Разработка автоматизированной системы управления процессом производства кислорода

оперативного диспетчерского управления;

архивации данных системами управления базами данных.

Через интерфейсы ОРС одни приложения могут читать или записывать данные в другие приложения, обмениваться событиями, оповещать друг друга о нештатных ситуациях (тревогах), осуществлять доступ к данным, зарегистрированных в архивах («исторические» данные). Эти приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и быть распределенными по сети. При этом независимо от фирмы-поставщика стандарт ОРС, признанный и поддержанный всеми ведущими фирмами-производителями SCADA-систем и оборудования, обеспечит их совместное функционирование. Особый класс ОРС-приложений представляют собой ОРС-серверы конкретных аппаратных устройств - они поставляются многими производителями аппаратных средств. ОРС-сервер создает своего рода абстракцию аппаратуры, позволяя любому ОРС-клиенту записывать и считывать данные с устройства. Устройство, для которого есть ОРС-сервер, может использоваться вместе с любой современной SCADA-системой.

Используемая в проекте SCADA-система «MasterSCADA» также поддерживает технологию ОРС, а контроллеры серии I-8000, программируемые с помощью Soft-logic системы ISaGRAF, имеют соответствующий ОРС-сервер (ISaGRAF OPC DA Server).

5.1.2 Описание основных видеокадров

Разработанное автоматизированное рабочее место оператора включает несколько связанных мнемосхем (видеокадров), переход на которые осуществляется при нажатии на кнопки с именем соответствующей мнемосхемы.

АРМ оператора представлен следующими видеокадрами:

Вход в систему (рисунок 5.1).

Технологическая схема (рисунок 5.2).

Сборный тренд (рисунок 5.3).

Видеокадр «Ручное управление» (рисунок 5.4).

Рисунок 5.1 - Видеокадр «Вход в систему»

У всех видеокадров имеется общий рабочий стол, располагающихся в верхней части окна. Посредством этого рабочего стола осуществляется переход между видеокадрами. Также на рабочем столе находится кнопка «Квитирование» для снятия сигнала звуковой сигнализации.

Также на рабочем столе располагается поле журнала событий, происходящих в системе. При двойном нажатии левой клавиши мыши на этом поле всплывает большое окно журнала событий.



Рисунок 5.2 - Видеокадр «Технологическая схема»

На видеокадре «Технологическая схема» представлены адсорберы, газгольдеры, теплообменник, сепаратор, насосы, основные технологические потоки.

Также на видеокадре показаны приборы, индицирующие значения измеряемых технологических параметров (температуры, давления) и состояние отсечных клапанов и насосов.



Рисунок 5.3 - Видеокадр «Сборный тренд»

Рисунок 5.4 - Видеокадр «Ручное управление»

При нажатии левой клавиши мыши на позиции прибора, например прибора OutO2_3, появляется окно, в котором можно производить ручное (дистанционное) управление прибором (рис. 5.4).

В разработанном АРМе оператора развиты средства по позиционной технологической и аварийной сигнализации.

Сигнализация о нарушении какого-либо условия ведения технологического процесса будет представлять собой изменение цвета индикации переменной со звуковым сопровождением различной частоты и тональности, в зависимости от степени опасности. Квитирование звукового сигнала происходит при нажатии левой клавиши мыши на кнопку «Квитирование».

В проекте при индикации на мнемосхеме значения некоторой измеряемой переменной принята следующая цветовая гамма:

Горение ровным чёрным цветом - измеряемый параметр в норме;

Мигание желтым цветом - выход измеряемого параметра за технологические границы (одновременно работает звуковая предупредительная сигнализация);

Горение ровным желтым цветом - выход измеряемого параметра за технологические границы (произведено квитирование звуковой предупредительной сигнализации);

Мигание красным цветом - выход измеряемого параметра за аварийные границы (одновременно работает звуковая аварийная сигнализация);

Горение ровным красным цветом - выход измеряемого параметра за аварийные границы (произведено квитирование звуковой аварийной сигнализации);

Мигание серым цветом - выход измеряемого параметра за границы достоверности (нарушение работы датчика, обрыв в цепи измерительного канала). При этом одновременно работает звуковая аварийная сигнализация.

Горение ровным серым цветом - выход измеряемого параметра за границы достоверности (нарушение работы датчика, обрыв в цепи измерительного канала) - звуковая аварийная сигнализация снята.

Горение ровным синим цветом индикатора состояния оборудования - оборудование (двигатель насоса, двигатель технологического аппарата) включено или клапан полностью открыт.

Горение ровным белым цветом индикатора состояния оборудования - оборудование (двигатель насоса, двигатель технологического аппарата) выключено или клапан полностью закрыт.

