Физико-химические основы технологического процесса

НПЗ фирмы OMV в Швехате был введен в действие в 1960 г.. В настоящее время это один из самых крупных в Европе и наиболее сложных, удаленных от моря НПЗ с ежегодной производительностью по первичной переработке нефти 10 млн. т. Каждый продуктовый поток подают на установки гидрообессеривания (ГО). Как часть схемы общезаводского упреждающего регулирования, включающей 27 узлов и реализуемой с помощью четырех ЭВМ для управления технологическими процессами и двух распределенных вычислительных систем (РВС), средства упреждающего регулирования были размещены на установке МГК ВГ. Полный проект был выполнен за 2,5 года.

Описание процесса.

На установке ГО осуществляется обессеривание и частичный гидрокрекинг смеси тяжелых газойлей и крекированных средних дистиллятов. Годовой цикл работы установки составляет 6-8 мес. В начале пробега температуры в реакторе устанавливают таким образом, чтобы получать разумную степень превращения и приемлемую длительность пробега. Для протекания гидрокрекинга температуры периодически увеличивают с целью достижения максимально допустимых значений в конце пробега. При максимальных скоростях установка работает нормально. На рис. 1 приведена упрощенная схема технологического процесса.

Сырье для установки смешивают с обогащенными водородом потоками подпитывающего и рециркулирующего газов, нагревают и подают в реактор. Последний содержит три слоя катализатора. Регулировка температуры на входе каждого слоя контролирует обогрев нагревателя сырья (слой 1) или добавление закалочного газа на входы слоев 2 и 3. Перед введением упреждающего регулирования промежуточные температуры изменялись с максимально допустимой ошибкой 20°С.

Поток, выходящий из реактора охлаждают. Жидкий продукт извлекают в сепараторах и направляют в отпарную колонну, где удаляют легкие компоненты и H2S. Нижний продукт отпарной колонны подают в разделителъ или на хранение. Газ, обогащенный водородом, из сепараторов высокого давления отмывают с помощью ДЭА для удаления H2S, компримируют и смешивают с сырьем.

Описание схемы упреждающего регулирования(рис. 2).

Все средства упреждающего регулирования на установках ГО связаны с ЭВМ для управления технологическим процессом, использующей систему программного обеспечения регулирования. При этом ЭВМ сопряжена с распределенной вычислительной системой. Установка МГК ВГ на НПЗ фирмы OMV может работать либо в режиме обессеривания, либо в режиме легкого гидрокрекинга. Исходная идея состояла в переключении регуляторов степени конверсии в разных реакторах. Один регулятор рассчитан на требования, предъявляемые к процессу обессеривания (превращения серы), а второй - к превращению в условиях мягкого гидрокрекинга. Из-за тесного взаимодействия разделителя (длительность времени запаздывания, независимость рабочего режима от упреждающего регулирования) с установкой МГК ВГ невозможно было разработать надежную модель для варианта МГК. Поэтому был установлен только регулятор степени конверсии, предназначенный для процесса гидрообессеривания. В этом случае для регулирования замкнутого контура необходима модель зависимости средневзвешенной температуры слоя (СВТС) катализатора от степени превращения при ГО.

Анализатор серы, работающий в нижней части от парных колонн под управлением центральной ЭВМ, применяют для регулирования процесса обессеривания, очень важного в течение первых четырех недель после пуска установки для поддержания концентрации серы ниже 0,2 мас. %. В режиме мягкого гидрокрекинга пре вращение оценивается по выходу непревращенного продукта в нижних частях разделителей и лабораторных значений (lab) выхода превращенного сырья, как это показано в уравнении:

Конверсия МГК=[(100-lab% превращенного сырья)*расход сырья - продукты низа разделителей]'/[(100-lab%превращенного сырья) * расход сырья]*100.

Регулятор СВТС.

Реактор данной установки ГО имеет три отдельных слоя катализатора. Температура каждого слоя регулируется нагревателем загрузки для первого слоя и величиной расхода закалочного газа для второго и третьего слоев. При этом СВТС регулируют корректированием температур на входе всех трех слоев с использованием системы многопараметрического предиктивного регулирования. Система охватывает несколько регулируемых переменных (РП) в течение, по крайней мере, квадратичной оптимизации управляемых переменных (УП). Многопозиционный регулятор данной установки имеет следующую схему отслеживания:

РП	СВТС
	Допустимая ошибка температуры в реакторе
УП	Температура на входе 1-го слоя катализатора	ИОЗ
	Температура на входе 2-го слоя катализатора	ИОЗ
	Температура на входе 3-го слоя катализатора	ИОЗ
ПВ	Сырье

При этом переменная возмущения (ПВ) - расход сырья оказывает воздействие, как и управляемая переменная (УП), но не может быть установлена независимо. Многопараметрический регулятор также обеспечивает гибкость в установлении истинных неизменных значений (ИОЗ), или заданных значений, для регуляторов температур трех слоев катализатора с целью регулирования профиля температур. При этом ИОЗ может быть интерпретировано как заданное значение для УП. Если каждая РП достигла своего заданного значения и при этом не были нарушены ограничения для РП или УП, то регулятор старается достичь ИОЗ.

При этом ИОЗ могут быть установлены в соответствии с различными задачами:

для энергосбережения в нагревателе сырья необходимо снижать до минимума температуру на входе 1-го слоя катализатора и увеличивать температуру на входе 2-го и 3-го слоев;

разные типы катализаторов в различных слоях реактора могут потребовать разных заданных значений для этих температур;

максимизация длительности цикла или, равным образом, отравление части катализатора в различных слоях требует одинаковых температур на входе слоев. При этом ИОЗ и соответствующие управляемые переменные (температуры на входе слоев катализатора в реакторе) должны быть установлены таким образом, чтобы значения температур на входе приближались друг к другу. Такой метод распределяет дезактивацию (катализатора) по трем слоям одинаково.

