История Автоматизации в нефтегазовой промышленности

        

               

 

 

 

 

 

                                                        Реферат

на тему: «История Автоматизации в нефтегазовой промышленности»

 

 

 

 

 

 

Студент группы   ____________ Максимчук И.А.

                                                                                     (подпись, дата)

Преподаватель   ____________ Федоров В.М.

                                                                                       (подпись, дата)

 

Государственная система приборов

             (ГСП)

 

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) создана с целью обеспечения техническими средствами систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства.

На ранних этапах создания средств автоматики в различных организациях и на предприятиях разрабатывалось множество различных приборов измерения и контроля со сходными техническими характеристиками, однако при этом не учитывалась возможность совместной работы приборов различных производителей. Это приводило к увеличению стоимости разработок сложных систем и тормозило широкое внедрение средств автоматизации. Поэтому в 1960 г. было принято решение о создании ГСП, а с 1961 г. начались работы по ее реализации.

В настоящее время ГСП представляет собой эксплуатационно, информационно, энергетически, метрологически и конструктивно организованную совокупность изделий, предназначенных для использования в качестве средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования технологических процессов, а также информационно-измерительных систем. ГСП стала технической базой для создания автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и производством (АСУП) в промышленности. Ее развитие и применение способствовали формализации процесса проектирования АСУ ТП и переходу к машинному проектированию.

В основу создания и совершенствования ГСП положены следующие системотехнические принципы: типизация и минимизация многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления; минимизация номенклатуры технических средств; блочно-модульное построение приборов и устройств; агрегатное построение систем управления на базе унифицированных приборов и устройств; совместимость приборов и устройств.

По функциональному признаку все изделия ГСП разделены на следующие четыре группы устройств: получения информации о состоянии процесса или объекта; приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; преобразования, хранения и обработки информации, формирования команд управления; использования командной информации.

В первую группу устройств в зависимости от способа представления информации входят: датчики; нормирующие преобразователи, формирующие унифицированный сигнал связи; приборы, обеспечивающие представление измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и устройства алфавитно-цифровой информации, вводимой оператором вручную.

Вторая группа устройств содержит коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, средства телесигнализации, телеизмерения и телеуправления. Эти устройства используют для преобразования как измерительных, так и управляющих сигналов.

Третью группу составляют анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства и устройства памяти, задатчики, регуляторы, управляющие вычислительные устройства и комплексы.

В четвертую группу входят исполнительные устройства (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные исполнительные механизмы), усилители мощности, вспомогательные устройства к ним, а также устройства представления информации.

Минимизация номенклатуры средств контроля и управления реализуется на основе двух принципов: унификации устройств одного функционального назначения на основе параметрического ряда этих изделий и агрегатирования комплекса технических средств для решения крупных функциональных задач.

В настоящее время разработаны параметрические ряды датчиков давления, расхода, уровня, температуры и электроизмерительных приборов. Тем не менее продолжается их оптимизация по технико-экономическим показателям, например по критерию минимума суммарных затрат на удовлетворение заданных потребностей. Этот критерий основан на противоречии между интересами потребителя и изготовителя: чем меньше в ряду приборов, тем меньше затраты на их разработку и освоение, и тем большими партиями они выпускаются, что также снижает затраты изготовителя. Увеличение числа приборов в ряду дает экономию потребителю за счет более эффективного использования их возможностей или более точного соблюдения режимов технологических процессов.

Агрегатные комплексы (АК) представляют собой совокупность технических средств, организованных в виде функционально-параметрических рядов, охватывающих требуемые диапазоны измерения в различных условиях эксплуатации и обеспечивающих выполнение всех функций в пределах заданного класса задач.

Принцип агрегатирования в ГСП применяют очень широко. Унифицированная базовая конструкция датчиков теплоэнергетических величин с унифицированными пневматическим и электрическим сигналами была создана всего из 600 наименований деталей, при этом было получено 136 типов и 863 модификации этих датчиков.

Заложенные в ГСП общие для всех изделий понятия совместимости можно сформулировать следующим образом.