5.2 Разработка общего вида шкафов и описание размещения приборов и средств автоматизации в шкафах

Шкаф управления и силовой шкаф выполнены на основе стандартных шкафов автоматики. Выбраны габариты 2000х800х470 мм.

Шкафы изготовлены из стали толщиной 1.2 мм. За счет отверстий в задней панели легко и быстро монтируются на стену. Передние монтажные планки 19" могут передвигаться по глубине шкафа так, в зависимости от габаритов оборудования. В верхней крышке и в основании шкафа имеются люки для ввода кабельных жгутов. Это идеальное решение для использования в качестве распределительного узла структурированной кабельной системы. Металлическая дверца обеспечивает непрерывный контроль с возможностью быстрого доступа. Возможен вариант с цельнометаллической дверью. Для защиты от несанкционированного доступа шкаф оснащен замком. Стенки не съемные.

В шкафу управления на DIN - рейках установлены приборы и средства автоматизации в соответствии со спецификацией. Приведенной на чертеже общего вида шкафов. В нижней части шкафа расположены клеммы AVK-2,5. Клеммники устанавливаются на монтажных DIN - рейках. Внутришкафная электропроводка прокладывается в перфорированных кабельных каналах.

Ввод питания ~380В в шкаф управления необходимо завести через вводный клеммник. Необходимо выполнить защитное заземление шкафа.

Шкафные конструкции должны поставляться на объект в законченном для монтажа виде: с аппаратами и установочными изделиями; с внутренней электрической проводкой, подготовленными к подключению внешних цепей, а также приборов, устанавливаемых на объекте; с крепежными изделиями для сборки и установки шкафов.

В комплект поставки шкафов должны входить паспорт, чертеж общего вида с таблицами соединений и подключений, ключ от двери.

5.3 Разработка монтажно-коммутационной схемы шкафа управления

Монтажно-коммутационная схема шкафа выполняется в соответствии с чертежами общего вида шкафа, и также используются ранее разработанные схемы: функциональная, принципиальная электропитания приборов и средств автоматизации, а также схема внешних электрических соединений.

В проекте монтажно-коммутационная схема шкафа управления выполнена адресным способом.

На монтажно-коммутационной схеме шкафа вычерчиваются клеммные коробки приборов с указанием номеров соединительных проводов и адресов приборов, с которыми данный прибор соединен. На основании этих схем производится монтаж шкафа и приборов управления, регулирования и защиты.

Выводы к разделу 5

В данном разделе приведено описание организации АРМ оператора, разработан общий вид шкафов, описано размещение приборов и средств автоматизации в шкафах, разработана монтажно-коммутационная схема шкафа управления

6. РАСЧЁТ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

6.1 Обоснование выбора технологического аппарата, лимитирующего качество продукции

Системы автоматики и автоматического регулирования применяются в настоящее время во всех отраслях промышленности. Основной целью автоматизации является исключение участия человека в управлении производственными процессами и другими техническими объектами, стабилизация или улучшение качества продукции. В настоящее время автоматизация технологических процессов представляет собой одно из основных средств роста эффективности производства, интенсификации процессов и улучшения условий труда.

Одним из этапов проектирования систем регулирования технологическим процессом является выбор структуры системы и расчет параметров регуляторов. Как структура системы автоматического регулирования, так и ее параметры определяются свойствами технологического процесса как объекта управления.

Любой технологический процесс как объект регулирования характеризуется следующими основными группами переменных.

Переменные, характеризующие состояние процесса. Эти переменные в процессе регулирования необходимо поддерживать на заданном уровне или изменять по заданному закону.

Переменные, изменением которых система регулирования может воздействовать на объект с целью управления. Совокупность этих переменных называют вектором регулирующих воздействий. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.

Переменные, изменение которых не связаны с воздействием системы регулирования. Эти изменения отражают влияние на регулируемый объект внешних условий, изменения характеристик самого объекта и т.п. Их называют возмущающими воздействиями.

Выбираем в качестве основного аппарата теплообменник. В теплообменнике протекает процесс охлаждения кислорода, тем регулируется качество конечного продукта и продукт подготавливается для дальнейших стадий производства.

Рисунок 6.1 - Упрощённая схема теплообменника

Для выбора оптимальных режимов работы, построения системы автоматического управления процессами, протекающими при производстве пара, необходимо провести анализ входных и выходных потоков технологического процесса и получить математическое описание объекта управления.

