Проектирование автоматизированной системы управления процессом конденсации пропана Таманского перевалочного комплекса сжиженных углеводородных газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание технологического процесса и постановка задачи на проектирование

1.1 Описание объекта автоматизации

1.2 Описание технологического процесса

1.3 Формулировка задачи на проектирование

2. Проектирование АСУ ТП конденсации пропана

2.1 Определение объемов автоматизации

2.2 Функции АСУ ТП

2.3Структура АСУ ТП

2.4 Метрологическое обеспечение АСУ ТП

2.4.1 Выбор датчиков давления

2.4.2 Выбор датчика уровня

2.4.3 Выбор датчика температуры

2.4.4 Характеристики сигнализаторов

2.4.5 Характеристики исполнительных механизмов

2.5 Выбор промышленного контроллера

2.5.1 Конфигурование контроллера SLC5/05

2.6 Выбор инструментальных средств для разработки АСУ ТП

2.6.1 Требования SCADA-системам

2.6.2 Обоснование выбора SCADA-пакета

2.7 Программирование контроллера SLC-500

2.8 Разработка человеко-машинного интерфейса

2.8.1 Требования к HMI

2.8.2 Иерархия экранов

3. Надежность системы автоматизации

3.1 Требования к системе автоматизации

3.4 Расчет основных показателей надежности

4. Проектирование системы автоматического регулирования

4.1 Требования к автоматической системе регулирования

4.2 Определение передаточной функции объекта и выбор типа регулятора

4.3 Расчет оптимальных настроек регулятора

4.4 Выбор ПИД - регулятора

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Обеспечение безопасности

5.1.1 Характеристика условий труда

5.1.2 Санитарно-гигиенические условия труда

5.1.3 Вредные вещества в воздухе рабочей зоны

5.1.4 Освещенность

5.2 Электробезопасность и молниезащита

5.3 Взрывопожаробезопасность

5.4 Чрезвычайные ситуации

5.5 Экологичность проекта

5.6 Выводы

6. Оценка экономической эффективности проекта

6.1 Характеристика объекта исследования

6.2 Методика расчета экономических показателей проектируемой системы

6.3 Расчет единовременных затрат

6.3.1 Расчет затрат на проектирование (разработку) Системы

6.3.2 Расчет затрат на разработку программного обеспечения

6.3.3. Расчет затрат на установку и отладку проектируемой системы

6.4 Расчет основных показателей эффективности

6.4.1 Расчет текущих затрат на функционирование системы

6.4.2 Расчет затрат на электроэнергию

6.4.3 Расчет затрат на заработную плату обслуживающего персонала

6.4.4 Расчет затрат на ремонт

6.4.5. Расчет затрат на амортизацию оборудования

6.5 Анализ чувствительности рынка

6.5.1 Экономия эксплуатационных расходов в условиях функционирования системы

6.5.2 Определение срока окупаемости проекта

6.5.3 Определение внутренней нормы рентабельности проекта

6.5.4 Оценка чувствительности проекта

6.6 Выводы

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В последние годы наблюдается значительный рост мирового производства и потребления сжиженных газов -- пропана и бутана. Доля природных и сжиженных газов в энергобалансах ряда стран достигла 15--20%. Пропан и бутан широко используются в качестве химического сырья, моторного и бытового топлив.

ЗАО "Таманьнефтегаз" является заказчиком и инвестором Таманского перегрузочного комплекса сжиженного углеводородного газа (СУГ), нефти и нефтепродуктов на Таманском полуострове в районе мыса Железный Рог (Краснодарский край). Терминал имеет доступ к Черному морю.

Сегодня российские морские порты не располагают терминалами по перевалке СУГ. В этой связи особый интерес представляют характеристики технологического комплекса для перевалки СУГ по проекту, который осуществляется ЗАО "Таманьнефтегаз".

ЗАО "Таманьнефтегаз" строит терминал для экспорта с тем, чтобы создать надежный и экономически выгодный механизм для юга России и региона Каспийского моря. Планируемый объем перевалки продуктов составит 10,5 млн. тонн в год, в том числе: 1,0 млн. т СУГ; 3,0 млн. т мазута; 5,5 млн. т нефти и 1,0 млн. т светлых нефтепродуктов.

Таманский перегрузочный комплекс является существенным шагом в развитии экспорта в Российской Федерации. Властями Краснодарского края рассматривается как ключевая составляющая для экономического роста и устойчивого развития в регионе [1].

1. Описание технологического процесса и постановка задачи на проектирование

1.1 Описание объекта автоматизации

Таманскую базу сжиженных углеводородных газов (СУГ) размещена в Краснодарском крае, на Юго-восточном побережье Таманского полуострова, между мысами Панагия и Железный Рог, в составе Таманского перегрузочного комплекса.

Таманская база СУГ производит слив сжиженных газов (пропан, бутан) из железнодорожных цистерн в емкости парка хранения с помощью индивидуальных сливных устройств для каждого продукта. Проектом принята наиболее экономически целесообразная схема слива газов путем передавливания парами продукта, обеспечиваемого винтовыми компрессорами. Отсасываемые из цистерн пары пропана (бутана), конденсируются и откачиваются в емкости парка хранения. Далее производится откачка бутана (пропана) из емкостей парков хранения на суда-газовозы с помощью центробежных герметичных насосов. На судах-газовозах газ доставляется заказчику.

Проектом предусматривается создание отдельной факельной системы, предназначенной для приема и сжигания на факеле аварийных сбросов от предклапанов емкостей хранения бутана и пропана и другого емкостного оборудования.

В состав технологических зданий и сооружений базы СУГ входят:

-Парк бутана

-Парк пропана

-Насосная сжиженных газов

-Компрессорная

-Железнодорожная эстакада слива сжиженных газов

-Факельная установка

-Блок оборудования

-Операторная

-Распределительно -трансформаторная подстанция РТП-1

-Насосная станция противопожарного и оборотного водоснабжения с РТП-2

-Резервуары противопожарной воды

-Воздушная компрессорная с блоком осушки и узел получения азота

Мощность перевалочного комплекса пропана и бутана согласно Заданию на проектирование составляет 1,0 млн.тонн/год СУГ, в т.ч.:

-пропан - 75%;

-бутан - 25%.

