Система автоматического контроля и управления турбиной нагнетателя ГПА-16 на базе микроконтроллера SLC 5/04 американской фирмы ROCKWELL AUTOMATION.

ВВЕДЕНИЕ

Предприятия газовой промышленности относятся к классу объектов с  повышенной техногенной опасностью, поэтому важнейшим требованием  к системам автоматизации является повышенная надежность (здесь недопустимы  даже мелкие аварии из-за возможного значительного экологического и материального ущерба). На выполнение этого требования ориентируются при выборе программно-аппаратных средств, используемых на всех уровнях автоматизации.

Объектом исследования в данной курсовой работе является турбина нагнетателя газоперекачивающего агрегата (ГПА), который является неотъемлемой частью компрессорной станции (КС). При движении газа по газопроводу часть его энергии расходуется на преодоление сил трения, в результате скорость газа в трубопроводе уменьшается, происходит падение давления по всей длине и это вызывает снижение пропускной способности газопровода. Для восстановления прежних параметров газа необходимо периодически, через определенные расстояния, сообщать соответствующее количество энергии транспортируемому газу. Этот процесс подвода энергии выполняется в специальных сооружениях газопровода, называемых компрессорными станциями (КС).

Важную роль в функционировании КС играют информационно-измерительные системы, так как успешный процесс транспортирования газа трубопроводным транспортом зависит от строгого контроля и поддержания в заданном режиме таких параметров как давление, температура, расход, а также и от контроля качества выходного продукта. Поддержание с заданной точностью на заданном уровне параметров быстротекущих технологических процессов при ручном управлении оказывается невозможным. Поэтому технологический процесс, отвечающий современным требованиям немыслим без оснащения технологических установок соответствующими системами автоматического управления.

Система автоматизации предназначена для централизованного контроля, защиты и управления оборудованием.  Система автоматизации должна обеспечивать автономное поддержание заданного режима работы и его изменение.

Объектом исследования является турбина нагнетателя ГПА-16.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Придание перекачиваемому по трубопроводу продукту дополнительной кинетической энергии происходит по следующей  схеме. Газ от узла подключения станции к газопроводу поступает на вход КС и проходит на установку очистки газа, где очищается от механических примесей в пылеуловителях. Затем основная часть очищенного газа направляется в компрессорный цех для компримирования, а другая, меньшая – отбирается на установку подготовки газа. После сжатия в компрессорном цехе газ подаётся на установку охлаждения, затем через узел подключения КС к газопроводу возвращается в магистраль.

 Кинетическая энергия турбины низкого давления передаётся силовой турбине нагнетателя (ТН) природного газа RF-2BB-30, используемого для компримирования природного газа. Вращательный момент, созданный силовой турбиной, передается на вал компрессора (нагнетателя), на котором закреплены рабочие колеса. Газ поступает через циклонный пылеуловитель (скруббер) на вход нагнетателя, частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается  от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетической энергии в потенциальную. После прохождения через компрессор газ может быть направлен при помощи переключения клапанов в коллектор нагнетателя, коллектор рециркуляции или выбрасывается в атмосферу в зависимости  от величины расхода и режима, в котором работает агрегат. К примеру, при малом значении расхода для предотвращения помпажа – разрушительного для агрегата явления,  часть газа с выхода нагнетателя может подаваться  на его вход через систему рециркуляции, работа которой определяется антипомпажным клапаном. Техническая характеристика нагнетателя представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики нагнетателя

  Компрессор установлен на плите основания, на которой расположены также насосы уплотняющего масла, дренажные ловушки и щит с манометрами и выключателями. Из отдельно расположенной установки для подачи масла, на силовую турбину подаётся смазочное масло, а так же смазочное и уплотнительное масло подаётся на компрессор.

2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТН

2.1 Описание функциональной схемы автоматизации

Одним из требований к современным системам автоматического  управления и регулирования является возможность сосредоточения всех функций, связанных с управлением технологическим процессом, в одной точке – диспетчерском пункте, с которого дежурный оператор имеет возможность дистанционно контролировать состояние всех технологических параметров ГПА.

Для предотвращения помпажа – процесса, ведущего к разрушению рабочих органов нагнетателя и возникающего при работе нагнетателя в условиях низкого расхода, система автоматизации включает в себя контур антипомпажного регулирования (контур управления рециркуляцией). При уменьшении расхода, соответствующего определенному перепаду давления на конфузоре нагнетателя, до заданного минимального значении, определяемого техническими характеристиками компрессора, антипомпажный клапан по команде антипомпажного регулятора переходит в определенное состояние  для отбора  из трубопровода, по которому газ поступает к коллектору нагнетателя, необходимого для устойчивой работы компрессора количества газа.