В результате, может быть увеличен срок службы катализатора, улучшено регулирование степени превращения и повышена степень кумулятивной конверсии, выраженной в тоннах продукции в год. Для защиты от нежелательных и опасных условий работы введены ограничения (максимальные значения температур в реакторе и нагревателе сырья, а также расхода закалочного газа).

Регулирование максимальной подачи сырья.

Задача максимизация расхода сырья, т.е. решение вопроса об ограничениях процесса, или пробеге установки с определенной производительностью. При этом очень важным фактором является возможность осуществлять с помощью оператора режим плавного перехода от максимального значения расхода сырья к плановому. Ограничения включают: наличие сырья, производительность нагревателя и его температуру, соотношение водород/углеводороды и температуры слоев катализатора. Если ограничение нарушено, регулятор снижает расход насколько это возможно. Координация ограничений по сырью и СВТС - это поддержание очередности регулирования (в первую очередь СВТС, во вторую - расход сырья).

Регулирование температуры сырья, поступающего в отпарную колонну, осуществляют в соответствии с рабочими ограничениями. При этом от потока, вытекающего из реактора будет отбираться возможное количество теплоты, что даст самый низкий расход топлива в нагревателе сырья, поступающего в реактор. Ограничения включают: минимальное значение температуры сырья, идущего в отпарную колонну, минимальный обогрев нагревателя загрузки и максимальный выходной сигнал регулятора расхода отпаривающего водяного пара.

Регулятор соотношения отпаривающий водяной пар/сырье.

Для уменьшения расхода водяного пара в отпарную колонну соотношение отпаривающий пар/сырье снижают до минимума в соответствии с рабочими ограничениями, которые включают минимальное соотношение орошение/сырье и минимальную температуру верха отпарной колонны (чтобы избежать коррозии в ее верхней секции).

Минимизация давления в отпарной колонне.

Давление в верхней части отпарной колонны также снижают до минимума в соответствии с рабочими ограничениями. Максимальных эксплуатационных характеристик данного регулятора достигают в комбинации с регулятором соотношения водяной пар/сырье. Ограничения включают максимальное приближение к режиму струйного орошения на верхней тарелке отпарной колонны, максимальные выходные сигналы регулятора давления и регулятора уровня в нижней части отпарной колонны, а также минимальное давление на линии всасывания сырьевого насоса перед разделителем ГО. Последнее ограничение становится важным в том случае, когда установка МГК работает с высокой производительностью. Основная цель данного ограничения - избежать проблем кавитации в указанном насосе.

Несколько других ограничивающих переменных для этого регулятора помещены в различные ЭВМ. Рабочие значения ограничений необходимо ввести в ЭВМ установки ГО через сеть. Большие, составные базы данных для установки требуют наличия многофункциональных ЭВМ для обслуживания всего НПЗ.

Регулятор соотношения Н2/нефтепродукты.

Соотношение водород/углеводороды - регулируемый параметр среди ограничений процесса. Этот узел схемы был разработай для процесса обессеривания вакуумного газойля, а не для процесса конверсии в режиме МГК. Повышенные температуры при режиме МГК (СВТС 400-425°С в зависимости от природы катализатора) вызывают ускоренную дезактивацию катализатора (вследствие коксования), что сокращает длительность цикла. Возможный путь максимизации длительности рабочего цикла установки ГО - увеличение соотношения Н2/углеводороды, что ведет к эксплуатации компрессора рециркулирующего газа в максимально возможном предельном режиме. Это могло бы увеличить или длительность пробега реактора, или среднюю степень превращения при той же самой длительности пробега. Ограничения включают максимальные значения давления и температуры нагнетания компрессора, его максимальную вибрацию и максимальную скорость потока в компрессоре. Обычно регулятор ограничений срабатывает при достижении одного из двух последних предельных значений.

Регулятор соотношения рецикл/ДЭА.

В скруббере высокого давления регулируют соотношение истощенного ДЭА и рециркулирующего газа. Сначала планировалось регулирование содержания Н2S в рециркулирующем газе. При внедрении схемы стало очевидно, что характеристики работающего под управлением центральной ЭВМ газового хроматографа для определения содержания Н2S в рециркулирующем газе оказались непригодными для регулирования этого параметра. Былорешено, чтобы точное соотношение рециркулирующий газ/ДЭА поддерживалось корректированием скорости потока в насосе высокого давления для ДЭА. Ограничения включают скорость потока ДЭА и допустимое изменение давления.

Регулятор уровня в нижней части отпарной колонны.

Нелинейное регулирование уровня применимо в сепараторах высокого и низкого давления, нижних частях отпарных колонн и абсорберов низкого давления для Н2S. Регулирование уровня в этих аппаратах обеспечивает более равномерную подачу жидкого сырья в отпарную колонну, разделитель и регенератор ДЭА соответственно.

Преимущества упреждающего регулирования.

Было показано, что основная задача упреждающего регулирования для установки ГО заключается в повышении ее. производительности. Это достигается в результате регулирования температуры в реакторе, при более ровных технологических режимах и пониженных расходах энергии. Качественные преимущества упреждающего регулирования включают:

улучшенное использование катализатора в результате более тонкого регулирования температуры на входе в реактор;

улучшенный анализ режимов работы установки, отклонений температуры благодаря применению многопараметрического регулирования;

улучшенное использование катализатора вследствие регулирования профиля температур в реакторе (более ровное распределение отложений кокса между слоями катализатора);более тесное взаимодействие операторов этой установки с операторами других установок благодаря доступу к дополнительной информации с помощью сети.

Ниже приводятся некоторые количественные преимущества избирательных регуляторов.

Регулятор соотношения отпаривающий водяной пар/сырье.

