Проектирование автоматизированой системы головной нефтеперекачиваю-щей станции

 

Схема информационных потоков приведена в альбом схем (ФЮРА.425280.001.ЭС.07).

 

2.6 Выбор средств  реализации ГНПС

Задачей выбора программно-технических средств реализации проекта АС является анализ вариантов, выбор компонентов АС и анализ их совместимости.

Программно-технические средства АС ГНПС включают в себя: измерительные и исполнительные устройства, контроллерное оборудование, а также системы сигнализации.

Измерительные устройства осуществляют сбор информации о технологическом процессе. Исполнительные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую или иную физическую величину для осуществления воздействия на объект управления в соответствии с выбранным алгоритмом управления. Контроллерное оборудование осуществляет выполнение задач вычисления и логических операций.

2.6.1 Выбор контроллерного оборудования ГНПС

В основе системы автоматизированного  управления ГНПС, а в частности системы автоматизированного управления РП и ПНС, будем использовать два ПЛК Siemens SIMATIC S7-300 (рис. 4) (первый контроллер – локальный, а второй – коммуникационный). Связь между локальным контроллером и контроллером верхнего уровня (коммуникационным) осуществляется на базе интерфейса Ethernet.

 

Рис. 4 Контроллер Siemens SIMATIC S7-300

Siemens SIMATIC S7-300 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. 
Модульная конструкция SIMATIC S7-300, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства. Эффективному применению контроллеров Siemens SIMATIC S7-300 способствует: возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей, и коммуникационных процессоров [10].

Контроллеры Siemens SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

– Модуль центрального процессора (CPU);

– Модули блоков питания (PS);

– Сигнальные модули (SM);

– Коммуникационные процессоры (CP);

– Функциональные модули (FM);

– Интерфейсные модули (IM).

Все модули работают с  естественным охлаждением [10].

Выбранный ПЛК (Siemens SIMATIC S7-300 с процессорным модулем CPU315-2 PN/DP) удовлетворяет следующим параметрам:

1. Периферийные устройства (дисплей, принтер): не используются.
2. УСО ввода/вывода: 8 каналов ввода аналоговых сигналов и 1 канал вывода аналоговых сигналов (модуль ввода/вывода SM 334), 4 канала ввода дискретных сигналов (модуль ввода/вывода SM 323) (все унифицированные токовые сигналы).
3. Алгоритмы управления включают в себя числовые и битовые операции.
4. Общий объем манипуляций для одного ПЛК: не менее 100 команд.
5. Управление ПЛК: по прерываниям, по готовности или по командам человека. Необходимо управлять как минимум одним устройством.
6. Контроль и управление следующих типов I/O-устройств: сенсоры (температура, давление, уровень, вибрация).
7. Питания контроллера: напряжение 230В от сети переменного тока.
8. Отказоустойчивость источник напряжения: высокой.
9. Возможность ПЛК работы при напряжении сети питания технологической площадки: есть.
10. Удерживание напряжения в узком фиксированном диапазоне изменений: есть.
11. Рабочий ток: 140 мА.
12. Возможность работы контроллера от сети: есть.
13. Возможность работы контроллера от батарей: есть.
14. Время работы батареи без перезарядки: не менее 24 часов в рабочем режиме и не менее 12 месяцев при работе в режиме ожидания.
15. Ограничения по размеру, весу, эстетическим параметрам: нет.
16. Требования к условиям окружающей среды:

– температура: -40 ^oC до +70 ^oC;

– атмосферное давление: от 1080 гПа до 660 гПа (соответствует высоте от -1000 м до 3500 м);

– относительная влажность: от 10% до 95%, без конденсации.

17. Пользовательское программное обеспечение базируется на: флеш-памяти (Flash EPROM). АС работает в режиме реального времени и для этого необходимо приобрести ядро программ реального времени.
18. Для развития собственного ядра программ персонала и времени: не достаточно.
19. Степень защиты – IP-65 по ГОСТ 14254-96 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP)».

Блок-схема УСО ПЛК  представлена на рис. 5.

Рис. 5 Блок-схема УСО ПЛК

Технические характеристики процессорного модуля CPU315-2 PN/DP приведены в таблице №4 [11].

Таблица №4

Технические параметры		Значение
Рабочая память встроенная, RAM		256 КБайт
Загружаемая память (микро-карта памяти Flash-EPROM)		до 8  МБайт
Минимальное время выполнения	логических операций/  операций со словами	0,1/0,2 мкс
	арифметических операций с фиксированной/ плавающей точкой	2/3 мкс
S7-счетчики		256
S7-таймеры		256
Адресное пространство ввод/вывод	ввод/вывод	2048/2048 байт
	Отображение процесса	128/128 байт
	Дискретные IO (общее кол-во/ в системе локального IO)	до 16384/1024
	Аналоговые IO(общее кол-во/ в системе  локального IO)	до 1024/256
Кол-во монтажных стоек (базовых/расширения)		1/3
Кол-во модулей в системе локального IO		32
Макс. кол-во интеллектуальных модулей	FM	8
	PtP	8
	ASi, Profibus, Industrial Ethernet	10
Типы интерфейсов		RS 485, PROFINET, Ethernet
Напряжение питания	номинальное	=24В
	допустимое	20,4...28,8 В
Потребляемый ток	холостой ход	100 мА
	номинальный	0,8 А
	пусковой	2,5 А
Потребляемая мощность		3,5 Вт
Габариты ШхВхГ (мм)		80х125х130
Масса (кг)		0,46
Диапазон рабочих температур		-40...+70 оС

 

Технические характеристики модуля ввода/вывода аналоговых сигналов SM 334 и модуля ввода/вывода дискретных сигналов SM 323 приведены в таблице № 5 [11].