6.2 Разработка математической модели

Входными воздействиями в процессе производства охлаждения кислорода ра являются степень открытия клапана на подачи кислорода G-_к (или степень открытия клапана ), степень открытия клапана на линии подачи воды G-_в (или степень открытия клапана ), температуры подаваемого кислорода T_к и температура воды Т_в.

Рисунок 6.2 - Принципиальная схема теплообменника

При разработке математической модели объекта управления приняты следующие допущения:

- концентрация кислорода составляет 100%;

- структура потоков теплоносителей соответствует модели идеального вытеснения, в основе которой лежит допущение о поршневом течении без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении вещества в направлении, перпендикулярном движению;

- теплоносители движутся в теплообменнике в режиме прямотока;

- их движение не сопровождается фазовыми переходами;

- в межтрубном пространстве движется охлаждающая жидкость, во внутренней трубе

- кислород;

- теплофизические свойства берутся при средних температурах теплоносителей.

Привяжем теплообменный аппарат к системе координат (рис 6.2)

Рисунок 6.3 - Теплообменник в системе координат

Введены следующие обозначения:

G - объёмный расход вещества в м³/с.;

с - удельная теплоёмкость вещества в Дж/(кг*°C);

с - плотность вещества в кг/м³;

K - коэффициент теплопередачи;

V - объём вещества м³;

T - температура вещества в °С;

d - диаметр трубы в м;

l - длина трубы в м;

S - сечение потока в м³;

ф - время в с.;

?x - элементарный участок трубы;

d₁ - диаметр внутренней трубы;

d₂ - диаметр внутренней трубы;

Составим уравнение материального баланса воды в аппарате:

G^вх_в = G^вых_в (1);

где G^вх_в - расход воды на входе в теплообменник, G^вых_в - расход воды на выходе.

Уравнение материального баланса кислорода в аппарате:

G^вх_к = G^вых_к (2);

где G^вх_к - расход кислорода на входе в теплообменник, G^вых_к - расход кислорода на выходе.

Составим уравнение теплового баланса кислорода в аппарате:

Уравнение энтальпии системы имеет следующий вид:

;

где Q - количество теплоты, dф - элементарный промежуток времени, H - энтальпия.

H = hm = tcm, где h = сV.

Следовательно:

H=tcсV=tcс (d₂-d₁)²?x.

Введём следующие обозначения:

S₁= d₁²

S₂ = (d₂² - d₁²)

Количество тепла поступаемого в теплообменник с потоком определяется как:

G_вхcTф;

где G - массовый расход вещества. Для элементарного объёма за элементарно малый промежуток время:

G_вхcTdф;

Количество тепла уходящее из рассматриваемого объёма с потоком определяется как:

G_выхcTdф;

Приход тепла , определяемый теплопередачей:

Kрd(T_вн-Т);

где T-_вн - температура внешнего теплоносителя.

С учётом полученных соотношений накопление тепла в системе составит:

C_вс_вS₂?x = G_в^вх с_в T_i-1^вых - G_в ^выхс_вT_i^вых ₊ Kрd₁ ?x (T_i(к) ^вых - T_i(в)^вых);

при условии (1) получаем:

c_вс_вS₂?x = G_в^вх с_в (T_(i-1)^вых - T_i^вых)+ Kрd₁ ?x (T_i(к) ^вых - T_i(в) ^вых);

c_вс_вS₂ = (T_(i-1)^вых - T_i^вых)+ Kрd₁(T_i(к) ^вых - T_i(в) ^вых);

После всех упрощений, уравнение теплового баланса по охлаждющей воде принимает следующий вид :

с_вс_вS₂ = -G_в^вх с_в + Kрd₁(T_к - T_в); (3)

Начальное условие:

T_в(0,х) = Т_в⁰(x); (4)

Граничное условие:

T_в(ф,0) = Т_в^вх(ф); (5)

Уравнение теплового баланса по воде имеет следующий вид:

С_кс_кS₁ = -G_в^вх с_в + Kрd₁(T_в - T_к); (6)

Начальное условие:

T_к(0,х) = Т_к⁰(х); (7)

Граничное условие:

T_к(ф,0) = Т_к^вх(ф); (8)

Данная математическая модель описывает все связи, существующие в объекте.

6.3 Имитационные исследования объекта управления

При автоматизации производственных процессов наиболее правильные решения могут быть приняты на основании данных о статических и динамических свойствах регулируемого объекта. Для получения этих данных определяют соответственно статические и динамические характеристики регулируемых объектов используя математическую модель объекта регулирования.

Статические характеристики представляют собой функциональную зависимость выходных величин от входных при статическом (стационарном, установившемся) режиме работы.

Динамические характеристики представляют собой зависимости между изменениями входных и выходных величин в динамическом режиме (во времени).