Основные показатели процессов:

Объем емкостей хранения пропана, м3-шт 600 x32

Объем емкостей хранения бутана, м3-шт 600 x16

1.2 Описание технологического процесса

Хранение СУГ осуществляется в надземных стальных цилиндрических емкостях под давлением при температуре окружающего воздуха.

Всего предусмотрено 12 парков по 4 емкости объемом 600 м3 согласно ПБ 09-566-03. Из них 8 парков предназначено для хранения пропана, 4 парка - для бутана без взаимозаменяемости.

В компрессорном парке пропана расположены два рабочих компрессорных агрегата ВК-1,2 и один резервный ВК-3.

В летнее время высокая температура воздуха способствует повышению давления и образованию паров пропана в емкостях. Система конденсации газа обеспечивает своевременный отсос паров пропана с помощью винтовых компрессоров ВК-1,2,3 и их охлаждения с помощью кожухотрубчатого холодильника-конденсатора Х-1.

Пары пропана из железнодорожных емкостей попадают в сепаратор всасывания компрессоров Е-1, где происходит отделение газообразного пропана от жидкой фазы, то есть конденсата. Конденсат по трубопроводу направляется в сборник пропана Е-5. Газ поступает на винтовые компрессоры

ВК-1,2,3, сжимается и попадает в сепараторы Е-2,3,4,где производится процесс отделения газа от масла, используемого для функционирования компрессорных агрегатов. Уровень масла в сепараторах Е-2,3,4 регулируется с помощью пневматических клапанов, при повышении уровня, масло сливается в маслобаки. Сжатый газ по трубопроводу направляется к холодильнику-конденсатору Х-1. Конденсат пропана поступает в сборник конденсата Е-5. Далее сжиженный газ по трубопроводу направляется к насосному парку и сливается обратно в железнодорожные емкости хранения..

Технологическая схема предусматривает применение винтовых компрессоров с техническими характеристиками, соответствующими расчетному технологическому режиму:

-компрессоры для слива и отсоса паров из пропановых цистерн приняты с диапазоном давления всасывания от 1,36 ата до 5,48 ата, что обеспечивает необходимый перепад давлений нагнетания и всасывания при сливе и минимальное количество компрессоров при сливе и отсосе паров.[1]

Схема автоматизации технологического процесса представлена в приложении Е.

1.3 Формулировка задачи на проектирование

Требуется спроектировать систему автоматического управления технологическим процессом конденсации пропана, отвечающую требованиям данного проекта.

Основное требование к АСУ ТП базы СУГ - обеспечить надежную, безаварийную эксплуатацию основного и вспомогательного оборудования с минимальной численностью обслуживающего персонала. Это требование предполагается реализовать за счет повышения качества информации (точности, оперативности, надежности), рационального сочетания централизации и автономности управления технологическими объектами, выполнения функций блокировок и защит средствами микропроцессорной техники (без использования традиционной релейной логики).

Одновременно использование АСУ ТП позволит обеспечить:

-сокращение потребности в занимаемых площадях для размещения технических средств (за счет исключения промежуточных помещений);

- снижение объемов строительно-монтажных работ.

2. Проектирование АСУ ТП конденсации пропана

2.1 Определение объемов автоматизации

Система автоматизации технологического процесса предназначена для обеспечения обслуживающего персонала всей необходимой информацией для принятия оптимальных решений по управлению технологическими процессами и автоматического поддержания параметров системы в заданных технологическим регламентом диапазонах.

Конкретные объемы автоматизации предусматривают:

a) Сепаратор Е-1:

-Измерение давления газообразного пропана;

-Измерение температуры газообразного пропана

-Измерение уровня газового конденсата;

-Сигнализация аварийного значения уровня газового конденсата.

б) Трубопровод:

-Измерение давления газообразного пропана в линии к сепараторуЕ-1;

-Регулирование давления;

-Измерение температуры газа в линии к конденсатору Х-1;

-Измерение давления газа в линии перед его конденсацией в Х-1;

-Измерение температуры обратной оборотной воды, поступающей в межтрубное пространство конденсатора Х-1.

в) Клапаны регулирования:

-Управление клапаном;

-Сигнализация состояния клапана.

г) Задвижки:

-Управление состоянием задвижки;

-Проверка состояния задвижки.

-Компрессорные агрегаты ВК-1,2,3:

-Управление состоянием агрегата;

-Проверка состояния агрегата.

д) Сепараторы Е-2,3,4:

-Измерение и регулирование уровня масла в масленом отсеке сепаратора;

-Сигнализация аварийного уровня масла.

-Конденсатор холодильник Х-1:

-Измерение температуры газа;

-Сигнализация высокого значения температуры газа;

-Измерение давления газа.

-Емкость для сбора конденсата Е-5:

-Измерение давления сжиженного газа в емкости;

-Измерение уровня сжиженного газа в емкости;

-Сигнализация аварийного уровня в емкости.

2.2 Функции АСУ ТП

АСУ ТП конденсации пропана обеспечивает выполнение следующих процессов:

-Сбор данных с измерительных приборов и архивация данных о

технологических параметрах;

-Контроль технологических параметров;

-Сигнализация (выдача предупреждающих и аварийных сообщений на операторские АРМы на щит управления);

-Автоматическое управление:

а) Защита компрессорных агрегатов реализована путем блокировки пуска компрессорного агрегата при отсутствии готовности к пуску, и аварийного отключения при отклонении давления, температуры от нормируемых значений и при превышении нормируемого значения уровня в сепараторе всасывания компрессоров.

б) Защита трубопровода и вспомогательного оборудования реализована путем блокировки агрегатов и полного закрытия всех задвижек и регулирующих клапанов.

в) Защита конденсатора-холодильника реализована путем блокировки компрессорных агрегатов и перекрытия всех задвижек и

и клапанов регулирования.

