywell. При отладке  ПО  компьютер,  реализующий  моделирование, подключается  к  действующей  системе  Experion  PKS  и считывает данные с работающего в ней контроллера (естественно, без управляющих воздействий).

Связь любого пользователя с любой рабочей станцией  на  производстве  (доступ  к  мнемосхемам,  трендам, сообщениям,  протоколам)  производится  (в  отличие  от других  систем)  по  Web-технологии  с  использованием языка форматирования документов XML, что облегчает интегрирование  технологических  и  экономических  данных и сокращает время доступа пользователей к оперативной производственной информации.

Рассмотренные  выше  основные  особенности  системы  Experion  PKS  выявляют  ее  отличия  от  существующих распределенных  систем  управления  и  позволяют  отметить  те  черты,  которые  характеризуют  ее как систему нового поколения:

- архитектура  и  характеристики  системы  Experion PKS  специально  разработаны на  полную  открытость  и возможную непосредственную интеграцию со средствами  и  системами  автоматизации  производства  других производителей,  с  ERP-системами,  с отдельными  программными  пакетами  управления  бизнес-процессов;  в системе отсутствуют какие-либо свойства замкнутости;

- значительно  расширены  функции  системы;  она стала охватывать гораздо полнее функции автоматизации  технологического  объекта  и  добавила  к  ним  выполнение функций автоматизации обслуживания оборудования объекта;

- доступ  к  любой  информации,  вырабатываемой системой,  благодаря  использованию  в  системе  Web - технологии  стал  непосредственно  доступен  не  только работающему с ней оператору, но и каждому сотруднику предприятия, авторизированному на получение этой информации независимо от места его нахождения;

- функции контроля  и определения нештатных ситуаций  значительно  расширились  и  углубились  за счет использования в них знаний операторов и технологов, работающих с автоматизированным объектом;

- качественно  изменилось  понятие  “регулирование  процесса”;  вместо  повсеместного,  независимо  от  свойств объекта,  применения  ПИД  регулятора  предлагается  набор совершенных алгоритмов регулирования  и оптимизации, базирующихся на автоматической оценке свойств данного конкретного процесса. Их применение расширяет  область  автоматического  управления  и  приводит  к резкому  повышению  технической  и  экономической  эффективности работы автоматизированного объекта.

2 Характеристика производственного объекта

2.1 Общая характеристика производства водорода и синтез - газа

Производство предназначено  для получения смеси оксида углерода и водорода (далее именуемого синтез-газ) и технического водорода, которые используются в производстве бутиловых спиртов. Избыток технического водорода используется на других производствах ОАО «Газпром нефтехим Салават».

Основными процессами в производстве водорода и синтез - газа являются пароуглекислотная конверсия природного газа в трубчатых печах, очистка газов конверсии (в дальнейшем называемых конвертированным газом) от двуокиси углерода горячим поташным раствором, разделение конвертированного газа на синтез-газ и водород методом мембранной технологии.

2.2 Физико - химические основы технологического процесса

Процесс получения технического водорода и синтез - газа является непрерывным и состоит из следующих стадий:

- компримирование природного  газа и углекислого газа;

- предварительный подогрев  и очистка природного газа  от сернистых соединений;

- пароуглекислотная конверсия  природного газа в трубчатых  печах под давлением не более  17 кгс/см²;

- очистка конвертированного  газа от СО₂ горячим раствором поташа с добавкой диэтаноламина;

- компримирование очищенного  конвертированного газа,

- разделение конвертированного  газа на синтез-газ и водородсодержащий  газ (ВСГ) методом мембранной  технологии;

- получение технического  водорода из ВСГ методом метанирования;

- компримирование синтез-газа  до 305 кгс/см²;

- компримирование технического  водорода до 305 кгс/см²;

- компримирование двуокиси  углерода после поташной очистки             до 19 кгс/см² и подача его в природный газ перед печами;

- утилизация тепла потоков  конвертированного и дымового  газов.

Основным процессом производства водорода и синтез - газа является каталитическая конверсия природного газа с водяным паром и с двуокисью углерода, протекающая под давлением не более 17 кгс/см² в трубчатых печах с подводом тепла через стенки труб.

Сырье, поступающее в  трубчатую печь, должно содержать  не более  
1 мг/м³ сероводорода из - за опасности отравления никеля в катализаторе конверсии, поэтому требуется предварительная сероочистка природного газа.