Динамические характеристики дают информацию об инерционных свойствах регулируемых объектов (систем, элементов систем) и таким образом являются исходными данными при синтезе автоматических систем регулирования. Они позволяют выполнить эту работу в полном объеме и завершить ее расчетом параметров настройки на данном регулируемом объекте с целью получения желаемых форм графиков процессов регулирования [6].

Рисунок 6.4 - Теплообменный аппарат, как объект управления.

Для получения статических характеристик объекта управления входные воздействия менялись в диапазоне 20 % от своего номинального значения (номинальные значения входных величин приведены в регламенте).

Графики статических характеристик приведены на рисунке 6.5.

1-номинальное значение; 2-T_к(Т_к^вх); 3-T_к(Т_в^вх); 4-T_к(G_к^вх); 5-T_к(G_в^вх);

Рисунок 6.5 - Статические характеристики теплообменного аппарата

Отметим, что точка А, являющаяся точкой пересечения характеристик, соответствует номинальному статическому режиму объекта. Номинальный режим указан в техническом регламенте.

Из анализа статических характеристик можно сделать вывод, температура на выходе из теплообменника обладает достаточной чувствительностью по изменению степени открытия клапана на трубопроводе подвода охлаждающей жидкости. Следовательно, степень открытия клапана можно использовать в качестве управляющего воздействия. Основным возмущением является температура охлаждающей жидкости, так как чувствительность она оказывает наибольшее влияние на температуру кислорода.

Для расчета оптимальных настроек типовых регулирующих устройств автоматических систем регулирования (АСР) необходимо получить передаточные функции объекта по каналам регулирования и возмущения. В качестве испытательного входного воздействия использовалось ступенчатое воздействие в виде 10% изменения значений воздействий.

На рисунке 6.6 приведены результаты численных экспериментов по снятию переходных характеристик по каналу регулирования и возмущения.

Рисунок 6.6 - Переходные характеристики процесса охлаждения

кривая 1 - изменение температуры кислорода T_к на 10%;

кривая 2 - изменение расхода кислорода G_к на 10%;

кривая 3 - изменение температуры охлаждающей жидкости Т_в на 10%.

кривая 4 - изменение расхода охлаждающей жидкости G_в на 10%.

Из анализа данных кривых можно сделать вывод, что изменение степени открытия клапана на трубопроводе подачи охлаждающей жидкости оказывает достаточное влияние на изменение температуры кислорода, поэтому он может быть выбран как канал регулирования.

6.4 Расчет параметров системы регулирования

Важнейшим элементом синтеза АСР технологического процесса является расчет одноконтурной системы регулирования. При этом требуется выбрать закон регулирования и найти числовые значения параметров регуляторов.

Типовое решение автоматизации теплообменника - это один контур регулирования, реализующий схему одноконтурной системы регулирования и обеспечивающий стабилизацию выходного параметров процесса. В целом эта система обеспечивает стабилизацию выходной температуры кислорода и поддержание материального и теплового балансов в установке.

Для регулирования температуры кислорода T_к в теплообменнике будем изменять расход охлаждающей воды G_в. Структурная схема одноконтурной САР показана на рисунке 6.6.

Помимо собственно объекта регулирования в систему регулирования входят датчики, исполнительные механизмы и регуляторы. В теории автоматического управления принято датчики и исполнительные механизмы относить к объекту регулирования.

Рисунок 6.7 - Структурная съема АСР

6.5 Расчет настроек регуляторов системы регулирования

Как правило, измерительное устройство (датчик) инерционен, т.е. с запаздыванием реагирования, следовательно, чувствительный элемент описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Если это уравнение свести к передаточной функции, то получим передаточную функцию, соответствующую апериодическому звену 1-ого порядка [14]:

,

,

где T_изм - температура, измеряемая датчиком, єС; T_д - коэффициент, определяющий инерционность.

Ошибка регулирования определяется как разность между текущим значением температуры кипения смеси T и заданной температуры T _зад:

Полученное значение ошибки регулирования необходимо нормировать в диапазоне от 0 до 100 %:

где e_н - нормированное значение ошибки регулирования;

- разница между верхним и нижним значениями измеряемого параметра, єС.

Используемый ПИ-регулятор имеет зону нечувствительности Д, следовательно, ошибка регулирования с учетом зоны нечувствительности е_Д будет иметь вид:

;

где знак ошибки определяется следующей системой:

.

Уравнение ПИ-регулятора при регулировании температуры кипения смеси подачей греющего пара выглядит следующим образом:

;

где G_в^н - значение расхода пара в номинальном статическом режиме;

K_p - коэффициент усиления регулятора;

Т_и - время изодрома, сек.