Перед внедрением упреждающего регулирования в отпарную колонну поступало 2000-2200 кг/ч пара среднего давления. После установки регулятора ограничений расход пара составляет 1000-1650 кг/ч (на 255 м3/ч сырья требуется 1640 кг/ч пара) в зависимости от производительности установки. Использование меньшего количества отпаривающего водяного пара снижает потребность в охлаждении верхней секции отпарной колонны, что особенно важно при работе в летний период,

Регулятор соотношения рециркулирующий газ/ДЭА снизил расход ДЭА, питающего колонну высокого давления, с 110-145 до 80-120 м3/ч (в зависимости от содержания серы в сырье). Уменьшение количества ДЭА, пропускаемого через колонну, снизил расход электроэнергии для насоса высокого давления, перекачивающего ДЭА, расход пара низкого давления в колонне регенератора ДЭА и общий расход ДЭА.

Регулирование температуры сырья, поступающего в отпарную колонну.

Температуру сырья на входе в отпарную колонну регулируют с помощью байпасного вентиля теплообменников сырье - слив. Тонкое манипулирование этим байпасным вентилем приводит к режиму максимально возможного извлечения теплоты для теплообменников. До введения упреждающего регулирования постоянно поддерживали заданное значение данной температуры на уровне 235-240°С. Введение упреждающего регулирования позволило закрыть байпас или, по крайней мере, поддерживать заданное значение температуры на входе отпарной колонны, равным приблизительно 220°С. Это приводит к снижению расхода котельного топлива в нагревателе на 0,05-0,1м3/ч, что составляет 5-10 % общего расхода котельного топлива в зависимости от качества (содержания серы)сырья и производительности.

2.3 Анализ существующей АСУТП

В настоящее время на установке "Гидрокрекинг" используется система управления Centum-XL. Это программно-аппаратный комплекс фирмы Yokogawa второго поколения.

В системе Centum-XL станция оператора (EOPS) выполняет функции индикации промышленных регуляторов, а станция управления участком EFCS/EFCD производит регулирование.

Микропроцессор в EFCS/EFCD производит обработку для 80 контуров регулирования.

Функции таких стандартных аналоговых приборов, как регуляторы и индикаторы, заложены в программном обеспечении микропроцессора станции управления участком. Панели настройки всех приборов, имеющихся в виде программных алгоритмов в станции EFCS/EFCD могут быть показаны на экране. Каждая станция управления участком может содержать до 255 приборов. Выходы от регуляторов, подключаемые к участку, обрабатываются многоточечной платой аналоговых входов/выходов МАС2, многоточечной платой импульсных входов/аналоговых выходов РАС или индикаторами контуров CLDU.

Функции соединения контуров CENTUM идентичны соответствующим функциям соединения клемм приборов проводами в стандартных аналоговых устройствах (или трубками в пневматических системах). Функции соединения контуров могут, например, объединять два регулятора в каскад (для управления), соединять регулятор и селектор (для автоселекторного управления), или регулятор и блок задания соотношения (для управления соотношением).

В станциях управления участком внутренние соединения - все соединения, кроме подключения кабелей с участка к платам входа/выхода, создаются в программном обеспечении. Внутренние соединения включают в себя соединения между приборами CENTUM, a также между приборами CENTUM и платами входа/выхода.

В систему включены разнообразные функции проверки тревоги, такие как проверка на превышение порогов тревоги выше верхнего, ниже нижнего пределов, превышение верхнего и нижнего пределов тревоги, отклонение, диагностика неисправности приборов по скорости изменения сигнала.

Сигнал тревоги может сгенерировать состояние тревоги и вывести на экран сигнализаторы, вывести на печать сообщения и активизировать функции логического управления.

Для повышения надежности в CENTUM-XL используется концепция заложенной избыточности:

Удвоенный микропроцессор. В системе используется 2 идентичных процессора, что дает возможность, в случае выхода одного из них из строя, другому автоматически продолжить управление.

Удвоенная внутренняя шина. Для коммутации процессора с гнездами ввода/вывода используются 2 идентичные внутренние шины, что позволяет передавать информацию к процессору и от него по одной шине, в случае выхода из строя другой.

Удвоенная плата блока питания. Две одинаковые платы блока питания установлены в гнездах входа/выхода, чтобы в случае выхода одной из них из строя, другая могла бы снабжать питанием гнезда входа/выхода.

Удвоенные платы входа/выхода (МАС2, РАС). Две идентичные многоточечные платы аналоговых входов/выходов (МАС2) и 2 одинаковые многоточечные платы импульсных входов/аналоговых выходов (РАС) установлены в гнездах входа/выхода так, чтобы каждая плата могла автоматически продолжать управление процессом без ущерба для обработки сигнала в случае выхода из строя одной из плат.

Операторская станция EOPS обеспечивает работу и функции наблюдения, требуемые для управления в целом системы CENTUM-XL. Расширенная емкость применения поддерживает до 16000 позиций, 300 страниц графических панелей и свыше 2300 точек записи трендов на одну операторскую станцию. Разнообразные функции записи трендов объединены с возможностями эффективного анализа производства и наблюдения. Техника развитого программного обеспечения позволяет обеспечить время доступа 1 секунда ко всем дисплеям.

Несмотря на все достоинства этой передовой для своего времени системы, в настоящее время она морально устаревает. Современные аппаратные и программные средства способны обеспечить более высокую мощность и скорость обработки сигналов, а следовательно более точное регулирование процессов, в результате чего повышается качество продуктов. Также серьезным недостатком является отсутствие совместимости системы CENTUM-XL с современным программным обеспечением, т.к. в настоящее время разработано огромное количество программ для анализа систем и происходящих в них процессов, анализа экономической эффективности этих систем и процессов.