г) Местное и дистанционное управление компрессором с запуском на закрытую входную задвижку и сигнализацией состояния;

д) Местное и дистанционное управление задвижками и клапанами с сигнализацией положения (открыта - закрыта) и сигнализацией при аварии;

е) Управление состоянием электродвигателей компрессорных агрегатов (включение, отключение).

- Визуализация процесса конденсации пропана.

2.3 Структура АСУ ТП

Проектируемая система имеет следующую иерархию:

Нижний уровень (действующий на объекте парк КИПиА)- уровень контроля технологических агрегатов, обеспечивает:

-сбор и обработку технологических данных;

-контроль технологических параметров, режимов работы оборудования;

-управление агрегатами на основе собранной информации (регулирование режима с выбором уставок);

-реализацию функций безопасности;

-передачу технологической информации к ПЭВМ второй ступени системы;

-автоматическую диагностику и диагностику оборудования.

Данные процессы реализуются посредством использования контроллера, датчиков, и исполнительных механизмов.

Верхний уровень - уровень оператора, реализует следующие функции:

-диалог с оператором, технологом;

-концентрацию, фильтрацию и накопление технологической информации;

-обработку и хранение информации;

-формирование и ведение файлов оперативных данных, аварий, таблиц;

-формирование и вывод на экраны мониторов оперативных данных в виде мнемосхем;

-автоматическую диагностику функционирования элементов системы;

-формирование и передачу информации на верхний уровень управления;

-прием информации от верхнего уровня управления.

Верхний уровень реализуется посредством использования персонального компьютера, который находится в помещении операторной

Связь между уровнями системы осуществляется с помощью кабельной сети.

Система функционирует в следующих режимах:

-автоматический;

-настройки.

В автоматическом режиме обеспечивается автоматический сбор, обработка технологической информации и управление технологическим объектом. В режиме настройки обеспечивается автоматический сбор, обработка технологической информации и управление технологическим объектом, а также изменение параметров настройки в ручном режиме оператором-технологом.

Переход из одного режима в другой происходит безударно.

В системе реализована возможность диагностики технических средств системы и системы в целом в процессе автоматической работы системы, при проведении профилактических работ на временно выведенных из работы средствах, в автономном режиме после ремонта или длительного хранения.

Система допускает блочное аппаратное наращивание при появлении дополнительных каналов ввода-вывода, а также обеспечивает возможность наращивания ее функций. Резерв количества каналов ввода/вывода составляет 20% от каждого типа канала.

Разработанная система представляет собой восстанавливаемую, обслуживаемую систему, предназначенную для круглосуточной работы.

Технические средства АСУ ТП должны соответствовать требованиям ГОСТа, а также требованиям по безопасности средств вычислительной техники, используемой в АСУ ТП.

Все внешние элементы технических средств системы, находящиеся под напряжением должны иметь защиту от случайного прикосновения человека, а сами технические средства - быть заземлены в соответствии с требованием ГОСТ.

C целью обеспечения защиты процесса управления от неквалифицированного вмешательства, доступ на изменение заданий и ручной ввод данных и директив должны контролироваться системой. Неправильные действия операторов игнорируются.

Доступ к процедурам программного обеспечения, реализующим функции изменения конфигурации технологических объектов в базах данных, осуществляется через систему паролей.

Временный отказ технических средств или потеря электропитания не приводят к разрушению накапливаемой во времени информации.

2.4 Метрологическое обеспечение АСУ ТП

2.4.1 Выбор датчиков давления

Необходимо выбрать датчики давления, отвечающие требованиям данного объекта автоматизации. Основные требования к датчикам давления: унифицированный выходной аналоговый сигнал 4-20МА, измеряемая среда- газ, сжиженный газ, диапазон измеряемого давления 0…2,5 МПа. Для измерения давления в линии, сепараторах и емкости необходима цифровая индикация. При выборе датчика так же играют роль предел допускаемой погрешности, потребляемая мощность, срок службы, диапазон рабочих температур, взрывозащищенность.

В таблице 2.1 представлены основные технические характеристики различных датчиков давления.

Выбор датчика произведем исходя из целевой функции (Ф), рассчитываемой по формуле (2.1). При минимальной погрешности измерения датчик должен обеспечивать широкий диапазон измеряемых значений.

(2.1)

Для датчика ДМ8009 Ф_1.1=0,04, для Метран-100Ех Ф_1.2=0,1, для Сапфир-22-5051ДА Ф_1.2=0,1, для ROSEMOUNT 3051S Ф_1.4=0,018, и для FUJI ELECTRIC FCX-ALL Ф_1.5=0,021.

Судя по полученным результатам, датчики FUJI и ROSEMOUNT являются наиболее точными, они обеспечивают максимальный диапазон измеряемых значений при минимальной погрешности. На объекте автоматизации предполагается передача данных в соответствии с протоколом Ethernet. Датчик FUJI не поддерживает сеть Ethernet. Стоимость датчика Rosemount в несколько раз превышает стоимость датчиков ДМ8009, Метран-100Ех, Сапфир-22-5051ДА и имеет наименьший срок годности.

Для измерения давления в конденсаторе Х-1 был выбран датчик ДМ8009, так как имеет наименьшую стоимость и отвечает требованиям измерения.

Для измерения давления в линии, сепараторах, емкости был выбран датчик Метран-100Ех, обладающий ж/к индикатором [6,7,8,11].