Таким образом, математическое описание АСР температуры кислорода на выходе из теплообменника будет представлять собой уравнения динамики и уравнения расчета АСР температуры кислорода на выходе из теплообменника.

Определение настроек осуществляется путем проведения цикла оптимизации в программе MathLab. В качестве критерия был выбран интегрально-квадратичный критерий: , с ограничением на степень затухания ?_доп (_доп = 0,68).

6.6 Анализ показателей качества процесса регулирования

На рисунках 6.8, 6.9 и 6.10 показаны графики переходных процессов в одноконтурной АСР при оптимальных настройках.

Рисунок 6.8 - Переходной процесс в одноконтурной АСР при изменении задания

Качество регулирования численно может быть охарактеризовано прямыми показателями качества, которые определяются непосредственно из графиков переходных процессов АСР.

К прямым показателям качества переходных процессов относятся следующие[14]:

Полное время регулирования определяется как интервал времени от начала переходного процесса до момента, когда отклонение выходной величины от ее нового установившегося значения становится меньше определенной достаточно малой величины. Обычно в качестве последней берут 2-5% максимального отклонения в переходный период, т.е. .

Максимальное отклонение в переходный период для переходных процессов, вызванных возмущением, определяется величиной X_м, приходящейся на единицу возмущения:

где - величина скачкообразного возмущающего воздействия.

При отработке задающего воздействия качество регулирования характеризуется перерегулированием:

где - новое установившееся значение регулируемой величины.

Колебательность переходного процесса может характеризоваться степенью затухания:

В большинстве случаев требуется, чтобы перерегулирование было , степень затухания находилась в пределах .

В таблице 6.1 сведены прямые показатели качества процесса регулирования в одноконтурной АСР (с ПИ регулятором).

Таблица 6.1 - прямые показатели качества регулирования

Внешнее воздействие	tрег, с		Xм
Возмущение по каналу регулирования	1	-	0.27	0,69
Возмущение по каналу возмущения	1.4	-	0.29	0.76
Изменение задания	1.1	0,02	-	0.68

Таким образом, применение одноконтурной АСР для регулирования температуры на тарелке питания обеспечивает достижение требуемых качественных показателей (степени затухания и перерегулирования ) процесса регулирования.

6.7 Расчет надежности АСР

6.7.1 Основные понятия и критерии надежности

Надежность - свойство деталей сборки, прибора, системы выполнять функции и сохранять свои параметры в заданных пределах при заданных режимах работы и условиях эксплуатации [16].

Эффективность функционирования систем управления в значительной степени зависит от надёжности как отдельных устройств, входящих в систему, так и от аппаратуры обеспечивающей взаимодействие между устройствами. Низкая надёжность аппаратуры не только приводит к значительным простоям АСР, но и увеличивает стоимость их эксплуатации.

Кроме того, отказы технических устройств могут привести к аварийным ситуациям.

Основными причинами, определяющими повышенное внимание к проблемам надёжности, являются:

- рост сложности аппаратуры и появление сложных АСР;

- более медленный рост уровня надёжности комплектующих элементов по сравнению с ростом числа элементов в аппарате;

- усложнение условий эксплуатации.

Понятие работоспособности элементов и системы является одним из основных понятий теории надёжности. Работоспособность - это такое состояние системы или элемента, при котором они способны выполнить заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, устанавливаемых нормативно-технической документацией.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности называется отказом. По характеру возникновения отказы можно классифицировать следующим образом:

- внезапные отказы, характеризуются скачкообразным изменением параметров системы;

- постепенные отказы, характеризуются постепенным изменением параметров системы.

Для этих систем автоматического регулирования одним из важнейших требований является требование устойчивости системы. Если система устойчива, то в этом случае обеспечивается поддержание заданного значения некоторого параметра, при различных внешних воздействиях. Отказ одного из элементов системы может привести к нарушению устойчивости, что представляет собой отказ системы. Также для функционирования систем значительную роль играют сбои. Сбой - это событие, заключающееся в том, что в результате изменения параметров элементов под воздействием внутренних и внешних факторов система в течение некоторого времени прекращает выполнение своих функций.

Особенно опасны сбои для систем, в которых используется микропроцессорные контроллеры, так как следствием сбоя является накопление искаженной информации, что приводит к неправильному функционированию системы.

В целях обеспечения надёжности в АСР широко используется введение избыточности. Избыточность - дополнительные средства и возможности сверх необходимых для выполнения АСР заданных функций. Резервирование является одним из методов повышения надёжности путём введения избыточности.

В процессе эксплуатации АСР проводится целый ряд профилактических работ, направленных на повышение надёжности.