Информационная совместимость - совокупность стандартизированных характеристик, обеспечивающих согласованность сигналов связи по видам и номенклатуре, их информативным параметрам, уровням, пространственно-временным и логическим соотношениям и типу логики. Для всех изделий ГСП приняты унифицированные сигналы связи и единые интерфейсы, которые представляют собой совокупность программных и аппаратных средств, обеспечивающих взаимодействие устройств в системе.

Конструктивная совместимость - совокупность свойств, обеспечивающих согласованность конструктивных параметров и механическое сопряжение технических средств, а также выполнение эргономических норм и эстетических требований при совместном использовании.

Эксплуатационная совместимость - совокупность свойств, обеспечивающих работоспособность и надежность функционирования технических средств при совместном использовании в производственных условиях, а также удобство обслуживания, настройки и ремонта.

Метрологическая совместимость - совокупность выбранных метрологических характеристик и свойств средств измерений, обеспечивающих сопоставимость результатов измерений и возможность расчета погрешности результатов измерений при работе технических средств в составе систем.

По роду используемой энергии носителя информационных сигналов устройства ГСП делятся на электрические, пневматические, гидравлические, а также устройства, работающие без использования вспомогательной энергии - приборы и регуляторы прямого действия. Для того чтобы обеспечить совместную работу устройств различных групп, применяют соответствующие преобразователи сигналов. В АСУ наиболее эффективно комбинированное применение устройств различных групп.

Достоинства электрических приборов общеизвестны. Это, в первую очередь, высокая чувствительность, точность, быстродействие, удобство передачи, хранения и обработки информации. Пневматические приборы обеспечивают повышенную безопасность при применении в легко воспламеняемых и взрывоопасных средах, высокую надежность в тяжелых условиях работы и агрессивной атмосфере. Однако они уступают электронным приборам по быстродействию, возможности передачи сигнала на большое расстояние. Гидравлические приборы позволяют получать точные перемещения исполнительных механизмов и большие усилия.

В технической документации наиболее широко используется такой классификационный признак, как тип изделия- совокупность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и имеющих одинаковые главные параметры. В состав одного типа может входить несколько типоразмеров и модификаций или исполнений изделия. Типоразмеры изделия одного типа различаются значениями главного параметра (обычно выделяются для однофункциональных изделий).

Модификация - совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструкционные особенности или определенное значение неглавного параметра. Под исполнением обычно понимают изделия одного типа, имеющие определенные конструктивные особенности, влияющие на их эксплуатационные характеристики, например тропическое или морское.

Комплекс - более крупная классификационная группировка, чем тип. В ГСП комплексы разделяются на унифицированные и агрегатные. Отличительной особенностью унифицированного комплекса является то, что любые сочетания его технических средств между собой не приводят к реализации этими средствами новых функций. В агрегатных комплексах различным сочетанием технических средств можно реализовать новые функции. Наиболее широко используются агрегатные комплексы средств электроизмерительной техники (АСЭТ), вычислительной техники (АСВТ), телемеханики (АСТТ), сбора первичной информации (АСПИ) и др.

Обмен информацией между техническими средствами ГСП реализуется при помощи сигналов связи и интерфейсов.

В АСУ наиболее распространены электрические сигналы связи, достоинствами которых являются высокая скорость передачи сигнала, низкая стоимость и доступность источников энергии, простота прокладки линий связи. Пневматические сигналы применяют в основном в нефтяной, химической и нефтехимической промышленности, где необходимо обеспечить взрывобезопасность и не требуется высокое быстродействие. Гидравлические сигналы в основном применяют в гидравлических следящих системах и устройствах управления гидравлическими исполнительными механизмами.

Информационные сигналы могут быть представлены в естественном или унифицированном виде. Естественным сигналом называется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются его физическими свойствами и диапазоном изменения измеряемой величины. Обычно это выходные сигналы измерительных преобразователей, чаще всего электрические, которые можно передать на небольшое расстояние (до нескольких метров). Вид носителя информации и диапазон изменения унифицированного сигналане зависят от измеряемой величины и метода измерения. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей. Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП приведены в табл. 2.1.