В случае аварийной  ситуации Системой предусмотрен автоматический переход к двум типам останова: нормальный и аварийный. В первом случае производится автоматическое приведение исполнительных механизмов в положение, упрощающее техническое обслуживание узлов и агрегатов, во втором в зависимости от аварийной ситуации узлы и агрегаты приводится в состояние, призванное снизить ущерб от нештатной ситуации.

2.2 Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня

Правильный подбор измерительных  приборов имеет огромное значение, так как именно достоверность источника информации во многом определяет успех в выполнении поставленных задач. Отечественными и зарубежными производителями выпускается множество различных марок датчиков с различными характеристиками, предоставляя разработчику свободу выбора и возможность адекватного подбора комплектующих с необходимыми техническими характеристиками.

2.2.1 Датчики для измерения давления

Датчик перепада давления Yokogawa EJX130A с капсулой Н предназначен для измерения расхода (при диафрагменном методе измерения), для измерения уровня и плотности гидростатическим методом при высоком статическом давлении. Благодаря функции измерения рабочего давления одновременно может работать также как сигнализатор давления. Характеристики приведены в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1 – Технические характеристики EJX130A с капсулой Н

2.2.2 Датчик контроля вибрации

Таблица 2.2 – Технические характеристики приборов контроля вибрации [1].

3 ВЫБОР ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА

 В области автоматизации за последнее десятилетие произошли революционные изменения. Особенно это касается России. Надо сразу же отметить, что отечественные программно-технические комплексы и прикладное программное обеспечение сейчас являются вполне конкурентоспособными на российском рынке средств и систем управления, но по техническим характеристикам всё же уступают зарубежным аналогам. Существенным критерием отбора была область применения рассматриваемых технических средств - автоматизация технологических процессов добычи, подготовки, транспорта, хранения и переработки нефти и газа. Специфика таких объектов хорошо известна, и далеко не любые комплексы контроллеров могут быть при этом использованы. Чтобы правильно подобрать ПЛК для своего курсового проекта, я произведу сравнительную характеристику между ПЛК малого типа отечественного производителя и зарубежного.

3.1 Сравнительный анализ ПЛК

Компания Allen-Bradley Rockwell Automation существует уже более 90 лет. Она проектирует, производит и поддерживает широкий диапазон продуктов автоматизации во всем мире. Производимые компанией продукты включают в себя логические контроллеры, устройства питания, интерфейсы оператора, датчики и программное обеспечение.

Компания предлагает несколько семейств контроллеров: микроконтроллеры MicroLogix 1000, MicroLogix 1200, MicroLogix 1500, малые логические контроллеры SLC (Small Logic Controller),  контроллеры ControlLogix, программируемые логические контроллеры семейства PLC и другие.

Для разработки моего курсового проекта вполне подойдет малый логический контроллер SLC 500.

Семейство SLC 500 – семейство малых программируемых контроллеров, построенное на двух аппаратных модификациях:

- фиксированные  контроллеры с опцией расширения  при помощи двухслотного шасси;

-  модульные  контроллеры с количеством точек  ввода/вывода до 960.

Фиксированные контроллеры SLC 500 – серия контроллеров с широкими сетевыми возможностями, обеспечивающая до 104 вводов/выводов. Фиксированные SLC 500 включают центральный процессор  с возможностью подключения к  сети DH-485, встроенный источник питания и определенное количество каналов ввода/вывода.

 Существует 24 конфигурации контроллеров, отличающиеся  количеством вводов/выводов (20, 30, 40), уровнем сигналов и источниками  питания. 

Конфигурация на 20 точек (11 моделей) обеспечивает 12 DI (120, 240 VAC и 24 VDC) и 8 DO (реле, ключ, транзистор).

Конфигурация на 30 точек (6 моделей) обеспечивает 18 DI и 12 DO.

Конфигурация  на 40 точек (7 моделей) обеспечивает 24 DI и 16 DO.

Шасси расширения на 2 слота обеспечивает подключение 64 дополнительных вводов/выводов.

Модульные контроллеры  серии SLC 500 предлагают дополнительную гибкость конфигурирования системы, более  мощные процессоры и большую емкость  ввода/вывода.

Выбирая соответствующие  шасси, источники питания, процессоры, дискретные или специальные модули ввода/вывода, можно создать систему управления для различных применений. Имеется четыре типа процессоров:

Контроллеры семейства SLC имеют 4 различных размера шасси: на 4, 7, 10, 13 слотов [9].