6.7.2 Ориентировочные расчёты надёжности

При расчёте принимаем следующие допущения:

- отказы элементов являются событиями случайными и независимыми;

- учитываются только элементы, входящие в функциональную схему системы управления;

- вероятность безотказной работы элементов изменяется от времени по экспоненциальному закону, т.е. опасность отказов не зависит от времени;

- учет влияния условий работы производится приближенно;

- параметрические отказы отдельно не учитываются.

Для основного функционального соединения элементов в системе:

,

де - вероятность исправной работы; - опасность отказа узла системы

Среднее время безотказной работы определяется следующим образом:

Произведём расчет надежности для системы автоматического управления процессом адсорбционного разделения воздуха.

Система представляет собой последовательное соединение следующих элементов: Д - датчик; Сэ - соединитель электрический; УСО - устройство связи с объектом (модули ввода-вывода).

Рисунок 6.11 - Структурная схема АСР

Структурная надёжность - это результатирующая надёжность системы при заданной её структуре и известных значениях надёжности всех входящих в неё элементов. Так как значение надёжности отдельных элементов системы изменяются в зависимости от режима и условий их работы, то должно быть учтено путём выбора значений надёжности каждого из элементов, в соответствии со свойственными этому элементу режимом и условиями работы.

В таблице 6.2 представлены расчетные данные для элементов АСР. Таким образом, имеем:

Таблица 6.2 - Расчетные данные для АСР

Наименование элементов	Опасность отказа, 1/ч.	Опасность группы, 1/ч 105
Датчик	1/15000	0,15
Блок питания	1/15000	0,15
УСО	1/100000	2
Контроллер	1/100000	1
Преобразователь	1/10000	0,1
Исполнительный механизм	1/10000	0,1
Итого:

Зададимся вероятностью безотказной работы %. Поставим заданное значение вероятности в последнее выражение.

Решаем полученное уравнение относительно :

, ,

часов.

Таким образом, время безотказной работы АСР составляет 1487 часов с вероятностью 95 %.

7. РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ППО) УПРАВЛЯЮЩИХ КОНТРОЛЛЕРОВ

7.1 Постановка задачи разработки ППО

Для воздухоразделительной установки необходимо разработать алгоритм и программу в среде программирования ISaGRAF, которые обеспечивают:

Автоматическое программное управление клапанами адсорберов в соответствии с циклограммой их работы.

Автоматический контроль давления в адсорберах.

Автоматическое регулирование температура газа на выходе из теплообменника.

Автоматический контроль концентрации кислорода в газгольдере.

7.2 Разработка эскизных алгоритмов управления или блок-схем алгоритмов управления

Эскизный алгоритм управления клапанами технологической установки выглядит следующим образом:

Открыть клапаны адсорберов 1-5 в соответствии с циклограммой.

Включить двигатель 29а воздуходувки 10..

По истечении времени переключить впускные клапаны адсорберов 1-5 в соответствии с циклограммой.

7.3 Описание разработанного прикладного программного обеспечения управляющих контроллеров

Одной из самых распространенных инструментальных систем программирования контроллеров является система ISaGRAF. Широкому распространению системы ISaGRAF способствуют [34]:

поддержка всех пяти стандартных (в соответствии с IEC 61131-3) языков программирования ПЛК;

использование графического интерфейса системы разработки, соответствующего международному стандарту GUI (Graphical User Interface), включающему многооконный режим работы, полнографические редакторы, работу с мышью и т.д.;

легкость в освоении и удобство использования;

удобные и эффективные отладочные средства (поддержка механизма выполнения программ по шагам, интерактивное изменение значений переменных, эмуляция сигналов, подаваемых на каналы ввода и др.);

встроенные средства программирования промышленных сетей;

поддержка основных функций протокола Modbus;

возможность использования функций пользователя, написанных на языке С;

наличие развитых средств контроля над внесением изменений в программный код разрабатываемых приложений, генерация и печать отчетов различной степени детализации.

Ядро ISaGRAF реализует поддержку всех пяти стандартных (IEC 61131-3) языков программирования ПЛК (SFC, ST, FBD, LD, IL) и набора стандартных функций и функциональных блоков.

Прикладное программное обеспечение контроллера разработано в среде ISaGRAF с использованием языков программирования SFC и FBD. На языке SFC реализована логика работы отсечных клапанов адсорберов, а на языке FBD - взаимодействие с модулями ввода-вывода.

Листинг программы, сгенерированный системой разработки ISaGRAF, представлен в приложении В.

