Проектирование автоматизированой системы головной нефтеперекачиваю-щей станции

– мягкий пуск из конечных положений и мягкий переход в  конечные положения;

– корпус из коррозиеустойчивого  алюминиевого сплава и внешние винты из нержавеющей стали;

– раздельные доступ к  электронике и механике посредством  отвинчивания фланцевого соединения (4 винта);

– Моменты отключения (или силы отключения) и количество оборотов (или время установки/скорость установки) свободно выбираются внутри одного диапазона без изменения аппаратного обеспечения;

– Руководство пользователя PROFITRON на 5-ти языках (может дополняться);

– 3 эталонные кривые момента вращения арматуры с 1% шагами могут запоминаться и обрабатываться в электронике привода (опция);

– Ходовая установка числа оборотов программируется через 10 опорных точек (опция);

– Внешняя аналоговая задача числа оборотов через 0/4…20 mA (опция);

– Расширение функций  осуществляется через интернет посредством  обновления программного обеспечения;

– Для изменения программного обеспечения не нужна замена аппаратного обеспечения (Flash-EEPROM);

– Значительно сокращенный список запасных частей благодаря универсальным компонентам.

Исполнительный привод SIPOS 5 Flash обладает следующими электрическими характеристиками:

– диапазон частоты подключения  от 47 до 63 Гц;

– 1-фазное напряжение подключения 230 В (±15 %);

– 3-фазный диапазон напряжения подключения от 400 до 460 В (±15 %);

– возможно иное напряжение подключения через согласующие  трансформаторы (опция);

– полная электронная  защита мотора и автоматическая коррекция  последовательности фаз;

– возможно дополнительное питание DC 24В;

– индивидуальное распределение  сигнальных выходов;

– регистрация фактической  величины позиции 0/4 до 20 мА (зависит  от конструкции);

– позиционер через аналоговый вход заданной величины 0/4 до 20 мА (опция);

– возможности параметрирования: 
а) пункт управления на месте; 
б) программа параметрирования PC COM-SIPOS (опция); 
в) SIMA система управления приводами (опция); 
г) функциональные модули (опция); 
д) SIMATIC PDM;

– полный комплект услуг (управление, наблюдение и параметрирование) при использовании PROFITRON вместе с PROFIBUS;

– PROFIBUS-DP-V1 (опция) (ацикличные службы).

 

2.7 Разработка  схемы внешних проводок

Схема внешней проводки приведена в альбоме схем (ФЮРА.425280.001 ЭС.13). Первичные и внещитовые приборы включают в себя уровнемер Rosemount 5600, расположенный на резервуаре РВС-1, расходомеры Rosemount 3095MFC, расположенные на входе и выходе ПНС, сигнализаторы уровня нефти Rosemount 2120, расположенные на резервуаре РВС-1. Уровнемер имеет встроенный преобразователь излученного и принятого сигнала. Таким образом, на выходе уровнемера имеется унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. В расходомерах сигнал с диафрагмы преобразуется в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. Сигнализаторы работаю в двух режимах: «сухой» и «мокрый» контакты. В режиме «сухой» контакт при погружении вилки сигнализатора в жидкость, контакты размыкаются, а при извлечении вилки из жидкости контакты коммутируются. В режиме «мокрый» контакт при погружении вилки сигнализатора в жидкость, контакты коммутируются, а при извлечении вилки из жидкости контакты размыкаются.

Для передачи сигналов от уровнемера и расходомеров на щит  КИПиА используются по три провода, а для сигнализаторов – два  провода. В качестве кабеля выбран КВВГ. Это – кабель с медными токопроводящими жилами с пластмассовой изоляцией в пластмассовой оболочке, с защитным покровом и предназначен для неподвижного присоединения к электрическим приборам, аппаратам и распределительным устройствам номинальным переменным напряжением до 660 В частотой до 100 Гц или постоянным напряжением до 1000 В при температуре окружающей среды от -50°С до +50°С. Медные токопроводящие жилы кабелей КВВГ выполнены однопроволочными. Изолированные жилы скручены. Кабель прокладывается в трубе диаметром 20 мм [1].