2.4 Требования к проектируемой АСУТП

Создаваемая АСУ ТП должна соответствовать ГОСТ 24.104-85 ЕСС АСУ "Автоматизированные Системы Управления. Общие требования", с учетом нижеследующих требований.

Структура АСУ ТП должна соответствовать магистрально-модульному принципу построения с сетевой организацией обмена информацией между устройствами и иметь распределенное программное обеспечение и базу данных, доступную (с заданными ограничениями) всем абонентам промышленной сети.

Сетевая организация АСУ ТП должна обеспечить подключение АСУ ТП к общезаводской сети завода, организованной на базе сети Ethernet.

АСУ ТП должна быть 2-х уровневой. Под 2-х уровневой системой понимается система, в которой все реализуемые задачи программно и аппаратно разделяются на 2 уровня. Нижний уровень реализует задачи непосредственного управления объектом. Верхний уровень реализует задачи интерфейса оператора. Связь между нижним и верхним уровнями должна осуществляться преимущественно кодовым способом посредством специализированных промышленных сетей большой производительности, обеспечивающих полный цикл обмена данными между компонентами в пределах одной секунды. Обмен информацией должен осуществляться автоматически.

АСУ ТП должна иметь возможность организации связи со смежными АСУ.

РСУ и ПАЗ должны функционировать как независимые структуры, имеющие раздельные каналы получения информации и выхода на исполнительные механизмы. Система ПАЗ должна строиться на автономно функционирующих средствах микропроцессорной техники и обеспечивать гарантированную реализацию аварийной сигнализации и алгоритмов защитных блокировок технологических процессов в критических ситуациях.

АСУ ТП должна обеспечивать работу объекта автоматизации в круглосуточном режиме с количеством рабочих дней не менее 360.

АСУ ТП должна быть ориентирована на работу в реальном времени, т.е. быть предсказуемой и обеспечивать выполнение всех функций точно в срок.

РСУ и ПАЗ должны иметь программную и аппаратную диагностику исправности сетей, станций, модулей и блоков, входных и выходных электрических цепей.

В РСУ и ПАЗ должна быть предусмотрена возможность замены неисправных модулей и блоков в оперативном режиме.

АСУ ТП должна иметь гибкую структуру, быть наращиваемой, легко адаптироваться к изменениям характеристик технологических процессов во времени, обеспечивать модификацию алгоритмов решения задач и наборов участвующих в них переменных, конфигурирование схем регулирования и управления, допускать расширение объема информационных задач и задач управления. Кроме аппаратурного резерва РСУ и ПАЗ должны обладать временной и функциональной избыточностью (степень загруженности кон-троллеров, запас емкости памяти и свободных функциональных блоков и т.д.)

В соответствии с требованиями ПБ 09-170-97 для обеспечения нормального функционирования АСУ ТП и предотвращения несанкциони-рованного вмешательства в ход технологического процесса должна быть предусмотрена защита информации от несанкционированного доступа. Защита должна быть обеспечена с помощью ключей и программных паролей. АСУ ТП должна автоматически вести учет пользователей с регистрацией информации о начале и окончании работы, а также о действиях операторов-технологов в процессе работы. Эти данные должны быть защищены от возможного вмешательства и изменения после их регистрации.

Временный отказ технических средств или потеря электропитания не должны приводить к разрушению накопленной или усредненной во времени информации.

Оборудование РСУ и системы ПАЗ должно обеспечивать возможность создания математических моделей технологических объектов и иметь необходимые технические и программные средства для обучения персонала современным методам управления.

Разрабатываемая АСУ ТП должна предоставлять следующие возможности:

Автоматизированный сбор и первичную обработку технологической информации, определение значений параметров по измеренным сигналам.

Автоматическую обработку информации, вычисление усредненных, интегральных и удельных показателей.

Выдачу предупредительной и аварийной сигнализации при выходе технологических показателей за установленные границы и при обнаружении неисправности в работе оборудования АСУ ТП.

Управление технологическими режимами в реальном масштабе времени, предотвращение аварийных ситуаций.

Предоставление технологической и системной информации.

Накопление, регистрацию и хранение поступающей информации.

Автоматизированную передачу данных в общезаводскую сеть.

Самодиагностику, выдачу сообщений по отказам и предотвращение их последствий, и т.д.

2.5 Описание предлагаемой АСУТП

2.5.1 Структурная схема предлагаемой АСУТП

Предлагаемая система автоматизации имеет двухуровневую распределенную архитектуру (рис. 2.3).

Рис. 2.3 - Структурная схема АСУ ТП секции 100

2.5.2 Нижний уровень

На нижнем уровне реализуются следующие функции:

сбор информации о технологическом объекте управления;

поддержание технологических параметров на заданных значениях;

контроль за технологическими параметрами;

сигнализация параметров выходящих за допустимые пределы, т.е. обеспечение безопасности производства;

блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий людей или техники;

ПАЗ по факту аварийного события.

Нижний уровень реализован на базе 2 подсистем функционально независимых контроллеров семейства SIMATIC S7-300 - S7-315 для ведения технологического процесса и S7-315 для системы ПАЗ. Сбор оперативной информации от датчиков и выдача управляющих воздействий на приводы осуществляется через станции распределенной периферии ET 200M.

Выбор и обоснование датчиков

Датчики температуры.

Термопреобразователи сопротивления медные [ТСМ Метран-203]. Назначение: для измерения температуры различных сред в нефтяной и газовой промышленности, для измерения температуры подшипников.

Диапазон измеряемых температур: -50…150 С.

Преобразователи термоэлектрические хромель-капелевые и хромель-алюмелевые [ТХК Метран-202, ТХА Метран-201]. Назначение: для измерения температуры жидких и газообразных сред, не разрушающих защитную арматуру в различных отраслях народного хозяйства, для измерения температуры поверхности плоских деталей контактным методом в условиях действующих производств.