Из электрических сигналов наиболее распространены унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Частотные сигналы используют в телемеханической аппаратуре и комплексе технических средств локальных информационно-управляющих систем.

При создании сложных систем, особенно на базе микропроцессорных устройств и вычислительных средств, обмен информацией между техническими средствами верхнего уровня осуществляется с помощью интерфейсов. Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, устанавливающих и реализующих взаимодействие устройств, входящих в систему, и предназначенных для сбора, переработки и использования информации.

Интерфейс состоит из программной и аппаратной частей. Программная (информационная) часть определяет протокол (порядок) обмена сигналами и информацией (алгоритмы и временные диаграммы). Аппаратная часть (интерфейсные карты, платы) позволяет осуществлять информационный обмен управляющими, адресными, известительными и другими сигналами между функциональными модулями.

 

 

Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА)

Набор элементов УСЭППА: 1, 2 — двухвходовой и четырехвходовой усилители; 3 — грубый мощный повторитель; 4, 17, 23 — пневмореле (разных модификаций); 5, 10 — пневомклапаны; 6, 7 — точные повторители; 8, 9 — переменная и постоянная пневмоёмкости; 11 — элемент запоминания непрерывных сигналов; 12 — задатчик; 13, 14 — нерегулируемое и регулируемое пневмосопротивления; 15 — дроссельный сумматор; 16, 22 — сдвоенные обратные клапаны; 18 — элемент запоминания дискретных сигналов; 19, 20 — индикаторы (бленкеры); 21 — конечный выключатель; 24, 25, 26 — пневмокнопки; 27 — пневмотумблер.

 

  

Набор конструктивно завершенных унифицированных пневматических элементов, 

предназначенных дляпостроения устройств и систем пневмоавтоматики. Разработана в 

СССР в 1960-61.Каждый элемент УСЭППА выполняет определённую элементарную операцию 

(усиления, повторения;сравнения, запоминания и т.д.); один и тот же элемент может быть использован многократно  как в составеодного устройства, так и в разных устройствах. В различных сочетаниях элементы УСЭППА используют припостроении регуляторов, 

систем автоматической оптимизации, релейных устройств пуска, останова, защиты и блокировки, систем циклической автоматики, устройств телемеханики и др. Элементы У

СЭППА конструктивно просты, технологичны в изготовлении, относительно компактны, имеют 

универсальную цоколёвку.

 

Устройства пневмоавтоматики монтируют из элементов УСЭППА на платах; все

соединения между элементами осуществляются с помощью пневматических каналов, 

проходящих внутри плат.

 

         Функциональные возможности УСЭППА позволяют реализовать непрерывные,

 

 дискретные и непрерывно-дискретные операции. Для реализации непрерывных (аналоговых) операций над пневматическими сигналами используют элементы сравнения (усилители) на два и четыре входа, различные повторители, постоянные и переменные пневмоёмкости, не регулируемые и

регулируемые пневмосопротивления. С их помощью создаются пневматические решающие усилители и инерционные звенья, составляющие основу аналоговой пневматической техники. Для построения дискретных (релейных) пневматических  устройств применяют универсальные  и сдвоенный обратный клапан; с их помощью выполняются элементарныеЛогические операции. Временные операции в релейных схемах осуществляются с  использованием естественных задержек (инерционных звеньев) и принудительных задержек от  дискретных пневмосигналов.Непрерывно-дискретные операции выполняются с использованием пневмо клапанов, элементов с запоминанием непрерывных сигналов и линейных пульсирующих сопротивлений. Эти  элементы работают как с непрерывными, так и с дискретными сигналами и позволяют существенно  расширить возможностипостроения устройств пневмоавтоматики. В состав УСЭППА  входят также вспомогательные элементы –различные задатчики, пневмокнопки, пневмотумблеры, пневмоэлектро- и электропневмо преобразователи и т.д.