Содержание непредельных углеводородов в сырье не должно превышать 2,0% об. и лимитируется соотношением скоростей гидрирования непредельных углеводородов и образования  кокса.

Количество тяжелых углеводородов (выше С₅) тоже должно быть ограничено – не более 1,0% об.

Сероочистка сырья включает в себя два этапа. Сначала происходит гидрирование сероорганических соединений и непредельных углеводородов на алюмокобальтмолибденовом катализаторе:

СS₂ + 4H₂ ® 2H₂S + CH₄

Затем на цинковом поглотителе  происходит поглощение содержащегося  в сырье и образовавшегося  при гидрировании сероводорода:

H₂S + ZnO ® ZnS + H₂O

Процесс сероочистки осуществляется при температуре не более 400 ⁰С и давлении не более 17 кгс/см², поэтому предварительно природный газ сжимается и подогревается на блоке компримирования природного газа. Для осуществления процесса гидрирования перед сероочисткой в сырье добавляется технический водород.

На стадии пароуглекислотной  конверсии природного газа идут следующие основные реакции (в расчете на метан):

CH₄ + H₂O Û CO + 3H₂               - 49,3 ккал/моль                                       (1)

CH₄ + CO₂ Û 2CO + 2H₂             - 62,0 ккал/моль                                       (2)

CH₄ + 2H₂O Û CO₂ + 4H₂            - 9,8 ккал/моль                                         (3)

Соотношение объемов на конверсию:

природный газ: СО₂: Н₂О = 1 : (0,3 – 1,1) : (2,4 – 3,5). Реакция протекает на никелевом катализаторе.

Необходимый для компенсации  эндотермичности процесса подвод тепла  осуществляется за счет сгорания топливного газа, в котором содержание сернистых соединений тоже должно быть регламентировано (не выше 150 мг/нм³).

Проведение реакции (2) увеличивает  количество СО в конвертированном газе. Однако, количество СО₂ для реакции (2) ограничено рециркуляцией поглощенной углекислоты, выделенной при регенерации поташного раствора.

Очистка конвертированного  газа от СО₂ горячим раствором поташа осуществляется по реакции:

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O Û 2KHCO₃                                                                    (4)

Принятая двухступенчатая  схема поташной очистки позволяет  осуществить более полную очистку газа от СО₂, так как газ после предварительной очистки в нижней части абсорбера проходит тонкую очистку в верхней части абсорбера, которая орошается раствором с более низкой температурой.

При регенерации раствора путем снижения давления с 11,7 кгс/см² до атмосферного давления реакция (4) протекает справа налево, подвод тепла регенерации производится за счет конденсации водяного пара, содержащегося в конвертированном газе, и не требует дополнительного пара. Так как температуры абсорбции и регенерации близки между собой, уменьшается общий расход тепла на регенерацию и значительно уменьшается количество теплообменной аппаратуры, что является одним из преимуществ процесса.

Более полная глубина очистки  газа от СО₂ достигается за счет добавки к раствору поташа диэтаноламина.

Добавка пятиокиси ванадия  снижает коррозийную активность раствора.

В процессе эксплуатации поташной очистки следует опасаться снижения температуры раствора ниже +50 ⁰С, что ведет к кристаллизации поташа и забивке аппаратуры и трубопроводов. Эта температура зависит от степени насыщения раствора КНСО₃.

Процесс получения синтез-газа и водорода основывается на мембранной технологии.

В мембранной технологии используется принцип, называемый селективной пермеацией, которая происходит в полупроницаемых полимерных мембранах. В дальнейшем водородсодержащий газ поступает на метанацию.

Целью метанации является удаление остаточных количеств оксидов  углерода из потока водородосодержащего газа, выходящего из мембранного отделения.

Реакция метанации ускоряется с помощью никелевого катализатора и выглядит следующим образом:

CO + 3H₂ ® CH₄ + Н₂О + тепло

CO₂ + 4H₂ ® CH₄ + 2H₂O + тепло

Обе реакции являются экзотермичными и протекают с выделением тепла.