 

2.8 Выбор алгоритмов управления АС ГНПС

В автоматизированной системе  на разных уровнях управления используются различные алгоритмы [1]:

– алгоритмы пуска (запуска)/ останова технологического оборудования (релейные пусковые схемы) (реализуются на ПЛК и SCADA-форме),

– релейные или ПИД-алгоритмы автоматического регулирования технологическими параметрами технологического оборудования (управление положением рабочего органа, регулирование расхода, уровня и т. п.) (реализуются на ПЛК),

– алгоритмы управления сбором измерительных сигналов (алгоритмы в виде универсальных логически завершенных программных блоков, помещаемых в ППЗУ контроллеров) (реализуются на ПЛК),

– алгоритмы автоматической защиты (ПАЗ) (реализуются на ПЛК),

– алгоритмы централизованного  управления АС (реализуются на ПЛК и SCADA-форме) и др.

В данном курсовом проекте  разработаны следующие алгоритмы  АС:

– алгоритм пуска/останова технологического оборудования,

– алгоритм сбора данных измерений,

– алгоритм автоматического  регулирования технологическим  параметром.

Для представления алгоритма  пуска/останова и сбора данных будем использовать правила ГОСТ 19.002.

 

2.8.1 Алгоритм сбора данных измерений

В качестве канала измерения выберем канал измерения уровня нефти в резервуаре. Для этого канала разработаем алгоритм сбора данных. Алгоритм сбора данных с канала измерения уровня нефти в резервуаре представлен на рис. 20.

Рис. 20 Алгоритм сбора данных с канала измерения уровня нефти в резервуаре

 

2.8.2 Алгоритм пуска пуска/останова технологического оборудования

В качестве технологического оборудования выберем насосные агрегаты ПНС. Для выбранного технологического оборудования разработаем алгоритм пуска/останова. Алгоритм пуска/останова насосных агрегатов ПНС представлен на рис. 21.

 

Рис. 21 Алгоритм пуска/останова насосных агрегатов ПНС

 

2.8.3 Алгоритм автоматического регулирования технологическим параметром

 

В процессе перекачки  нефти на ГНПС необходимо  поддерживать давление нефти в трубопроводе на выходе ПНС, чтобы оно не превышало заданного уровня, исходя из условий прочности трубопровода, и не падало ниже заданного уровня, исходя из условий кавитации насосных агрегатов. Поэтому в качестве регулируемого параметра технологического процесса выбираем давление нефти в трубопроводе на выходе ПНС. В качестве алгоритма регулирования будем использовать алгоритм ПИД регулирования, который позволяет обеспечить хорошее качество регулирования, достаточно малое время выхода на режим и невысокую чувствительность к внешним возмущениям.

       Структурная схема автоматического регулирования давлением приведена в альбоме схем (ФЮРА.425280.001.ЭС.008). Данная схема состоит из следующих основных элементов: задание, настройка задания, ПИД-регулятор, ЦАП, регулирующий орган, объект управления, возмущение, АЦП.

Определим передаточные функции основных элементов структурной  схемы регулирования [3].

Объектом управления является участок трубопровода между точкой измерения давления и регулирующим органом. Длина этого участка определяется правилами установки датчика и регулирующих органов и составляет 5 метров. Динамика объекта управления W(p), выраженная как отношение «расход вещества через клапан» (объемный расход жидкости после клапана) к «расходу вещества через расходомер» (измеряемый объемный расход жидкости) приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Воспользовавшись типовой передаточной функцией трубопровода согласно [3] для схемы управления насосом дросселированием потока на линии нагнетания передаточная функция участка регулируемого объемного расхода жидкости трубопровода будет:

W(p) =

= ,

T =

,       ,       с = , ,

где   Q_k(p) – объемный расход жидкости после клапана;

Q(p) – измеряемый объемный расход жидкости;

 – плотность жидкости;

L – длина участка трубопровода между точкой измерения и точкой регулирования;

d – диаметр трубы;

f – площадь сечения трубы;

 – перепад давления на  трубопроводе;

 – запаздывание;

T – постоянная времени.

Характеристики объекта  управления приведены в таблице  №11.

Таблица №11

	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
10	Объемный расход жидкости	м3/ч	480
11	Длина участка трубопровода	м	5
12	Диаметр трубы	мм	200
13	Перепад давления на трубопроводе	кгс/см3	0,5

 

Рассчитаем передаточную функцию объекта управления:

Передаточная функция  блока АЦП представляет собой  коэффициент  , который примерно равен 0,5.

В процессе управления объектом необходимо поддерживать давление на выходе равное 6 МПа, поэтому в качестве передаточной функции задания выступает константа равная 6000000.

Блок настройки задания  представлен двумя передаточными  функциями, каждая из которых имеет  вид масштабирующего звена с  коэффициентами масштабирования 0,1 каждый.