Таблица 2.1- Сравнительная характеристика датчиков давления

Параметр	ДМ8009	Метран-100Ех	Сапфир-22 (модель 5051 ДА)	ROSEMOUNT 3051S	FUJI ELECTRIC FDH
Измеряемые среды	Нейтральные и агрессивные среды	Агрессивные некристаллизирующиеся жидкие и газообразные среды	Нейтральные и агрессивные среды	Жидкости, в т.ч. нефтепродукты; пар, газ, газовые смеси	Жидкость ,газ, пар, агрессивные среды
Диапазон измерения	0…2,5МПа	0…2,5МПа	0…2,5Мпа	0…3МПа	0…3 МПа
Предел допускаемой погрешности	0.1%	0,25%	0.25%	0,055%	0,065%
Выходной сигнал	4-20мА	4-20мА	4-20мА	4-20мА	4-20мА
Взрывозащищенность	ExdIICT6	ExiaIICТ5X	ОЕхiaIIСТ5Х	-	NEMA 6/6P
Степень защиты от пыли и воды	IP65	ExiaIICT5X, ExibIICT5X	-	IP68	IP66/67
Температурные условия	-26…+90°С	-30…+90°С	-50…+80°С	-51…+85 °С	-40…+100°С
Срок службы	12 лет	12 лет	10 лет	8 лет	8 лет
Наличие жидкокристаллического индикатора	Нет	Да	Нет	Нет	Да
Цена:	12672,1	16400	13790	90000	35000

2.4.2 Выбор датчика уровня

При выборе датчика уровня обращаем внимание на следующие параметры: измеряемая среда, диапазон измеряемых уровней, предел допускаемой погрешности, взрывозащищенность, тип выходного сигнала, температура окружающей среды, срок службы, степень защиты от воздействий окружающей среды, метод измерения.

Сравнительная характеристика датчиков уровня представлена в таблице 2.2.

Выбор датчика произведем исходя из целевой функции (Ф), рассчитываемой по формуле (2.2). При минимальной погрешности измерения датчик должен обеспечивать широкий диапазон измеряемых значений.

(2.2)

Целевая функция для датчика Сапфир 22ДУ имеет значение Ф_2.1=0,00005, для CУС 181 Ф_2.2=0,0000625, для УР203Ех Ф_2.3=0,0000043, для датчика Rosemount-3300 Ф_2.4=0,000002

Исходя из полученных результатов датчик фирмы Rosemount является самым точным. При широком диапазоне измерения, он обеспечивает сравнительно небольшую погрешность. Метод измерений- контактный, это означает, что измеряемая среда оказывает влияние на погружной элемент и может привести к быстрому износу датчика. Датчик УР203Ех обеспечивает бесконтактный способ измерения и имеет самый широкий срок службы, самая высокая цена датчика вполне оправдывает себя.

Принцип действия уровнемера основан на облучении поверхности контролируемой среды радиоволновым сигналом СВЧ с периодически изменяющейся частотой. В результате взаимодействия излученного и отраженного сигналов возникает сигнал разностной частоты, пропорциональной расстоянию от антенны излучателя до поверхности продукта. После соответствующей обработки сигнала разностной частоты вырабатывается цифровой (кодовый) и токовый выходные сигналы, пропорциональные текущему значению измеряемого уровня [9-11].

Таблица 2.2-Выбор датчика уровня

Параметр	Сапфир 22ДУ	CУС 181	УР203Ех	Rosemount-3300
Измеряемые среды	Жидкость, агрессивные среды	Жидкая, сыпучая, неэлектропроводная в т.ч. сжиженные газы	Жидкие, сыпучие и кусковые продукты, сжиженный газ	Жидкость, сжиженный газ
Диапазон измеряемых уровней	0-10000мм	0-4000мм	0…15000мм	100-20000мм
Предел допускаемой погрешности	0.5%	0.25%	0.065%	0.1%
Выходной сигнал	4-20мА	4-20мА	4-20мА	4-20мА
Взрывозащищенность	ExiaIIСТ6	ExibIIBT5	1ЕхdIIВT3	ExdiaIICT6
Температура окружающей среды	-45… +60°С	-45… +60°С	-40…+60°С	-40 +85°С
Срок службы	10лет	10лет	14 лет	12 лет
Степень защиты от пыли и воды	IP56	IP54	IP65	IP66
Метод измерения	Контактный	Контактный	Бесконтактный	Контактный
Цена	27203	6920	37500	25000

2.4.3 Выбор датчика температуры

Выбор датчика температуры основывается на сравнении следующих основных характеристик: измеряемая среда, диапазон измеряемых температур, предел допускаемой погрешности, взрывозащищенность, тип выходного сигнала, потребляемая мощность, температура окружающей среды, срок службы, степень защиты от пыли и воды.

Сравнительная характеристика датчиков температуры приведена в таблице 2.3. Выбор датчика произведем исходя из целевой функции (Ф), рассчитываемой по формуле (2.2). При минимальной погрешности измерения датчик должен обеспечивать широкий диапазон измеряемых значений.

(2.2)

Целевая функция для датчика ТСМ Метран-204(100М) имеет значение Ф_3.1=0,0015 для ТСМУ-205-Н Ф_3.2=0,0025, для Метран ТСМУ-55 Ф_3.3=0,0025, для датчика Метран-243 Ф_2.4=0,00357, для Rosemount 144H Ф_3.5=0,00053.

Исходя из полученных результатов датчик фирмы Rosemount является самым точным. При самом широком диапазоне измерения, он обеспечивает самую малую погрешность. Срок службы этого датчика самый долгий, а цена приемлема.

Для измерения температуры оборотной воды в конденсаторе Х-1 был выбран термометр ртутный ТТП-4.1[6,8].

Таблица 2.3 - Обзор датчиков температуры

Параметр	ТСМ Метран-204 (100М)	ТСМУ-205-Н	Метран ТСМУ-55	Метран-243	Rosemount 144H
Измеряемые среды	Жидкие и газообразные химически-неагрессивные среды, агрессивные, но неразрушающие металл среды	Различные, в том числе, агрессивные среды	Нейтральные и агрессивные среды	Малогабаритные подшипники и поверхности твердых тел	Нейтральные и агрессивные среды
Диапазон измеряемых температур	-50 …+150°С	-50…+150С	-50 +150С	-50… +120С	-60… +250°С
Предел допускаемой погрешности	0,15%	0,25%	0.25%	0.25%	0.1%
Потребляемая мощность	Не более 0.5Вт	0,8 Вт	0.5Вт	-	0.5Вт
Выходной сигнал	4-20мА	4-20мА	4-20мА	4-20мА	4-20мА
Взрывозащищенность	ExdIICT6	ExiaIICT X	ExdIICT6	-	ExdeIICT6
Температура окружающей среды	-50 …+60°С	-25…+80°С	-	-45 +60	-40… +60°С
Срок службы	5лет	5лет	-	5лет	8лет
Цена	9204	26500	4225	243	6800

2.4.4 Характеристики сигнализаторов

Сигнализация минимального и максимального давления в линии, в сепараторах и в емкости хранения конденсата реализуется посредством использования сигнализирующих манометров ДМ-2005Сг согласно технологическому регламенту. Манометры показывающие сигнализирующие ДМ-2005Cг предназначены для измерения вакуумметрического и избыточного давления неагрессивных, некристаллизующихся жидкостей, газов, паров и управления внешними электрическими цепями от сигнализирующего устройства прямого действия путем включения и выключения контактов в схемах сигнализации, автоматики и блокировки технологических процессов.