 

         Использование универсальных элементов УСЭППА расширяет функциональные  возможности испособствует улучшению технико-экономических показателей устройств пневмоавтоматики. Эффективность применения УСЭППА повышается при массовом промышленном изготовлении не только отдельных элементов, но и типовых модулей из них и блоков различного назначения, конструктивно оформленных ввиде стандартных изделий. Такие наборы универсальных модулей и  блоков в свою очередь образуютсистемы агрегатов.

 

         На базе УСЭППА в СССР в 60х гг. создана система универсальных пневматических приборов,получившая название «Старт». Она приспособлена для построения  преимущественно разветвленныхсистем стабилизации и оптимизации непрерывных технологических процессов. Для создания автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами  (АСУТП)используется агрегатный функционально

аппаратурный комплекс пневматических средств «Центр»(начало70х гг.). Он состоит из  крупных функциональных блоков, собранных из элементов УСЭППА.

 

        

 

 

 

 Для построения дискретных систем управления циклическими и периодическими  процессами в начале70-х гг. создана агрегатная система субблоков «Цикл». Эта система использует 

модернизированную элементную базу УСЭППА (кроме элементов с упругими и подвижными деталями в системе применяются струйные элементы); все её блоки и устройства монтируются в типовых контейнерах,  шкафах, пультах и т.п.УСЭППА и «Старт» отмечены Ленинской премией (1964),  комплекс «Центр» – Государственная премия СССР (1974).

 

Существует 4 поколения развития пневмоавтоматики:

1. Универсальные регуляторы приборного  типа (компенсаторы).

2. Регуляторы, реализующие агрегатную  структуру по принципу компенсации  усилия. Создана агрегатная унифицированная  система АУС.

3. Универсальная система элементов  промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) и ее развитие комплект миниатюрных  элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП).

4. Струйная техника, где отсутствуют  подвижные части (увеличение быстродействия). Но малый уровень помехозащищенности (малый перепад давлений и мощность  выходного сигнала).

Распространение получили агрегатные комплексы системы «СТАРТ», «Центр», использующие элементарный и блочно модульный принцип, и построенные на основе системы УСЭППА.

Любое новое устройство пневмоавтоматики собирается путем коммутации пневмоэлементов универсального назначения.

Структурная схема пневматического регулятора

 

 

 

 

ПП – первичный преобразователь;

ЗУ – задающее устройство;

РУ – регулирующее устройство;

ЭС – элемент сравнения;

УМ – усилитель мощности;

ПОЗ – позиционер;

ООС – отрицательная обратная связь.

Для передачи сигнала между блоками регулятора используется унифицированный пневматический сигнал. В качестве ЗУ используются редуктор или ручной регулятор давления, с помощью которого можно замыкать или размыкать мощные пневмолинии.

Математические операции, необходимые для воспроизведения законов регулирования осуществляется с помощью пневматического усилителя и элемента сравнения, хваченных обратной связью положительной или отрицательной.

ИМ характеризуется простотой конструкции, низкой стоимостью, достаточно высокой мощностью, быстродействием. Он представляет собой усилительное звено, поэтому ИМ не изменяет тип закона регулирования, который был сформулирован на РУ.

Для обеспечения максимальной дальности передачи сигнала и большой его мощности, рядом с ИМ устанавливается ПОЗ, который является практически усилителем мощности. Чтобы не было потерь в точности передачи командного сигнала, вводится отрицательная обратная связь по положению выходного элемента ИМ. Сигнал с ПОЗ усиливается по мощности за счет увеличения питания или за счет большого расхода воздуха.

Элементы, на которых строится пневморегулятор, в большинстве своем рассмотрены в элементарных пневматических преобразователях:

ü постоянный дроссель;

ü переменный дроссель;

ü проточная или глухая камеры.

Элементы пневматических устройств предназначены для выполнения различных операций с пневматическими сигналами, однако номенклатура операций ограничена. Поэтому в подавляющем большинстве устройств пневматические сигналы предварительно преобразуют в силу и перемещение, а после этой операции снова в пневматический сигнал (РВХ ® F ® Dl ® P).