Таблица №5

Технические параметры		Значения
Модуль ввода/вывода дискретных сигналов SM 323
Габариты ШхВхГ (мм)		40х125х120
Масса (кг)		0,26
Количество входов		16
Количество выходов		16
Длина кабеля (обычного/экранированного), не более		600м/1000м
Фронтальный соединитель		40-полюсный
Напряжение питания	номинальное значение	=24В
	допустимый диапазон изменений	20,4…28,8 В
Количество одновременно опрашиваемых входов		16
Гальваническое разделение		есть
Потребляемый ток, не более		80мА
Потребляемая мощность		6,5Вт
Индикация состояний входов и выходов		1 зеленый диод на каждый канал
Модуль ввода/вывода аналоговых сигналов SM 334
Габариты ШхВхГ (мм)		40х125х120
Масса (кг)		0,2
Количество входов		4
Количество выходов		2
Длина экранированного кабеля, не более		100м
Фронтальный соединитель		20полюсный
Напряжение питания нагрузки		=24В
Питание датчиков		есть
Защита от неправильной полярности		есть
Гальваническое разделение		есть
Защита датчиков от короткого замыкания		есть
Потребляемый ток, не более		80мА
Потребляемая мощность		2Вт
Параметры аналого-цифрового преобразователя	принцип измерения	интегрирование
	Разрешающая способность, включая знаковый разряд	12бит
	настройка параметров интегрирования	есть
	время интегрирования	20мс
	Базовое время ответа модулю	350мс
Параметры цифро-аналогового преобразователя	Разрешающая способность, включая знаковый разряд	12бит
	Время преобразования на канал, не более	500мкс
	Время установки выходного сигнала, не более	0,8мс

2.6.2 Выбор датчиков

2.6.2.1 Выбор расходомера

В процессе перекачки  нефти на ГНПС необходимо постоянно следить за тем, чтобы давление на выходе ПНС было не выше заданного исходя из условий прочности трубопровода и не ниже заданного давления на входе в МНС исходя из условий кавитации насосных агрегатов. Характеристики перекачиваемой нефти приведены в таблице №6.

Таблица№6

	Наименование	Ед.  изм.	Количество
1	Плотность нефти	кг/м3	838
2	Вязкость нефти при 20°С	мм2/с	5,86
3	Выход фракций, не менее, до температуры: 200 оС 300 оС 350 оС	% об.	27 47 57
4	Массовая доля парафина, не более	% масс.	6,0
5	Массовая доля воды, не более	% масс.	0,5
6	Класс опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76*		3
7	Предельно допустимая концентрация аэрозоля нефти в воздухе рабочей зоны (при перекачке и отборе проб)	мг/м3	10
8	Температура самовоспламенения	°С	250
9	Рабочее давление в трубопроводе, не более	МПа	6

Для измерения давления и расхода будем использовать расходомер Rosemount серии 3095MFC. Расходомер Rosemount серии 3095MFC на базе диафрагмы Rosemount серии 405 предназначен для измерения расхода жидкостей, газов, пара и передачи полученной информации для технологических целей и учетно-расчетных операций. Технические характеристики расходомера Rosemount серии 3095MFC приведены в таблице №7 [12].

 

 

 

Таблица №7

Техническая характеристика	Значение
Измеряемые среды	жидкость, газ, пар
Температура измеряемой среды	-40...232°С (интегральный монтаж  датчика); -100...454°С (удаленный монтаж  датчика импульсными линиями)
Избыточное давление в  трубопроводе, не более	10 МПа
Диаметр условного прохода  трубопровода	Dу 15…200 мм (диафрагма Rosemount 405Р); Dу 50…200 мм (диафрагма Rosemount 405С)
Динамический диапазон	8:1, 10:1, 14:1
Основная относительная  погрешность измерений расхода, не более	±0,7%
Температура окружающего  воздуха	-40…85°С – без ЖК-индикатора
Выходной сигнал	4…20 мА/HART
Расстояние передачи токового сигнала	до 2,5 км
Физические интерфейсы связи с  компьютерной средой	Hart
Протоколы связи с компьютерной средой	HART
Взрывозащищенное исполнение	есть
Напряжение питания от внешнего источника постоянного тока	11…55 В без внешней нагрузки (при передаче сигнала по 4…20 мА) или с Rн > 250 Ом (при передаче сигнала по HART-протоколу)
Средний срок службы расходомера	10 лет
Средняя наработка на отказ	150000 часов
Межповерочный интервал	1 год
Внесен в Госреестр средств измерений: №30340H05, сертификат №22309