Диапазон измеряемых температур: ТХА Метран-201 -40...10000С

ТХК Метран-202 -40…600 С

Датчики давления.

Для измерения давления используются следующие виды датчиков:

Датчики давления серии Метран-43.

"сухая" без заполняющей жидкости конструкция;

повышенная точность и надежность измерений;

многовариантность конструкций приемников давления обеспечивает применимость в различных техпроцессах;

исполнение: общепромышленное, Ex, Вн, Т, Э;

цифровая индикация;

В зависимости от типа электронного преобразователя датчики имеют два вида исполнения МП - микропроцессорный, АП- аналоговый.

Датчик с МП имеет следующие режимы работы:

режим измерения;

режим установки (смещение "нуля", настройки "нуля" и диапазона измерения, выбор времени установления выходного сигнала и единиц измерения давления) и контроля параметров измерения;

постоянный контроль своей работы;

формирование сигнала о неисправности.

Датчики расхода.

Для измерения расхода используется метод перепада давления: устанавливается диафрагма и измеряется разность давлений до и после диафрагмы.

Тип диафрагм: фланцевые.

Датчики разности давлений: «Метран-43ДД».

Датчики серии «Метран-43» предназначены для измерения давлений различных сред и используются в системах контроля и управления технологическими процессами. Измеряемые среды: газ, пар, жидкости, нейтральные и агрессивные. Диапазон измерения: 0,06..6,3 кПа.

Имеют два вида исполнения: МП (микропроцессорный), АП (аналоговый).

Выходной сигнал: 0-5, 0-20, 4-20 мА. Средняя наработка на отказ: 100 000 ч.

Выбор и обоснование исполнительных механизмов2.5.3 Выбор и обоснование исполнительных механизмов:

Так как пневматические исполнительные механизмы имеют более высокую скорость срабатывания и более высокую надежность по сравнению с электрическими, то в данной работе выбраны пневматические исполнительные механизмы.

Таблицы с выбранными датчиками и исполнительными механизмами приведены в приложении Г.

2.4.3 Система ПАЗ

Для системы ПАЗ используется полностью автономный контроллер S7-315.

При разработке ПАЗ учитывались нормы технологического регламента. Перечень параметров сигнализации и блокировки приведены в приложении В. На верхнем уровне предусмотрена звуковая и световая сигнализация. Все действия системы ПАЗ, блокировки, сигнализации о превышении допустимых параметров, сообщения о действиях оператора записываются в журнал.

2.4.4 Верхний уровень

Верхний уровень - АРМ оператора - реализован на базе промышленного персонального компьютера под управлением SCADA-системы WinCC версии 5.1.

Разработанная система диспетчеризации верхнего уровня обеспечивает выполнение следующих функций:

отображение технологического процесса на дисплее оператора в виде графических мнемосхем;

отображение в реальном времени значений технологических параметров и управляющих воздействий;

формирование и отображение на дисплее различных групп графиков технологических параметров;

автоматическую сигнализацию и регистрацию достижения параметром предаварийной и предупредительной границы;

ведение журнала аварийных и системных сообщений, где фиксируются все сообщения о срабатывании предаварийной и предупредительной сигнализации, сообщения о действиях оператора по их квитированию (подтверждению), сообщения об изменении состояния исполнительных механизмов, системные сообщения;

возможность ведения архива технологических параметров.

Связь модулей ET 200M с контроллерами осуществляется по высокоскоростной коммуникационной шине PROFIBUS на витой паре. Связь контроллеров с операторской станцией осуществляется по протоколу Industrial Ethernet (OSM 62 ITP) и оптоволоконому кабелю.

Спецификация на программн-технические средства приведена в приложении Г. Основные характеристики контроллера S7-300 приведены в приложении Д. Мнемосхемы экранов разработанной системы верхнего уровня приведены в приложении E.

2.5 Обоснование выбора системы управления верхнего уровня

Программные продукты класса SCADA широко представлены на российском рынке. Поэтому выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу. Был проведен сравнительный анализ порядка 10 SCADA-пакетов по их техническим, стоимостным и эксплуатационным характеристикам. В результате был признан оптимальным вариант использования пакета SIMATIC WinCC фирмы Siemens, который не уступает другим продуктам по основным критериям и кроме того обладает рядом преимуществ.

WinCC придерживается открытых стандартов в коммуникационных драйверах. Кроме наличия пакета коммуникационных драйверов для SIMATIC S5, S7, WinCC поддерживает также известные спецификации обмена данными, среди которых: Modbus Serial, Industrial Ethernet, Allen Bradley-DF1, Mitsubishi FX и другие. В WinCC также используются коммуникационные драйвера, которые не зависят от производителя. В состав этих драйверов входят DDE, OPC (OLE for Process Control), Profibus DP/FMS.

WinCC является модульной системой (рис. 2.6). Она включает в себя стандартный набор модулей (базовый пакет) и дополнительные опции, список которых постоянно увеличивается. Каждый модуль представляет собой редактор, который выполняет определённую функцию и состоит из системы исполнения и системы разработки.

Ядром WinCC является приложение Control Center, которое позволяет легко ориентироваться по проекту и исполняет роль менеджера всех опций WinCC. В Control Center осуществляется объявление и настройка протокола передачи данных, а также объявление внутренних и внешних тегов. В объявление тегов входит нормирование, преобразование форматов, установка начальных значений и ряд других функций.