 Контроллеры  фирмы ЭМИКОН

Контроллер представляет собой изделие, комплектуемое проектным путем из компоновочных изделий и модулей:

1. Блок системный

каркас компоновочный (6 типов);

модуль центрального процессорного устройства (2 типа - СPU-03A, 

     СPU-03В);

модуль питания (2 типа- PU-01A, PU-01В).

2. Панель оператора UniOP фирмы EXOR.

3. Блок питания  SU.

4. Модули связи  с объектом (до 12 модулей на контроллер).

5. Шкаф (3 типа)

6. Панель кроссовая  CR в зависимости от типоразмера  контроллера:

- клемма (до 600);

- шина DIN 35 (до 3,5 м).

Контроллеры в зависимости от своей  конфигурации могут быть отнесены к  контроллерам как малого (до 64 входов/выходов), так и среднего (до 480 входов/выходов) класса. При объединении нескольких контроллеров в локальную сеть можно  обеспечить любое требуемое количество входов/выходов.

Конструктивно контролеры состоят  из блока вычислительного и блока  кроссового, соединенных между собой кабелями.

В двухкорпусном варианте каждый блок имеет собственный кожух, в однокорпусном  варианте вычислительный и кроссовый  блоки расположены в общем защитном кожухе.

Двухкорпусное исполнение необходимо использовать в тех случаях, когда  контроллеры непосредственно устанавливаются в производственных помещениях, где возможно воздействие пыли или влаги как при эксплуатации, так и при проведении ремонтных или профилактических работ.

В помещениях с нормальными условиями  эксплуатации целесообразно использовать более дешевый однокорпусной  вариант исполнения.

В состав вычислительного блока  входят:

корпус с оребренными стенками, выполненными из алюминиевого

    профиля (только для  двухкорпусного исполнения);

каркас с платой кроссовой;

модуль центральный;

модуль питания.

В вычислительный блок устанавливаются  модули связи с объектом. В модулях  применены электронные элементы с малым потреблением энергии, что исключает необходимость в принудительной вентиляции.

Все модули вычислительного блока  выполнены на печатных платах размером 260 х 100 мм с двумя разъемами, одним  системным и одним для подключения  сигналов объекта. Модули имеют кодовую  планку, обеспечивающую защиту от неправильной установки их в каркас.

В состав кроссового блока входят:

шкаф, выполненный из стального  листа (кроме исполнения IP-20);

панель кроссовая с клеммными  соединителями;

блок питания нестабилизированный, обеспечивающий питание +24В, панель монтажная для размещения дополнительных устройств пользователя [9].

Таблица 3.1- Сравнительная характеристика контроллеров

Контроллеры SLC наряду с локальным  вводом/выводом поддерживают расширение ввода/вывода (до 3 шасси SLC 500 может быть соединено вместе с помощью специального кабеля).  Процессоры SLC 5/03 и SLC 5/04 могут полностью поддерживать 30 модулей ввода/вывода (30х32=960 I/O).

Таким образом, проведя сравнительную  характеристику контроллеров отечественного производства фирмы Эмикон, и зарубежного производителя Allen Bradley, мы делаем вывод, что семейство контроллеров SLC 500 имеет достаточное быстродействие в условиях производственного процесса и предлагает нам дополнительную гибкость конфигурирования системы, более мощные процессоры и большую емкость ввода/вывода.

Сравнивая вышеперечисленные контроллеры  можно прийти к выводу, что Allen Bradley лучше, так как он превосходит  своего Российского конкурента.  SLC 500 – самый популярный контроллер для средних систем, имеют несколько вариантов процессоров с различными интерфейсами (DH-485, DH+, EtherNet) и объемом памяти, несложное программирования с помощью пакета RSLogix 500 Standard, расширенная система команд, значительное количество вариантов модулей ввода/вывода, позволяющих покрыть практически любые потребности, сетевые возможности и удаленный доступ.

3.2 Выбор конфигурации контроллера

Семейство SLC-500 работает с модулями ввода-вывода на платформе 1746, разработанными для оснащения системы управления модулями с минимальными требованиями к занимаемому пространству и стоимости. Модули предлагаются в различных модификациях как по количеству сигналов – 4, 8, 16, 32 точек, так и по качеству – постоянного тока, переменного тока, ТТЛ.

Семейство SLC 500 предлагает 6 различных модулей аналогового ввода/вывода, в том числе:

модули аналогового ввода NI4;

комбинированные модули аналогового  ввода/вывода NIO4I, NIO4V;

модули ввода сигналов с термопар / мВ NT4;

модули ввода сигналов с термометров  сопротивлений NR4.