Передаточная  функция ПИД-регулятора имеет вид:

W_ПИД(s) = K + 1/Т_i s + Т_d s,

где К=0,49, Т_i =8,696 и Т_d=0,264 коэффициенты, которые были получены опытным путем.

Передаточная функция  блока ЦАП представляется в виде коэффициента , примерно равного 8,45.

Регулирующий орган (клапан регулирования давления) описывается  с помощью двух звеньев: апериодического и интегрального, так как регулирование давление осуществляется изменением угла перемещения задвижки.

Процесс регулирования  давления осуществляется следующим образом. На объект управления в процессе его функционирования оказывают воздействия различные факторы, поэтому выход объекта управления должен суммироваться с возмущающим воздействием. Итоговое давление на выходе объекта управления измеряется расходомером. Полученный сигнал поступает на АЦП и преобразуется в цифровой. Далее сигнал с АЦП сравнивается с заданием. В итоге вычисляется ошибка регулирования. Результат вычисления ошибки поступает на ПИД-регулятор, который в зависимости от значения ошибки формирует управляющее воздействие на объект управления. Управляющее воздействие регулятора подается через ЦАП на регулирующий орган, а регулирующий орган в свою очередь, в зависимости от управляющего воздействия, оказывает воздействие на объект управления с целью уменьшения ошибки.

График переходного  процесса САР мы можем наблюдать  на рисунке 22.

Рис. 22 График переходного процесса САР

 

Из рисунка 22 видно, что время переходного процесса составляется порядка 3,83с. Отсутствие перерегулирования положительно влияет на износ исполнительных механизмов.

2.9 Разработка программного обеспечения для программируемых логических контроллеров

Для программирования логического  контроллера будем использовать программную среду Siemens Step 7. В данном программном пакете возможно реализовывать программирование ПЛК фирмы Siemens, который мы используем в системе автоматизированного управления ГНПС. В программной среде Step 7 имеется большой набор стандартных элементов, позволяющих реализовать практически любую логику действий. Программирование будем осуществлять на языке релейных диаграмм LAD. Программа, реализующая управление включением/отключением насосных агрегатов ПНС, представлена на рис. 23.

Рис. 23  LAD-диаграмма программы управления работой насосных агрегатов ПНС

 

 

2.10 Экранные формы АС ГНПС

Управление в АС ГНПС реализовано с использованием SCADA-системы Genesis32  компании Iconics. Эта SCADA-система предназначена для использования на действующих технологических установках в реальном времени и требует использования компьютерной техники в промышленном исполнении, отвечающей жестким требованиям в смысле надежности, стоимости и безопасности. SCADA-система Genesis32 обеспечивает возможность работы с оборудованием различных производителей с использованием ОРС-технологии. Другими словами, выбранная SCADA-система не ограничивает выбор аппаратуры нижнего уровня, т. к. предоставляет большой набор драйверов или серверов ввода/вывода. Это позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули сторонних производителей.

 

2.10.1 Разработка  дерева экранных форм

Дерево экранных форм приведено в альбоме схем (ФЮРА.425280.001.ЭС.09).

Пользователь (диспетчер  по обслуживанию, старший диспетчер, руководитель) имеет возможность осуществлять навигацию экранных форм с использованием кнопок прямого вызова. При старте проекта появляется  экран авторизации пользователя, в котором предлагается ввести логин и пароль. После ввода логина и пароля, если же они оказываются верными, появляется мнемосхема основных объектов ГНПС: узел подключения станции, площадка фильтров грязеуловителей, резервуарный парк, подпорная насосная станция, узел учета нефти, магистральная насосная станция и канал регулирования давления. Кроме того, с мнемосхемы основных объектов пользователь имеет прямой доступ к карте нормативных параметров ГНПС. Открытие мнемосхем объектов ГНПС происходит нажатием на прямоугольную область мнемосхемы основных объектов в соответствии с названием объекта, за которым необходимо вести контроль. Мнемосхемы некоторых объектов ГНПС включают в себя дополнительные мнемосхемы, которые позволяют вести более тщательный контроль состояний объектов ГНПС и управлением этими объектами. Открытие дополнительных мнемосхем осуществляется нажатием на прямоугольной области с соответствующим названием функции или на фигуре устройства мнемосхемы объекта ГНПС.

2.10.2 Разработка экранных форм АС ГНПС

Интерфейс оператора  содержит рабочее окно, состоящее  из следующих областей [5]:

– главное меню;

– область видеокадра;

– окно оперативных сообщений;

– строка состояния.

Рабочее окно интерфейса АРМ оператора показано на рисунке 24.