ДМ - 2005Cг имеет следующие технические характеристики:

-диапазон показаний приборов 0-1600 кгс/см²;

-класс точности приборов 1;

-предел допускаемой основной погрешности срабатывания сигнализирующего устройства 2,5%;

-прибор является взрывозащищенным с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка";

-прибор устойчив к воздействию температуры окружающего воздуха от -50 до + 60 єС и относительной влажности до 98% при 35 єС и более низких температурах конденсации влаги.

Сигнализация минимального и максимального уровня в сепараторах и емкости хранения сжиженного пропана реализована посредством использования сигнализаторов уровня ЭХО-АС-01, согласно технологическому регламенту.

Датчик предназначен для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе взрывоопасных, агрессивных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов с диаметром гранул и кусков от 5 до 300мм, при температуре контролируемой среды -30..+120°С. Цельная конструкция обеспечивает надежную защиту от химического и физического воздействия, а также обнаружение сигнала с большой точностью. Данный прибор основан на локации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду и отражающимися от границы раздела "газ - измеряемая среда".

Датчик состоит из акустического преобразователя АП и блока измерительного БИ-1 и выпускается в пылеводозащищенном исполнении.

Датчик имеет жидкокристаллический дисплей, на который выводится следующая информация о текущих значениях измеряемых величин (уровень, объем контролируемого вещества, расстояние до объекта) и содержимое архивов (диагностические сообщения о неисправностях).

Датчик имеет релейные выходные сигналы (три пары "сухих" контактов реле), предназначенные для сигнализации верхнего, номинального и нижнего уровней. Возможен вывод информации на компьютер через встроенный интерфейс RS-232 (RS-485)

Для функционирования датчика акустический преобразователь устанавливается в верхней части резервуара, а электронный блок - в отапливаемом помещении. Преобразователь и блок соединены 5-жильным медным кабелем.

Технические характеристики сигнализатора ЭХО-АС-01:

-основная погрешность датчика: 1%;

-выходной сигнал, 0..5; 0..20; 4..20Ма;

-напряжение питания: 220В;

-диапазоны измерения: (0..0,1)-(0..20)м;

-допускается перестройка диапазонов в процессе эксплуатации.

Сигнализация максимально-допустимого и аварийного значений температуры реализуется посредством использования сигнализаторов температуры СПТ-30, согласно технологическому регламенту.

Сигнализатор предельной температуры СПТ осуществляет сигнализацию и включение исполнительных устройств, при снижении или повышении температуры выше или ниже допустимого предела.

Прибор СПТ предназначен для установок, работающих в климатических районах, где температура может опускаться ниже или подниматься выше предельно допустимых значений.

Сигнализатор подает звуковые сигналы при приближении и достижении предельных температур и автоматически включает внешние исполнительные устройства сигнализации или блокировки механизмов при выходе температуры за установленные пределы.

Основные технические характеристики:

-число контролируемых пределов температур - два;

-диапазоны уставок контролируемых пределов температур: отрицательных, °С - от минус 10 до минус, 40, положительных, °С - от плюс 30 до плюс 60;

-непрерывная (аналоговая) установка пределов температуры в указанных диапазонах;

-предел допустимого основного отклонения срабатывания прибора по предельным значениям установленных температур ±2 °С;

-разность температур срабатывания и отпускания прибора не более1,5 °С;

В приборе обеспечивается:

-световая индикация рабочей зоны температур индикатором "НОРМА/ВНИМАНИЕ";

-прерывистая звуковая и мигающая световая предварительная сигнализация приближения к предельным температурам на (85±5) % от уставок предельных температур.

-непрерывная световая и звуковая сигнализация вхождения сигнализатора предельной температуры (СПТ) в опасную зону предельных температур "ОПАСНО";

-встроенный световой и звуковой контроль обрыва и замыкания кабеля датчика прибора;

-функциональный тест-контроль работы прибора;

-электрическое питание прибора осуществляется от: 220⁺²²:

а)сети переменного тока напряжением (220 ~³³) В с частотой (50±1)Гц;

б)от источника постоянного тока напряжением (24±6)В или (12±3)В;

-потребляемая мощность - не более 4 ВА.;

-степень защиты по ГОСТ 14255-69*:

а)для блока контроля - IP50;

б)для датчика - IP54;

-условия эксплуатации сигнализатора:

Объемы автоматизации и спецификация датчиков приведены в приложении Г.

2.4.5 Характеристики исполнительных механизмов

В качестве запорной исполнительных механизмов, согласно технологическому регламенту, предполагается использование шаровых кранов и регулирующих клапанов. Газовый шаровой кран ГШК с электроприводом МЭОФ имеет в комплектации блок сигнализации положения выходного вала - токовый БСПТ с унифицированным сигналом 4-20 мА. Нелинейность датчиков блоков сигнализации положения ±2,5%.Средний срок службы механизмов не менее 15 лет.

Клапаны РК 301 предназначены для поддержания и непрерывного регулирования параметров технологического процесса (расхода, давления, температуры и т.п.).

Рабочие среды - жидкость, газ, пар без абразивных составляющих, воздух, другие среды, совместимые с материалами внутренних частей клапана.

Для обеспечения долговременной герметичности клапана рекомендуется установка фильтра-редуктора в трубопровод перед клапаном.

Основные технические характеристики:

-давление воздуха 6,0 кгс/см2

-температура регулируемой среды от -40 до +225С;

-материал корпуса - сталь 25Л;

-температура окружающей среды от -26 до +37C;

-климатическое исполнение У по ГОСТ 15150-69.

