Дипломная работа: Проектирование автоматизированной мехатронной системы управления процессом атмосферной перегонки нефти

К приборам и средствам автоматизации нижнего уровня относятся все первичные и вторичные преобразователи, магнитные пускатели и усилители.

Средний уровень (уровень контроля) представлен промышленным контроллером SLC 5/04.

Приборы нижнего уровня подсоединяются к SLC 5/04 по обычным проводам; электрический сигнал у них унифицированный.

Под верхним (SCADA-уровнем) понимается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на базе персонального компьютера.

Система контроля и управления газовоздушного тракта парового котла предназначена для оперативного учета, поддержания заданных значений параметров технологического процесса и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.

Реализация уровня управления

Для реализации функций управления и сбора данных в системе, разрабатываемой в рамках настоящего проекта, использован один из контроллеров производства компании Allen-Bradley семейства SLC-500.

Основными положительными качествами контроллеров SLC-500 считаются: модульность структуры, понятный пользователю интерфейс и возможность эксплуатации без принудительного охлаждения.

Контроллер SLC в сочетании с модулем непосредственной коммуникации (DCM), модулем сканера (SN) или модулем распределенного сканера (DSN) для реализации распределенного ввода/вывода может быть интегрирован в сеть дистанционного ввода/вывода Allen-Breley 1771 Remote I/O /21/.

Для ввода аналоговых сигналов стандарта 4-20 мА выбраны модули 1746-NI8. Модули обеспечивают преобразование любых сигналов в виде тока от минус 20 до плюс 20 мА и напряжения от минус 10 до плюс 10 В. Модули имеют 8 входов.

Для ввода дискретных сигналов типа "сухой контакт" применены модули 1746-IV32 с внешним источником питания 24В постоянного тока. Модули 1746-IV32 обеспечивают подключение 32 сигналов постоянного напряжения 24 В по схеме с общей землей.

Выходные сигналы 24 В постоянного тока формируются при помощи модуля 1746-OV32 и 1746-OV16. Модули типа OV32 и OV16 обеспечивают, соответственно, 32 и 16 транзисторных выходов по схеме с общей землей.

Модули размещаются в шасси типа 1746-А13, имеющей 13 слотов для установки модулей. Расположение модулей отражено в таблице 2.2.

Таблица 2.2

На рисунке 1.2 представлен дисплей АРМ оператора-технолога в виде мнемосхемы, отражающий работу всего газовоздушного тракта.

Рисунок 2. 2 - Мнемосхема-дисплей АРМ оператора-технолога

АРМ операторов базируются на персональных ЭВМ стандартной комплектации под управлением Microsoft Windows 2000. В качестве SCADA-системы используется RSView 32.

Внедрение АСУ значительно облегчило работу операторов, также позволило повысить качество управления технологическим процессом, сократить количество и время локализации аварийных ситуаций и отказов.[5].

2.3 Выводы по результатам обзора и составление технического задания

Рассмотренные примеры АСУ позволяют говорить, что современные системы управления являются децентрализованными, дающими: гибкость; высокую производительность вследствие разделения функций между управляющими устройствами; возможность значительного, по сравнению с централизованными системами управления, наращивания ресурсов. Можно отметить значительное продвижение промышленного Ethernet в сфере АСУ, вследствие наличия огромного выбора совместимых между собой аппаратных и программных средств построения сетей этого стандарта. Существующие системные решения гарантируют востребованность промышленного Ethernet и в будущем. Прежде всего, это объединение в единую сеть промышленных компьютеров, рабочих станций и терминалов, используемых в качестве рабочих мест операторов.

В ходе дипломного проектирования был осуществлен патентный поиск, в результате которого был проведен обзор всех видов ректификационных колонн, были отобраны патенты и авторские свидетельства на данные разработки, которые различные по своим техническим решениям и являются наиболее перспективными (Справка о патентном поиске, приложение В). Наиболее перспективные работы в этой области произошли в последнее десятилетие в связи с развитием современной техники. В установке используется наиболее подходящая для данного технологического процесса колонна отбензиневания.

Основанием для разработки АСУ процессом атмосферной перегонки нефти является необходимость автоматизации установки атмосферной перегонки нефти с увеличением производительности установки до 2,5 млн. т. в год по сырью на ОАО «Новошахтинский ЗНП»

Применение АСУ позволит автоматизировать процесс, увеличить уровень производительности, увеличить качество производимых продуктов, предотвратить аварийные ситуации, снизить психологическую нагрузку на оператора.

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка структурной схемы АСУ ТП

3.1.1 Основные особенности

Система имеет двухуровневую иерархическую структуру. Нижний уровень представлен программируемым контроллером SIMATIC S7 -300, станцией распределенного ввода/вывода ET200M с подключенными к ней датчиками и исполнительными механизмами, верхний уровень включает в себя автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора и инженера КИП.

Структура системы управления разработана в соответствии с выявленными в ходе аналитического обзора основными тенденциями в автоматизации; и с учетом того, что помещение аппаратной, где располагается программируемый контроллер, находится вне зоны размещения установки атмосферной перегонки нефти. Непосредственно в зоне расположения объекта располагается станция распределенного ввода / вывода. Данный факт позволяет все сигналы от датчиков, исполнительных механизмов заводить на модули станции распределенного ввода/вывода, откуда сигналы передаются непосредственно на ПК.

3.1.2 Нижний уровень системы управления

Нижний уровень системы управления обеспечивает:

- сбор информации от датчиков, установленных по месту;

- постоянный контроль параметров процесса и поддержание их заданных значений, контроль состояния оборудования;

- обработку и передачу информации о состоянии объектов на АРМ, прием информации с АРМ и формирование управляющих воздействий;

- автоматическое управление техпроцессом, автоматическое включение резервного оборудования при нарушении работы основного;

- предотвращение развития аварийных ситуаций и обеспечение безопасного завершения процесса по заданной программе.