3.  Описание технологической схемы и технологического процесса блока поташной очистки конвертированного газа

В состав блока поташной очистки конвертированного газа входят колонна очистки конвертированного газа от СО₂ К - 100, регенератор поташного раствора К - 101, ребойлер регенератора, Т - 103/1,2, теплообменник газа перед колонной К - 100 Т - 103/1,2,3, холодильник очищенного газа после К - 100  
Х - 106/1,2,3,  Воздушный холодильник - конденсатор кислых газов  
ХВ - 106/1,2,3,  теплообменник регенеративного поташного раствора  
Т - 208/1,2, испаритель Е - 100/1,2, сепаратор конвертированного газа Е - 101, сепаратор газа после очистки СО₂ Е - 102, сепартор кислых газов Е - 103, сепаратор свежего поташного раствора  Е – 104, емкость для слива поташного раствора с подогревателем Е - 104 А, сборник конденсата Е - 106, дренажная емкость поташного раствора Е - 107, фильтр конденсата Ф -1, сетчатый фильтр для раствора поташа Ф - А, фильтр сетчатый Ф - В, фильтр механический для циркулирующего раствора поташа Ф - Г, насос центробежный для подачи грубогенерированного поташного раствора в К - 101 Н -101/1,2,3, насос для откачки конденсата газов в К - 101 Н - 102/1,2, насос циркуляционный для приготовления раствора поташа Н -103, насос центробежный для подачи тонкогенерированного поташного раствора в К - 100 Н - 105/1,2,3, насос для подачи конденсата  Н - 106, насос – дозатор для подачи ПМС Н - 107/1,2, теплообменник отопительной воды Т -1а,б.

Испарители Е - 100/1,2 предназначены для охлаждения конвертированного газа до 145 ¸ 160 ⁰С и увеличения содержания водяного пара в газе до 1 нм³ пара/1 нм³ газа. Насос Н - 106/1,2 служат для подачи водяного конденсата, выделенный из конвертированного газа в сепараторе Е - 101 для охлаждения конвертированного газа в испарителе Е - 100/1,2. Емкость Е - 306 является сборником конденсированной воды. Колонна К - 100 служит для очистки конвертированного газа от СО₂.

Регенератора К-101 предназначен для регенерации поташного раствора, поступающего с колонны К - 100. Ребойлер Т - 103/1,2 регенератора К - 101 предназначен для взаимного теплообмена конвертированного газа и поташного раствора. Теплообменники Т - 104/1,2,3  служат  для охлаждения конвертированного газа на выходе из  Т-103/1,2. Сепаратор Е-101 служит для отделение влаги, сконденсированной при охлаждении конвертированного газа в ребойлерах Т-103/1,2 и в теплообменниках Т - 104/1,2,3. Сборник конденсата Е - 106 служит для накопления сконденсированной жидкости из сепаратора Е - 101. Холодильник Х - 105/1,2 предназначен для охлаждения очищенного газа после К - 100. Холодильник Х - 106/1,2,3, а также воздушный холодильник-конденсатор ХВ - 100/1-3 предназначен для охлаждения углекислого газа с колонны К - 101. Теплообменник регенерированного поташного раствора  
Т-208/1,2 предназначен для охлаждения тонгенерированного раствора оборотной водой. Сепаратор газа после очистки от СО₂ Е - 102, сепаратор кислых газов Е-103 предназначены для отделения от газа конденсата. Емкость Е - 104 предназначен для подготовки свежего поташного раствора. Емкость Е - 106 сборник конденсата. Е - 107 дренажная емкость поташного раствора.  
Фильтры Ф-А, Ф - Б предназначены для фильтрации раствора поташа и углекислого газа соответсвенно. Центробежный  насос Н - 105/1-3 предназначен для подачи тонкорегенерированного раствора поташа в К - 100. Центробежный насос Н - 104/1,2 служит для подачи оборотной воды на кольца орошения колонн К - 100, К - 101, насос Н - 103 – для приготовления раствора поташа. Насос  
Н - 102/1,2 предназначен для откачки конденсата кислых газов из К - 101. Насос центробежный Н-101/1-3 служит для подачи груборегенерированного раствора поташа в К - 100. Насос Н - 107/1,2 предназначен для подачи ПМС. Е - 1,2,3  факельные емкости.

  2.4 Нормы технологического режима

    Таблица 2– Нормы технологического режима блока поташной очистки конвертированного газа

3  Описание системы регулирования и управления

Автоматическая система  управления технологическим процессом  блоков печей конверсии, поташной очистки, блока получения синтез - газа и  технического водорода методом мембранной технологии реализована на базе системы Experion PKS фирмы Honeywell, работающей в операционной среде  
WINDOWS 2000, и контроллера HPM. Выполняет следующие функции.

- измерение, контроль  и отображение значений технологических  параметров и состояния  технологического оборудования на пульте оператора (мониторе) системы;