В комплекте:

-ответные фланцы по ГОСТ 12821-80;

-фильтр -редуктор;

-электропневмопозиционер (в комплекте с БИП-1), исполнение OEXiallCT6, входной сигнал 4-20 мА;

Класс герметичности регулирующего клапана- IV по ГОСТ 23866-87.

2.5 Выбор промышленного контроллера

В наши дни на рынке средств автоматизации находится множество контроллеров, как отечественного, так и зарубежного производства. Специалистам предприятий подчас трудно правильно сориентироваться в большом количестве типов контроллеров, персональных компьютеров, пакетов программного обеспечения (ПО), чтобы выбрать оптимальное по производительности оборудование и сохранить при этом одного поставщика технических средств и единую среду разработки ПО .

Ведущими фирмами производителями программируемых логических контроллеров (ПЛК) являются: Advantech, Siemens, Allen-Bradley (Rockwell), Mitsubishi. Однако в последнее время все большее внимание уделяется и отечественным производителям, так как, прежде всего, они демонстрируют оптимальное соотношение цены и качества. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Контроллер МФК3000 компании "ТЕКОН" (г. Москва) предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов среднего и большого уровня сложности, а также для создания систем блокировок и противоаварийной защиты (ПАЗ).

МФК3000 применяется при создании АСУ ТП энергоблоков, котлов и других ответственных объектов теплоэнергетики. В различных вариантах конфигурации МФК3000 является основой АСУ ТП высокой и средней сложности в энергетике, химии, нефте- и газопереработке, машиностроении, металлургии, производстве стройматериалов и т.п.

В состав контроллера входят:

- один, два или три крейта с возможностью подключения 21 модуля каждый;

- до 61 модуля ввода-вывода (ВВ/В) и до 2 модулей центральных процессоров (ЦП);

- 15 типов модулей ввода-вывода с групповой и индивидуальной гальванической изоляцией;

- механизм "plug & play" модулей;

- осуществляется резервирование модулей ввода-вывода, ЦП;

- дублирование питания;

- контроль линий связи с датчиками на обрыв;

- барьеры искрозащиты серии TCC Ex.

МФК3000 выполнены на базе процессора Рentium 300МГц, имеют Flash-память 64 Мб, оперативную память 64 Мб и энергонезависимую память 512 Кб. Число входов/выходов составляет: дискретных до 2928/1952, аналоговых до 976/488 соответственно.

Контроллер оснащен интерфейсами Ethernet 10/100-BaseT, RS232, LPT1, VGA, клавиатурой. Питание происходит постоянным током напряжением 24 В.

К недостаткам данного контроллера можно отнести:

- непереносимость низких температур (рабочий параметр от +1 до +55°С);

- основное внимание уделено дискретным модулям.

Универсальные модульные контроллеры серии MIC компании ЗАО "МСТ" (г. Новосибирск) предназначены для построения недорогих высокопроизводительных АСУ ТП. Модульная архитектура и коммуникационные возможности позволяют использовать их при построении как локальных автономных, так и распределенных систем управления с объемом ввода-вывода от 50 до нескольких тысяч каналов [9].

Ядром контроллера MIC является модуль центрального процессора MIC-860 на базе 32х разрядного микроконтроллера с архитектурой PowerPC фирмы Motorola.

Технические характеристики модуля MIC-860:

- внутренняя тактовая частота - 80 МГц, частота системной шины - 40МГц;

- память SDRAM 16/32/64М, Flash 4/16/32М, SRAM 1M;

- часы реального времени (RTC);

- энергонезависимое питание SRAM и RTC до7суток;

- монитор питания;

- коммуникационные интерфейсы RS-232, Fast Ethernet, RS-485.

Подсистема ввода-вывода строится на базе универсальных модулей-носителей MIC-CB и широкого набора мезонинных субмодулей УСО, позволяющих подключать к контроллеру MIC большинство серийно производимых датчиков и исполнительных механизмов (через силовые шкафы). Субмодули УСО выполнены в соответствии со стандартом ModPack. Кроме этого подсистема ввода-вывода может быть расширена с помощью интеллектуальных блоков распределенного ввода-вывода серии MIRage, подключаемых по цифровому каналу RS 485.

Программирование контроллеров осуществляется при помощи языков С++, ISaGRAF.

Эксплуатационные характеристики:

- наработка на отказ не менее 100 000 часов;

- рабочий температурный диапазон от 0..+70 С;

- источник питания: вх =220V AC / 220V DC;

- операционная система - OS-9.

Несмотря на очевидные достоинства, контроллеры отечественных производителей по-прежнему уступают по основным техническим характеристикам своим зарубежным аналогам.

Новейшее поколение модульных ПЛК Mitsubishi Electric для комплексных задач автоматизации среднего и высокого уровня сложности представляет серию MELSEC System Q. Высокая вычислительная мощность в сочетании с широчайшими коммуникационными возможностями, расширением до 8192 каналов ввода/вывода и трехуровневым аппаратным резервированием позволяет их успешно использовать в АСУ ТП крупных ответственных объектов, реализуя алгоритмы управления любого уровня сложности.

ПЛК System Q поддерживают многопроцессорный режим обработки данных, что делает возможным параллельное использование в одном ПЛК до 4-х ЦП одного или нескольких типов. Для выбора оптимальной конфигурации контроллера предлагается 15 типов процессорных модулей.

Наличие многопроцессорного режима обработки в одном контроллере позволяет:

- организовать высокоскоростной обмен данными между отдельными процессорными модулями по внутренней шине;

- увеличить производительность системы и обеспечить ее высокое быстродействие за счет деления сложных алгоритмов между несколькими ЦП;

- повысить надежность за счет распределенного алгоритма обработки данных;

- снизить стоимость системы за счет использования одного многопроцессорного контроллера вместо нескольких однопроцессорных, объединенных по сети.