Выводы к разделу 7

Поставлена задача разработки программы для контроллера, реализующего алгоритмы управления адсорберами при разделении газовых смесей, а также разработано прикладное программное обеспечение для управляющего контроллера.

8. ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ ПО РАЗРАБОТКЕ АСУ ТП ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОРОДА

8.1 Цель технико-экономического обоснования принятых решений

Расчеты, приведенные в данном дипломном проекте, показывают, что внедрение системы управления разработанной на базе современных средств автоматизации позволит сократить до минимума выход бракованной продукции, уменьшить расход сырья, увеличить производительность установки и как следствие повысить рентабельность производства. Таким образом, целями бизнес-плана являются:

повышение качества продукции;

увеличение выпуска продукции;

поддержание торговой марки предприятия.

8.2 Описание продукта

Кислород и азот (ГОСТ 6331-78) получаются из атмосферного воздуха способом адсорбционного разделения воздушной смеси с последующей закачкой в баллоны. Кислород технический применяется для обработки металлов и других технических целей. Азот применяется для создания защитных сред.

Транспортировка и хранение жидкого кислорода и азота осуществляется в баллонах по ГОСТ 26460.

Теxнические характеристики: 2 сорт, объемная доля кислорода 99,2

8.3 Рынки сбыта товаров

Кислород используется в основном, в медицине, в сварке, в космической отрасли.

8.4 План маркетинга

а) Ценовая политика

При формировании метода установления цен следует исходить из объективно существующих факторов:

способность выпускать продукцию высокого качества;

возможный рост, исходя из имеющихся мощностей и сырьевых возможностей, выпуска продукции;

постоянный рост стоимости материалов и покупных изделий и индексация заработной платы.

Исходя из этого, на 2014 год и последующие годы предпочтительно принять следующую стратегию ценообразования: высокое качество - высокая цена.

б) Мероприятия по проведению товара на рынок:

разработка и выпуск общего рекламного проспекта предприятия и рекламно-информационных листов по всем видам продукции;

регулярное участие в выставках смотрах; создание группы по оформлению стендов, как на выставках, так и в цехах;

систематическое размещение рекламных материалов в печатных изданиях и других СМИ;

в) Организация каналов сбыта на внутреннем рынке

договор со всеми торгующими предприятиями с указанием ответственности сторон.

8.5 Правовое обеспечение деятельности предприятия

ОАО «Корпорация «Росхимзащита» по виду хозяйственной деятельности относится к организациям со 100 % государственным капиталом. Правовой статус предприятия - акционерное общество: 500 привилегированных акций, 3500 обыкновенных акций.

8.6 Оценка риска и страхования

Для предприятия можно выделить следующие основные риски [18]:

природные (пожар, ураган, смерч и т.д.);

непредвиденные затраты, в том числе из-за инфляции;

несвоевременная поставка комплектующих;

увеличение производства у конкурентов;

рост цен на сырье, материалы, перевозки;

платежеспособность заказчика.

Чтобы предотвратить риск платежеспособности заказчика нужно производить более тщательную проверку заказчиков и оптовых покупателей, а также включить 100% авансный платеж условия договора. Для того чтобы, предотвратить непредвиденные затраты следует занимать средства в твердой валюте. При увеличении рекламной компании - снижается риск увеличения производства у конкурентов. При росте цен на сырье и материалы следует тщательно прогнозировать цены в кратко- и среднесрочном периоде. Чтобы предотвратить риск несвоевременной поставки комплектующих, необходимо минимизировать контракты с малоизвестными поставщиками.

Природные риски можно уменьшить только путем страхования имущества и транспортных средств предприятия, что не произведено.

8.7 Финансовый план и оценка экономической эффективности внедрения АСУТП

Баланс предприятия представлен в таблице 8.1

Таблица 8.1 - Баланс предприятия

Активы	Тыс. руб	Пассивы	Тыс.руб
Оборотный капитал		Обязательства
Касса	15	Краткосрочные кредиты	700
Счета в банке	250	Долгосрочные кредиты	500
Ценные бумаги	280	Собственный капитал	10467
Дебиторская задолженность	45	Акционерный капитал:
Запасы готовой продукции	320	Привилегированные акции	5800
Незавершённое производство	150	Обычные акции	4667
Запасы сырья	290	Резервы	18966
Основной капитал	5500
Оборудование	600
Амортизация	2300
Недвижимость	160
Земля	23
Итого	30633	Итого	30633