Рисунок 3.1. - Контроллер S7-300

Управление осуществляется из центрального пункта управления (ЦПУ), где размещены АРМ операторов, обслуживающих секции установки.

Учитывая повышенные требования к надежности систем контроля и управления взрывоопасных производств, применены контроллеры типа SIMATIC S7-300 фирмы Siemens.

Контролеры SIMATIC S7-300 фирмы Siemens являются мощным вычислительным средством и способны выполнять задачи любой сложности.

Контроллер обеспечивает непрерывный опрос датчиков, диагностику модулей.

Эксплуатационные характеристики ПЛК:

температура окружающей среды 1 - 50 градусов

относительна влажность воздуха при температуре 30 градусов не более 90%

атмосферное давление 750 мм рт. ст.

амплитуда вибрации частотой до 25 Гц, мм, не более 0,1

вид обслуживания - периодический

режим работы - круглосуточный

Технические характеристики контроллера зависят от выбора установленных модулей. Связь контроллера и устройств нижнего уровня осуществляется через станцию распределенного ввода-вывода ЕТ200М и сеть PROFIBUS-DP.

В состав контроллера входит:

Каркас

Центральный процессор CPU 315-2DP

Блок питания PS -307

Коммуникационный процессор CP 343-1

Центральный процессор CPU 315-2DP.

CPU исполняет программу пользователя; подает питание 5В на расположенную с задней стороны модулей шину S7-300;

CPU 315-2 DP отличаются следующими свойствами:

* может использоваться как Master-устройство DP (DP-Master) или как Slave-устройство DP (DP-Slave)

* 48 Кбайт рабочей памяти

* 80 Кбайт встроенной загрузочной памяти RAM; может быть расширена с помощью платы памяти емкостью от 16 Кбайт до 512 Кбайт, в CPU программируемы до 256 Кбайт

Рисунок 3.1. - Элементы CPU 315-2DP

Блок питания PS -307

Преобразует напряжение сети (AC 120/230 В) в рабочее напряжение DC 24 для питания S7-300, а также для электропитания цепей нагрузки DC 24 V.

Источник питания PS 307; 10 A имеет следующие отличительные характеристики:

* Выходной ток 10 A

* Выходное напряжение 24 в пост. тока; защита от короткого замыкания и обрыва цепи

* Подключение к однофазной системе переменного тока (входное напряжение 120/230 В перем. тока, 50/60 Гц)

* Надежная электрическая изоляция в соответствии с EN 60 950

* Может быть использован как источник питания нагрузки

Технические характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Коммуникационный процессор CP 343-1.

Коммуникационный процессор CP 343-1 позволяет производить подключение контроллеров SIMATIC S7-300 к сети Industrial Ethernet. Он разгружает центральный процессор контроллера от выполнения коммуникационных задач и обеспечивает поддержку:

* Транспортных протоколов ISO, TCP/IP и UDP.

* PG/OP функций связи (связь с программаторами и устройствами человеко-машинного интерфейса).

* S7 функций связи (клиент, сервер, мультиплексирование).

* S5 функций связи.

Модуль оснащен встроенными интерфейсами AUI/ITP и RJ45. Переключение между интерфейсами AUI и промышленной витой пары (ITP) выполняется автоматически. Передача данных производится в дуплексном или полудуплексном режиме со скоростью 10 или 100 Мбит/с. Операции определения скорости передачи и настройки на эту скорость выполняются автоматически. При использовании протокола UDP поддерживается передача широковещательных сообщений. CP 343-1 позволяет выполнять дистанционное программирование контроллеров через сеть, а также подключать контроллеры к офисной сети Ethernet. Конфигурирование коммуникационного процессора выполняется с помощью пакета NCM S7 для Industrial Ethernet. Этот пакет входит составной частью в STEP 7 V5 и более поздних версий.

CP 343-1 поставляется с предварительно установленным уникальным Ethernet адресом. Он осуществляет независимую передачу данных по сети Industrial Ethernet с соблюдением требований международных стандартов. Он снабжен собственным микропроцессором и способен работать в комбинированном режиме, обеспечивая поддержку транспортных протоколов ISO, TCP/IP и UDP. При этом для организации обмена данными могут использоваться PG/OP- и S7- функции связи, а также функции S5-совместимой связи. Для контроля соединений возможна настройка времени отклика для всех TCP-соединений с активными и пассивными партнерами по связи.

Станция распределенного ввода-вывода ЕТ200M.

Так как датчики распределены по объекту и удалены от контроллера на значительное расстояние, необходима система для приёма - передачи сигналов.

Для этого используется станции распределенного ввода-вывода. Станции ЕТ200M предназначены для построения систем распределенного ввода-вывода и поваляют использовать в своем составе все сигнальные и функциональные модули. Станция работает в сети PROFIBUS-DP и выполняет функции ведомого устройства.

Станция включает в свой состав подчиненный интерфейсный модуль IM 153-3 (рисунок 3.3), модули входных или выходных аналоговых/дискретных сигналов. А также в состав входит источник питания (PS-307). Станция поддерживает выполнение диагностических функций, с помощью которых контролируется техническое состояние модулей ввода - вывода, короткие замыкания в выходных цепях модулей, ошибки в передаче данных, наличие напряжения питания (=24 В), подключение и удаление модулей. Результаты диагностики могут считываться по сети PROFIBUS-DP или контролироваться по светодиодам станции. В каждом интерфейсном модуле может быть до 8 модулей ввода-вывода информации.