Контроллеры серии System Q имеют широкие возможности для построения систем управления c распределённой архитектурой. При этом подключение контроллера к удалённым станциям ввода/вывода возможно через стандартные полевые шины, такие как: Ethernet, PROFIBUS/DP, MODBUS, DeviceNet. Кроме того, возможно подключения модулей УСО с нестандартным протоколом через интерфейсы RS-485 или RS-232.

Конструктивно контроллер состоит из источника питания, одного или нескольких ЦП и модулей ввода-вывода, которые устанавливаются в базовое шасси. Базовое шасси оснащено внутренней высокоскоростной шиной для обмена данными между отдельными модулями и ЦП. При необходимости увеличения каналов ввода-вывода, к внутренней шине базового шасси подключается до семи шасси расширения, при этом их максимальное удаление от базового шасси составляет 13,2 м.

К основным особенностям ПЛК System Q относятся:

- быстродействие до 34 нс/лог. операцию;

- объем памяти ЦП до 32 Мбайт;

- расширение до 8192 каналов ввода-вывода;

- широкий выбор модулей ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов с гальванической развязкой; преобразователей сигналов температурных датчиков; аппаратных ПИД-регуляторов; высокоскоростных счетчиков; позиционеров, коммуникационных модулей и т.д.;

- обработка аналоговых сигналов с разрядностью до 32 бит;

- развитые средства коммуникации и поддержка открытых полевых шин:

- реализация многопроцессорного режима обработки данных;

- компактная конструкция (размер модулей ввода/вывода 27х98х90 мм)

- наличие встраиваемого промышленного ПК (Celeron 400 МГц, 128 Мбайт) с портами USB, 2xPCMCIA, Ethernet, VGA, PS/2. Функциональное назначение модуля - выполнение приложений ПК и ПЛК (обработка данных, управление, удаленная диагностика, визуализация, ведение баз данных, WEB-Server). Языки программирования С++; Visual Basic.

SLC 500 -- это развивающееся семейство малых программируемых контроллеров, построенное на двух аппаратных модификациях: фиксированный контроллер с опцией расширения при помощи 2-x слотного шасси, или модульный контроллер до 960 точек ввода/вывода. Средства программирования и большинство модулей В/В совместимы для обеих модификаций, так что возможна реализация с минимальной стоимостью широкого спектра приложений.

Модульная конструкция ввода-вывода, памяти и интерфейсов связи обеспечивает перестройку и расширение контроллера. При конфигурировании контроллера определяется необходимое количество входов-выходов, требуемый объём памяти и тип сети связи. Впоследствии при необходимости расширения возможностей контроллера имеется возможность добавить в него вх/вых, память или интерфейсы связи.

В контроллере предусмотрены быстрый обмен сообщениями по сети, связь с другими сетями, а также связь между модулями в шасси.

Аппаратура контроллера разработана для эксплуатации в тяжёлых промышленных условиях, для противостояния вибрациям, повышенной температуре и электромагнитным помехам.

Компактная конструкция контроллера позволяет устанавливать его в ограниченном пространстве.

Удалённый доступ к контроллеру возможен посредством соединения с ним по сетям Ethernet, ControlNet, DeviceNet, DH+, DH-485.

Удалённый доступ к модулям ввода-вывода, расположенным в другом

месте может быть осуществлён посредством связи по сетям ControlNet,

, DeviceNet и Remote I/O.

В дополнение к гибкости конфигурирования программируемые контроллеры SLC 500 имеют встроенный порт сети DH-485, обеспечивая тем самым программную поддержку и мониторинг.

Семейство SLC 500 предлагает широкий выбор модулей дискретного ВВ/В, которые позволяют Вам строить системы управления с минимальными затратами. Наличие 32-канальных модулей ВВ/В снижает, кроме того, требования к монтажному пространству. Все дискретные и специализированные модули сертифицированы в соответствии со стандартами индустриальных приложений UL и CSA, а большинство из них одобрено для использования в условиях окружающей среды.

Краткая сравнительная характеристика основных параметров контроллеров представлена в таблице 2.4.

Таблица 2.4-Сравнительная характеристика контроллеров

Тип контроллера	МФК3000	MIC	SLC500	ПЛК
Фирма	"Текон"	ЗАО "МСТ"	Allen Bredley	Mitsubishi Electric
Страна	Россия	Россия	США	Япония
Гарантия (лет)	1	1	1	1
Количество модулей в каркасе	До 21	н/д	4/7/10/13	н/д
Количество типов модулей	61	32	96	15
Колличество каналов модулей вв/выв	н/д	32	32	32
Быстродействие, мк.сек.	0,375-1,125	0,2-1,1	0,255-0,9	0,034
Память программы (К)	15,2	н/д	60	н/д
Тип контроллера	МФК3000	MIC	SLC500	ПЛК
Интерфейсы передачи данных	Ethernet10/100-BaseT,RS232,LPT1,VGA	RS232,RS485, Fast Ethernet	Ethernet,DH+, ControNet, DEVICENet, DH-485	Ethernet, PROFIBUS/DP, MODBUS, DeviceNet, RS-485 или RS-232
Расширение	н/д	Блоками вв/выв	2-слотовым шасси, 960-вх/вых контроллер	н/д
Язык программирования	н/д	С++,ISaGRAF	VBA	С++,Visual asic

В данном проекте был выбран контроллер серии SLC-500 фирмы Allen-Bradley, обладающий широким выбором модулей ввода-вывода, гибкостью конфигурирования, возможностью расширения конфигураций.