 

 

В качестве примера рассмотрим позиционный регулятор ПР1.5

ЭС двухвходовый состоит из четырех камер: Б и В – глухие и А и Б - проточные.

Регулятор реализует 2-х позиционный закон регулирования. На выходе регулятора возможно только два значения 0 (0,02 МПа) или мах (0,1 МПа). Регулятор обрабатывает каждое воздействие, которое необходимо преобразовать в давление. Этот регулятор не имеет настраиваемой зоны возврата, т.к. гистерезис постоянен и обусловлен конструктивными особенностями.

Алгоритм работы регулятора следующий:

DР = РЗД - РВХ

Предназначен ЭС для сравнения двух входных сигналов. На выходе формируется дискретный сигнал (0 или 1). Двухвходовое реле с подпором состоит из четырех камер и блока (3 мембраны, связанные между собой штоком), а также 2 дросселей типа сопло-заслонка. Площадь средней мембраны больше площади крайних. Давление в камерах создает усилие, действующее вдоль оси штока. Если результирующее усилие направлено вертикально, то мембранный блок закрывает подачу давления питания.

Усилитель мощности используется на больших пневмотрассах через каждые 300 м. Усилитель имеет 3 секции , связанные в мембранный блок, который состоит из 2 мембран, равной площади и клапана, обеспечивающего сопротивление потоку воздуха из камеры А в камеру Б и из камеры Б в камеру В. Поскольку площади мембран равны, то давления на входе и выходе усилителя в момент равновесия будут равны.

 

 

 

Автоматизация

Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека. Наряду с термином автоматический, используется понятие автоматизированный, подчеркивающий относительно большую степень участия человека в процессе.

Автоматизируются:

· производственные процессы;

· проектирование;

· организация, планирование и управление;

· научные исследования.

· бизнес-процессы

Цель автоматизации — повышение производительности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от производств, опасных для здоровья, повышение надежности и точности производства, увеличение конвертируемости и уменьшение времени обработки данных.

Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:

· система автоматического управления (САУ);

· система автоматизации проектных работ (САПР);

· автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Автоматизация обладает рядом преимуществ и недостатков в сравнении с предыдущим этапом технического развития.

К основным преимуществам можно отнести:

· Замена человека в задачах, включающих тяжелый физический или монотонный труд.

· Замена человека при выполнении задач в опасных условиях (а именно: пожар, космос, извержения вулканов, ядерные объекты, под водой и т.д.)

· Выполнение задач, которые выходят за рамки человеческих возможностей по весу, скорости, выносливости и т.д.

· Экономика улучшения. Автоматизация может вносить улучшения в экономику предприятия, общества или большей части человечества.

Основными недостатками автоматизации являются:

· Рост уровня безработицы из-за высвобождения людей в результате замены их труда машинным.

· Технические ограничения.

· Угрозы безопасности / Уязвимость.

· Непредсказуемые затраты на разработку.

· Высокая начальная стоимость.

 

 

 

 

 

Автоматизация технологических процессов

Автоматизация технологического процесса — совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Основа автоматизации технологических процессов — это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологических процессов являются:

· Повышение эффективности производственного процесса.

· Повышение безопасности.

· Повышение экологичности.

· Повышение экономичности.

Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:

· Улучшение качества регулирования

· Повышение коэффициента готовности оборудования

· Улучшение эргономики труда операторов процесса

· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом)

· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

· Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation)

· Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation)

· Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation)

 

 

 

Системы технологического управления (SCADA, Control Systems) и родственные им информационные системы (системы диспетчерского управления, противоаварийной автоматики и т. д.) прочно входят в нашу повседневную жизнь. Электричество, которое освещает нас, горючее, которым заправляются наши автомобили, системы управления дорожным трафиком и водоснабжением, «умными зданиями» и атомными электростанциями – все это примеры подобных систем. Они делают проще и понятнее процессы управления любыми сложными технологическими процессами – от передачи электроэнергии до обогащения урана. С каждым годом и каждым модернизированным производством их становится все больше и больше.