Рис. 2.6 - Модульная структура WinCC

В стандартный набор опций входят следующие редакторы:

Graphics Designer - графический редактор, предназначенный для создания мнемосхем;

Global Scripts - служба обработки событий - это общее название для С-функций и обработчиков событий во всём WinCC-проекте. С помощью этой подсистемы можно обрабатывать событие, инициированное любым графическим объектом, а также изменять из скрипта эти объекты;

Tag Logging - служба архивации для ведения оперативных и долговременных архивов;

Alarm Logging - служба сообщений, предназначенная для вывода сообщений о ходе контролируемого технологического процесса в процессе работы WinCC-приложения, подтверждения сообщений оператором и ведения архивов этих сообщений;

Report Designer - встроенный генератор отчётов, состоящий из редактора схемы отчётов и системы генерации отчётов;

Text Library - редактор для многоязыковой поддержки;

User Administrator - администратор пользователей для контроля прав доступа пользователей WinCC-приложения;

Кроме того существует дополнительный набор модулей, куда входят следующие опции:

BPC (Basic Process Control) и APC (Advanced Process Control) упрощают решение различных задач по обработке и мониторингу технологических процессов;

Server - создание клиент-серверных WinCC-приложений;

User Archives - пользовательские архивы;

Storage позволяет перемещать данные, накопленные в долговременных архивах на другие накопители, а также удалять устаревшие данные с указанием времени или в зависимости от процента заполнения диска;

Redundancy обеспечивает отказоустойчивость системы. Достигается это параллельной работой двух WinCC-серверов. При отказе одного из них WinCC-клиенты переключаются на другой работающий сервер;

ProAgent предоставляет дополнительные диагностические функции;

IndustrialX - это набор графических объектов (ActiveX-компонент) для использования в Graphics Designer, которые упрощают разработку мнемосхем;

Web Navigator - позволяет организовать просмотр WinCC-приложения через Web;

ODK (Open Development Kit) предоставляет описание внутренних структур и функций для разработчика;

СDK (Channel Development Kit) позволяет разработчику создавать свои коммуникационные драйвера.

Открытость WinCC позволяет разработчикам третьих фирм создавать дополнения (Add-ons) для WinCC, например:

FuzzyControl++ Neurosystems - программа для организации нейронных сетей для WinCC и SIMATIC S7;

FuzzyTECH - среда разработки с помощью нечёткой логики;

OPC Server TCP/IP & H1 for SIMATIC S5 & S7 может использоваться совместно c OPC-клиентами в WinCC, позволяя передавать данные из SIMATIC S5 & S7 по OPC.

Пятая версия WinCC предлагает качественно новый инструментарий для создания распределённых систем. WinCC 5.1 поддерживает до 6 WinCC-серверов в одном проекте и позволяет обслуживать до 16 мульти-клиентов. Термин мульти-клиент означает, что доступ может быть одновременным ко многим серверам. Использование ресурсов и служб WinCC может оптимально распределяться между WinCC-серверами. Каждый из серверов может быть подключен к ПЛК и принимать данные. В этом случае система становится более гибкой и позволяет распределять затраты на ресурсы между серверами. Архивация параметров также может быть распределена.

Кроме того при выборе WinCC в качестве системы управления верхнего уровня были учтены следующие преимущества:

техническая поддержка в региональных центрах Siemens;

пакет WinCC на 128 процессорных тегов в настоящее время поставляется фирмой Siemens бесплатно;

возможность интеграции в комплексное решение для систем управления процессами SIMATIC PCS 7 фирмы Siemens.

2.6 Обоснование выбора системы управления нижнего уровня

2.6.1 Контроллер SIMATIC S7-300

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, 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 способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

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

Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.

Модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.

Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

Коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.

Функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

Интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Центральные процессоры S7-300C оснащены набором встроенных входов и выходов, а также набором встроенных функций, что позволяет применять эти процессоры в качестве готовых блоков управления.

SIMATIC S7-300 отвечают требованиям национальных и международных стандартов и норм, включая:

DIN

Сертификат UL

Сертификат CSA

FM, класс 1, группы A, B, C и D (температурная группа T4, до 135?C)

Cертификат Госстандарта России № РОСС DE.АЯ46.B43188 на соответствие требованиям ГОСТ Р 50377-92, ГОСТ 28244-89 и ГОСТ 29216-91, а также сертификат Госстандарта России № 1307 о регистрации контроллеров S7-300 в Государственном реестре средств измерений № 15772-96.

Метрологический сертификат Госстандарта России DE.C.34.004.A № 11994.

2.6.2 Интерфейс PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это промышленная сеть полевого уровня, отвечающая требованиям части 2 европейских норм EN 50170 и международного стандарта IEC 61158-3 Ed2. Она используется для организации связи между программируемыми контроллерами с одной стороны, и станциями распределенного ввода-вывода ET 200, устройствами человеко-машинного интерфейса и другими приборами полевого уровня с другой. Кроме того, PROFIBUS позволяет выполнять дистанционное программирование и конфигурирование систем автоматизации, их отладку и диагностирование.

PROFIBUS позволяет использовать как электрические, так и оптические каналы связи. В последнем случае существенно возрастает стойкость сети к воздействию электромагнитных помех. Существенному снижению затрат на построение оптоволоконных каналов связи способствует наличие широкой гаммы интерфейсных модулей, коммуникационных процессоров и других сетевых компонентов, оснащенных встроенным оптическим интерфейсом.

PROFIBUS позволяет использовать следующие протоколы передачи данных:

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification - спецификация сообщений полевого уровня) Протокол PROFIBUS-FMS используется для решения универсальных коммуникационных задач на полевом уровне.

PROFIBUS-PA (Process Automation - автоматизация процессов) используется для организации обмена данными с оборудованием, расположенным в зонах повышенной опасности. С его помощью производится передача данных по сети, отвечающей требованиям международного стандарта IEC 1158-2, а также согласование работы сетей PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

PROFIBUS-DP (Distributed I/O stations - скоростной протокол обмена данными с периферийным оборудованием) ориентирован на организацию связи с устройствами распределенного ввода-вывода. Он обеспечивает высокоскоростной циклический обмен небольшими объемами данных.