В данном проекте были использованы следующие модули:

1) 1746-NI8– модуль ввода аналоговых входов (для получения информации с датчиков);

2) 1746-I*8 – модуль дискретных входов (для открытия/закрытия задвижек, включения сигнализации);

3) 1746-O*8 – модуль дискретных выходов (для открытия/закрытия задвижек, включения сигнализации, отключения двигателя).

4) 1746-NO4I – модуль ввода аналоговых выходов;

Для установки модулей выбрано  7-слотовое шасси:

0) процессор SLC 5/04

1) 1746-NI8

2) 1746-I*8

3) 1746-O*8

4) 1746-NO4I

В 0 слоте находится модуль процессора SLC 5/04.

Во втором слоте расположен модуль аналоговых входных сигналов 1746-NI8 [4]. Его характеристики приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Характеристики модуля 1746-NI8

Для модуля 1746-NI8 требуется дополнительная инициализация. Данный модуль предназначен для приема аналоговых сигналов в диапазоне 4-20 mA и выраженных в единицах масштабированных для ПИД – регулирования в диапазоне 0-16383.

В первом слоте расположен модуль дискретных входных сигналов         1746-I*8 [6]. Его характеристики приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Характеристики модуля 1746-I*8

В третьем слоте расположен модуль дискретных выходных сигналов         1746-O*8 [6]. Его характеристики приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Характеристики модуля 1746-O*8

В четвертом слоте расположен модуль аналоговых выходных сигналов         1746-NO4I [4]. Его характеристики приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Характеристики модуля 1746-NO4I

Для того чтобы выбрать источник питания необходимо произвести расчет энергопотребления контроллера. Расчет энергопотребления приведен в       таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Конфигурация контроллера и энергопотребления

*Максимально потребляемый ток (А) для 5В, для 24В

4 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

 Блок-схема алгоритма программы  управления представлена в приложении Б.

Алгоритм контроля и управления турбины нагнетателя представляет собой информационный процесс, включающий в себя проектирование, сбор, упорядочение, обработку данных и формирование управляющего воздействия по результатам обработки. Главной целью реализации алгоритма управления является поддержание непрерывного режима работы объекта и выявление аварийных ситуаций.

Последовательность действий программы, отображаемая алгоритмом, начинается с инициализации контроллера  и интерфейсных плат.

Далее начинается опрос  сигнализаторов, при приходе сигналов с которых  происходит аварийное отключение нагнетателя, авария регистрируется в базе данных контроллера. Кроме этого сигналы приходят с аналоговых датчиков  уровня, давления. По давлению разработана подпрограмма контура регулирования.

Подпрограмма ПИД-регулирования давления предназначена для поддержания заданных значений давления в нагнетателе. Предварительно считываются и масштабируются сигналы аналогового датчика.

ПИД-инструкция управляет процессом, посылая сигналы на исполнительный механизм. Полученное значение уровня сравнивается с уставками регулятора. Если масштабированное значение показаний датчика положения регулирующего органа больше допустимого, то к DО поступает сигнал на закрытие. Если же масштабированное значение показаний датчика меньше уставки, то поступает сигнал на открытие DО. Сигналы на открытие или на закрытие включается только на одно сканирование программы.

Cогласно разработанного алгоритма управления составлена программа функционирования контроллера SLC-5/04 на языке релейной лестничной логики. Инструкции языка делятся на входные и выходные, и при написании программы располагаются в строках (rang). 

5. ТИП ИСПОЛЬЗУЕМОГО КАБЕЛЯ ДЛЯ СВЯЗИ КОМПОНЕНТОВ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 На сегодняшний день кабельная  продукция на отечественном рынке  представлена большим разнообразием.  Поэтому проблем с подбором  кабеля не возникает.

Для подключения внешнего питания  системы и питания исполнительных механизмов используются кабели с  сечением проводов  не менее 1.5 мм² .

Для подключения датчиков давления  (с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА)  используется кабель с медными  жилами сечением 0.75 мм².

Для подачи команд управления исполнительными  механизмами используются кабели с  сечением проводов 0.75-1.5 мм² (в зависимости от величины коммутируемого тока).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе представлена система автоматического контроля и управления турбиной нагнетателя ГПА-16 на базе микроконтроллера SLC 5/04 американской фирмы ROCKWELL AUTOMATION. 

Применение данного контроллера  позволяет выполнять следующие  функции: сбор и обработку аналоговых и цифровых сигналов датчиков,  сигнализацию, выдачу управляющих воздействий  на различные исполнительные механизмы, автоматическое регулирование, обмен информацией с верхним уровнем управления.

В качестве нижнего уровня использованы преобразователи и датчики, отвечающие требованиям автоматизации.

Выбрана конфигурация контроллера. Программирование контроллера выполнено на  языке  лестничной логики Ladder Logic.