Основные характеристики процессоров семейства SLC 500 представлены в таблице 2.5

Таблица 2.5 - Основные характеристики процессоров семейства SLC 500

Характеристика	SLC 5/01	SLC 5/02	SLC 5/03	SLC 5/04	SLC 5/05
Память программ	1К или 4К	4К	12К слов	12К слов	28К слов	60К слов	12К слов	28К слов	60К слов
Доп. память данных	0	0	до 4К слов	до 4К слов	до 4К слов	до 4К слов	до 4К слов	до 4К слов	до 4К слов
Макс. кол-во локал. В/В	256 дискр	480 дискр	960 дискр	960 дискр	960 дискр	960 дискр	960 дискр	960 дискр	960 дискр
Характеристика	SLC 5/01	SLC 5/02	SLC 5/03	SLC 5/04	SLC 5/05
Макс. кол-во уд.В/В	Нет	4096 вх. и 4096 вых. макс.
Дополнит. Резервное ОЗУ	EEPROM, UVPROM	EEPROM, UVPROM	FLASH
Лампы индикации	RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW	RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW, COMM	RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW, DH-485, RS-232	RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW, DH+, RS-232	RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW, DH+, RS-232 RUN, FAULT, FORSET I/O, BATTERY LOW, ETHERNET, RS-232
Программирование	APS, PLC500, AI Ser, ручн. прогр-р	APS, PLC500, AI Ser	APS, PLC500, AI Ser	APS, PLC500, AI Ser	APS, PLC500, AI Ser
Набор инструкций	52	71	99	99	99
Характеристика	SLC 5/01	SLC 5/02	SLC 5/03	SLC 5/04	SLC 5/05
Тип. время сканирования	8 мс/К	4.8 мс/К	1 мс/К	0.9 мс/К	0.9 мс/К
Время выполн. битовой инстр. (XIC)	4 мкс	2.4 мкс	0.44 мкс	0.37 мкс	0.37 мкс

Каждый контроллер семейства SLC 500 поддерживает определенный набор инструкций. Данная информация представлена в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Наборы инструкций процессоров семейства SLC 500

Инструкции	SLC 5/01	SLC 5/02	SLC 5/03	SLC 5/04	SLC 5/05
Битовые	+	+	+	+	+
Таймеры и счетчики	+	+	+	+	+
Сравнение	+	+	+	+	+
Основные математические	+	+	+	+	+
Перемещение, копирование и логические	+	+	+	+	+
Секвенсоры	+	+	+	+	+
Управление	+	+	+	+	+
Связь		+	+	+	+
Прерывания		+	+	+	+
Сдвиг битов FIFO, LIFO		+	+	+	+
ПИД (PID)			+	+	+
Расширенные матем-е			+	+	+
Косвенная адресация			+	+	+
Операции с плавающей точкой			+	+	+

Из проведенной сравнительной характеристики контроллеров ясно, что мощность процессоров SLC 5/01 недостаточна для проектируемой системы автоматизации. Процессоры SLC 5/01 и SLC 5/02 не поддерживают косвенную адресацию. Для автоматизации компрессорной и блока оборудования СУГ применимы контроллеры SLC 5/03, SLC 5/04, и SLC 5/05.Сеть передачи данных Ethernet является универсальной для любого типа оборудования, поэтому предпочтение отдается контроллеру SLC 5/05 с каталожным номером 1757-L551 [12,16].

2.5.1 Конфигурирование контроллера SLC5/05

Выбор модулей ввода- вывода и их типов производится в соответствии с сигнальным листом и со схемой автоматизации.

Количество сигналов с компрессорной и блока оборудования:

- аналоговые входы - 22;

- аналоговые выходы - 4;

- дискретные входы - 38;

- дискретные выходы - 32.

Итого: 96 сигналов

Исходя из данной информации о количестве и спецификации сигналов, осуществляем выбор следующих модулей:

-1746-IВ16 - дискретный входной модуль с 16 портами ввода общего назначения, 2 шт.;

-1746-IВ8 -дискретный входной модуль с 8 портами ввода общего назначения, 1 шт.;

-1746-ОB16 - дискретный выходной модуль c 16 портами вывода общего назначения , 2 шт.;

-1746-NO4I - аналоговый выходной модуль с 4 портами вывода, 1шт.;

-1746-NI16I - аналоговый входной модуль с 16 портами ввода, 1шт.;

-1746-NI8I - аналоговый входной модуль с 8 портами ввода, 1 шт..

Данные модули невозможно расположить на одном шасси, так как максимальное количество локальных входов/выходов для процессора SLC 5/05-96. Мы же имеем 100 портов ввода/вывода.

Для расширения фиксированной конфигурации котроллера использую 2 - слотовое шасси расширения, оно дает возможность установить 2 дополнительных модуля и тем самым добавить еще максимум 64 входа/выхода.

Располагаем модули на двух шасси - 7 - слотовом шасси 1746-А7 и 2-слотовом шасси А-2. Для соединения шасси между собой используем кабель 1746-С7 длиной 0,15м. Так же рекомендуется использование слотовых заглушек для закрытия неиспользуемых слотов, это поможет избежать попадания посторонних предметов в слот и повреждения монтажной платы.

Выбор источника питания производится, основываясь на информации об энергопотреблении данной системы.

В таблице 2.7 приведено распределение модулей по шасси и расчет энергопотребления системы.

Таблица 2.7 - Распределение модулей по шасси

Каталожный номер модуля	Шасси	Потребление тока, мА
		при 5В	при 24В
1747-L551 (процессор)	1746-А7	1000	0
1746-IB16 (2 шт.)		852	0
1746-IB8 (1 шт.)	1746-А7	50	0
1746-ОB16 (2 шт.)		2802	0
1746-NO4I (1 шт.)		55	195
Каталожный номер модуля	Шасси	Потребление тока, мА
		при 5В	при 24В
1746-NI16I (1 шт.)	1746-А2	125	75
1746-NI8I (1 шт.)		200	75
Итого:	2160	345

Потребление тока:

-по 5В -2160 мA;

-по 24В -345 мA.

Для данной системы выбран источник питания 1746-P2

Распределение устройств по модулям приведено в приложении Б.

2.6 Выбор инструментальных средств для разработки АСУ ТП

2.6.1 Требования SCADA-системам

SCADA-система - это система супервизорного управления и сбора информации (Supervisory Control And Data Acquisition). Это совокупность устройств управления и мониторинга, а также способ взаимодействия с технологическим объектом. На сегодняшний день под этим термином понимают набор программных и аппаратных средств, для реализации операторских рабочих мест [11].

Любая SCADA - система должна той или иной мерой обеспечивать ряд функциональных возможностей. Перечислим основные возможности и средства, которые присущи всем системам и отличаются только техническими особенностями реализации:

- автоматическая разработка, которая дает возможность создания программного обеспечения без реаль...