Все протоколы могут быть использованы совместно в рамках одной сети. Основными преимуществами сети PROFIBUS являются высокая степень готовности, защита данных, стандартная структура сообщений и возможность свободного подключения и отключения сетевых узлов во время работы сети.

2.6.3 Станции распределенного ввода/вывода ET 200 M

В современных системах автоматизации получили признание распределенные конфигурации ввода-вывода, которые существенно снижают затраты на прокладку кабеля, значительно повышают гибкость и надежность системы автоматического управления.

На полевом уровне передача данных осуществляется по стандартной шине PROFIBUS-DP. На уровне датчиков и исполнительных механизмов для передачи данных используется AS-интерфейс. Это позволяет производить надежный обмен данными между всеми компонентами системы управления.

ET 200M - это модульная станция ввода-вывода со степенью защиты IP 20. В ее составе могут использоваться сигнальные, функциональные и коммуникационные модули программируемых контроллеров S7-300. Кроме того, ET 200M может использоваться в резервированных и обычных системах распределенного ввода-вывода программируемых контроллеров SIMATIC S7-400H/ S7-400F/ S7-400FH.

ET 200M является пассивной станцией (ведомым устройством) PROFIBUS-DP. Максимальная скорость передачи данных равна 12 Мбод.

Станция ET 200M может комплектоваться активными шинными модулями, позволяющими производить замену модулей ввода-вывода без отключения питания.

2.7 Описание контуров регулирования

В данной секции существуют следующие контура управления:

Контур регулирования температуры газосырьевой смеси на выходе из печи F-101A, (10TICA01). Датчик температуры, позиция 10TT01, установлен на трубопроводе вывода газосырьевой смеси из печи. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор температуры (10TICA01), управляющее воздействие от которого поступает на клемму SET регулятора расхода (10FIC49).

Контур регулирования средней температуры газопродуктовой смеси на входе во второй, третий, четвертый и пятый слои катализатора реактора R-101A, (10TICA02-05). Датчик температуры, позиция 10ТТ02(03,04,05), установлен на входе во второй (третий, четвертый, пятый) слой катализатора. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор температуры (10TICA02-05), управляющее воздействие от которого поступает на электропневмопреобразователь, позиция 10TY02-05, пневматический сигнал от которого воздействует на клапан, позиция 10TV02-05, установленный на трубопроводе подачи квенча в соответствующий слой.

Контур регулирования температуры газо-продуктовой смеси на выходе из холодильника А-151А (15TIC08). Датчик температуры, позиция 15TT08, установлен на трубопроводе вывода газо-продуктовой смеси из холодильника. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор температуры (15TIC08), управляющее воздействие от которого поступает в схему управления вентилятором.

Контур регулирования расхода сырья в тройник смешения реактора R-101A, (10FICA04). Расход измеряется методом перепада давления. Диафрагма, позиция 10FE04, установлена на трубопроводе подачи сырья в тройник смешения. Перепад давления на диафрагме измеряется датчиком дифференциального давления, позиция 10FT04. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор расхода, позиция 10FICA04, управляющее воздействие от которого поступает на электропневмопреобразователь, позиция 10FY04. Пневматический сигнал от него воздействует на клапан, позиция 10FV04, установленный на трубопроводе подачи сырья в тройник смешения.

Контур регулирования расхода воды на промывку конденсатора- холодильника А-151А, (15FICA16). Расход измеряется методом перепада давления. Диафрагма, позиция 15FE16, установлена на трубопроводе подачи воды в холодильник. Перепад давления на диафрагме измеряется датчиком дифференциального давления, позиция 15FT16. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор расхода, позиция 15FICA16, управляющее воздействие от которого поступает на электропневмопреобразователь, позиция 15FY16. Пневматический сигнал от него воздействует на клапан, позиция 15FV16, установленный на трубопроводе подачи воды в холодильник.

Контур регулирования расхода топливного газа в печь F101A, с коррекцией по температуре на выходе из печи (10FIC49). Расход измеряется методом перепада давления. Диафрагма, позиция 10FE49, установлена на трубопроводе подачи топливного газа в печь. Перепад давления на диафрагме измеряется датчиком дифференциального давления, позиция 10FT49. Унифицированный сигнал (4-20 мА) от датчика поступает в шкаф управления. Этот сигнал поступает на регулятор расхода, позиция 10FIC49, управляющее воздействие от которого поступает на электропневмопреобразователь, позиция 10FY49. Пневматический сигнал от него воздействует на клапан, позиция 10FV49, установленный на трубопроводе подачи топливного газ в печь.

2.8 Порядок действия системы защиты и сигнализации

Система сигнализации действует следующим образом. Система циклически опрашивает датчики и при выходе значения какого-либо параметра за установленные пределы посылает сообщение об этом по сети на станцию оператора. На дисплее указывается дата, время, позиция, наименование параметра, значение которого перешло допустимые границы, при этом система подает звуковой сигнал. Оператор, узнав место неполадки, может отключить звуковой сигнал клавишей на функциональной клавиатуре.

В данной секции предусмотрена следующая система защиты:

При пониженном расходе ВСГ в тройник смешения реактора (меньше 18000 м3/ч по прибору10FIA27) закрывается клапан на трубопроводе подачи топливного газа в печь, позиция 10FV49.

При повышении температуры на выходе из печи (выше 4200С по прибору 10TICA01) закрывается клапан на трубопроводе подачи топливного газа в печь, позиция 10FV49.

При повышении температуры подшипников насоса Р-151А (выше 900С по приборам 10TIA216,217) насос останавливается, закрывается межблочный отсекатель 15UV01.

При повышении температуры в слоях катализатора (выше 4200С по приборам 10TICA02-05) открываются соответствующие клапана на линии подачи квенча в слои, позиции 10TV02-05.

При понижении температуры воздуха в коробе холодильника А-151А (ниже -50С по прибору 15TIA18) происходит останов вентилятора холодильника.

3 РАСЧЕТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Постановка задачи

В настоящее время производство должно быть гибким, чтобы максимально удовлетворять постоянно меняющийся спрос на современном рынке. К примеру, бывает необходимость изменить параметры процесса (температуру, объемную скорость подачи сырья, давление) таким образом, чтобы максимально увеличить выход какой-либо целевой фракции.

В проекте была поставлена задача разработать методику оптимизации ведения технологического процесса, состоящую из:

программы, которая по имеющимся статическим моделям оптимизирует технологические параметры процесса гидрокрекинга с целью увеличения до максимума выход какой-либо определенной фракции, и посылает с помощью DDE-связи полученные оптимальные значения в SCADA-пакет;

SCADA-пакета WinCC, который посылает эти значения на контроллер SIMATIC S7-300 в качестве уставок для ПИД-регулятора;

программы для ПЛК SIMATIC S7-300, реализующей регулирование по ПИД-закону.

3.2 Описание используемых моделей

В программе GIDRA были использованы две статические модели, которые описаны в журналах [5,6]. Первая из них разработана теоретическим путем и применима для расчета выхода продуктов гидрокрекинга средних дистиллятов. Вторая модель была разработана экспериментально и применима для моделирования гидрогенизационной переработки тяжелых нефтяных остатков.

3.2.1 Метод расчета выхода продуктов гидрокрекинга средних дистиллятов [5]

Гидрокрекинг прямогонных и вторичных средних дистиллятов (180-360°С) проводят с целью получения бензинов и реактивных топлив. Охарактеризовать сложные реакции гидрокрекинга содержащихся в этих дистиллятах ароматических и нафтеновых углеводородов до парафинов, а также реакции изомеризации и гидрокрекинга парафинов можно по методике [7]. В отсутствие данных о групповом составе сырья, но при известных пределах его выкипания можно рассчитать выход продуктов гидрокрекинга средних дистиллятов Д.

Этот процесс, учитывая его цель, удобно представить как параллельно протекающие реакции получения из сырья Д фракций Г, Б и Д', выкипающих в пределах соответственно н.к. - С4, С5 - 180°С и 180°С - к.к.

Такая схема реакций гидрокрекинга абстрактна по отношению как к формированию продуктов на уровне групп углеводородов сырья, так и к материальному оформлению реакторной системы. Ее применение для определения относительного выхода фракций Г, Б и Д' при известных пределах выкипания сырья, температуре, давлении, объемной скорости подачи сырья так же рационально, как и применение для математических описаний известного в химической технологии принципа «черного ящика».

Для составления системы кинетических уравнений, описывающих реакции образования данных продуктов, следует определить суммарный порядок каждой из этих реакций: соответственно , и . Для этого необходимы экспериментальные данные о выходе продуктов Г, Б и Д' в массовых долях:

где СГ, СБ, СД', СД - концентрации соответствующих продуктов гидрокрекинга (фракций н.к. - С4, С5 - 180°С и 180°С - к.к.) и сырья (180-360°С), кг/м3.

По объемной скорости (в ч-1 ) подачи сырья можно определить время = 1/ (в с) пребывания субстанции в реакторе и принять его равным времени реакции. По теоретической зависимости [7] относительной глубины превращения x от lg для каждого опыта (в координатах xГ - lg; xБ - lg и xД' - lg) можно найти положение точек, близость которых к соответствующей кривой на рис. 3.1 определяет суммарный целый или дробный (при приблизительно срединном положении точки между смежными кривыми) порядок реакций. Использование такого способа определения суммарного порядка реакции гидрокрекинга не противоречит другим известным способам.

Рис. 3.1 - Зависимость глубины х превращения сырья от десятичного логарифма времени реакции при ===n

Режимные параметры гидрокрекинга средних дистиллятов 134-360°С варьировали в следующих пределах [8-17]: давление - от 3 до 9,24 МПа: температуру - от 250 до 420°С; объемную скорость подачи сырья - от 0,5 до 8 ч-1; кратность циркуляции водородсодержащего газа (ВСГ) - от 200 до 16000 м3/м3.

При этом выход (% масс.) продуктов гидрокрекинга изменялся в следующих пределах: хГ - от 3,6 до 13,3; хБ - от 3,6 до 74,2; хД' -от 16,2 до 92,8. Суммарный порядок реакций их образования - 1 и 1,5; -1; 1,5; 2 и 3; 3 (во всех опытах принят равным 3).

Процесс исследовали в присутствии различных цеолитсодержащих катализаторов, предназначенных для пропорционального получения указанных фракций (ренийникелевого, бифункционального БФК, ГИ-13, никельмолибденового), избирательного получения фракции С5 - 180°С (платинородиевого, молибденсодержащего, алюмокобальтмолибденового) и преимущественного получения фракции 180°С - к.к. (СГК-1).

В качестве углеводородов - аналогов гидрокрекируемого сырья были приняты С10H14, С11H16, С12H18, С12H26, С13H20, С13H28, С14H22, С14H30, С15H24, С15H32, С16H24, С17H28.

Кинетические уравнения реакций образования продуктов Г, Б и

Д' имеют вид:

(1)

(2)

(3)

(4)

где k1, k2, k3 - эффективные константы скорости реакции образования указанных фракций.

После интегрирования уравнений (2)-(4) имеем:

(5)

(6)

(7)

При этом константы интегрирования равны нулю, так как

СГ = СБ = СД' = 0 при = 0.

Поделив обе части уравнений (5)-(7) на СД, получим:

(8)

(9)

(10)

Концентрация СД по размерности совпадает с плотностью Д, поэтому уравнения (8)-(10) можно представить в следующем виде:

...