Отчет о прибылях и убытках представлен в таблице 8.2

Таблица 8.2 - Отчет о прибылях и убытках

1. Чистая сумма продаж (за вычетом всех скидок и рекламы)	230000
2. Сырье и материалы	1309.09
3. Заработная плата	3600
4. Амортизационные отчисления	700
5. Прочие расходы	10
6. Товарно-материальные запасы на начало года	320
7. За вычетом товарно-материальных запасов на конец года	420
8. Всего сумма издержек	84210
9. Валовая прибыль	155590
10. Проценты по кредитам	300
11. Прибыль после вычетов процентов	155290
12. Налоги	93294
13. Прибыль после выплаты налогов	61996
14. За вычетом дивидендов по привилегированным акциям	56196
15. За вычетом дивидендов по обычным акциям	20000
16. Резервный капитал	36196

Расчет экономического эффекта от внедрения АСУ ТП производится в соответствии с методическими разработками по комплексной оценке эффективности мероприятия.

Экономический эффект по условиям использования продукции определяется как превышение стоимостной оценки результатов над стоимостной оценкой совокупных затрат ресурсов за весь срок осуществляемых мероприятий. При этом расчет ограничивается той сферой использования, в которой качество выпускаемой продукции остается неизменным, либо его повышение учитывается и цене.

Расчет экономического эффекта осуществляется за расчетный период. Расчетный период включает разработку, освоение, промышленное производство и использование результатов осуществления мероприятия.

В качестве начального года расчетного периода принимают год начала финансирования работ по осуществлению мероприятия [19].

Расчет экономического эффекта производится с обязательным приведением осуществляемых в разное время затрат и результатов с целью учета их экономической не равноценности к единому моменту времени - расчетному году. В качестве расчетного года принимается наиболее ранний в рассматриваемых вариантах календарный год после окончания срока освоения мероприятия НТП (то есть, использования усовершенствованной технологии ).

Конечный год расчетного периода определяется с учетом его морального старения зависящего от специфики мероприятия и его технико-экономического уровня . Период эффективного функционирования мероприятия примем равным четырем годам, начиная с расчетного года

Показателем эффективности мероприятий НТП является величина экономического эффекта (), которая определяется по формуле:

, (8.1)

где - стоимостная оценка результатов осуществления мероприятия за расчетный период; - стоимостная оценка затрат на осуществление мероприятия за расчетный период.

Экономический эффект от внедрения мероприятий рассчитаем по формуле:

, (8.2)

где - прирост годового выпуска продукции; Ц - оптовая цена выпускаемого продукта; Зг1, Зг2 - годовые затраты в производстве продукции до и после использования мероприятий; Кр - норма реновации основных фондов, определяется с учетом периода эффективного функционирования, и находится по формуле:

, (8.3)

где - период эффективного функционирования мероприятия. Он принимается равным четырем годам (исходя из того мы производим усовершенствования технологического процесса на научно-технологическом уровне, ниже мирового).

.

Результат от внедрения мероприятия определяется как:

, (8.4)

где - цена единицы продукции; - годовой объем продукции в оптовых ценах.

Годовые затраты на реализацию проекта состоят:

, (8.5)

где - годовые эксплуатационные издержки производства за минусом амортизации на полное восстановление, руб.; - единовременные затраты при производстве продукции, условно принимаем стоимость основных производственных фондов, руб.; - единовременные затраты на проектирование АСР, руб.;

Годовой выпуск - 8000 м³ кислорода.

Плановая калькуляция себестоимости производства 1 м³ кислорода представлена в таблице 8.3.

Таблица 8.3 - Плановая калькуляция себестоимости 1м³ кислорода

Статьи затрат	д. изм.	На 1 м3 кислорода
		Кол-во	Цена, руб.	Сумма, руб.
I. Сырье и материалы	м3	1	83.6	83.6
II. Электроэнергия				209
III. Зарплата рабочих				9.31
IV. Отчисления в соц. Фонд				3.7
V. Цеховые расходы				5,55
ИТОГО: цеховая себестоимость				311.16
VI.Общезаводские расходы				11.1
Итого: производственная себестоимость				322.26
VII.Коммерческие расходы				8
Итого:полная себестоимость				330.26
Прибыль 25%				80.07
Отпускная цена				410.33

Стоимость основных фондов представлена в таблице 8.4.

Таблица 8.4 - Стоимость основных производственных фондов

Группы ОПФ	Стоимость (руб.)
1.Здания	3410000
2.Передаточные устройства	17000
3.Рабочие машины и оборудование	200000
4.Силовые машины и оборудование	0
5.КИП, лабораторное оборудование	1100
6.Транспортные средства	40050
ИТОГО	3668150

Амортизационные отчисления 52666.2 руб.

В соответствии с изложенной выше методикой производства расчет экономической эффективности по базовому варианту.

Расчет результата в стоимостном выражении по формуле (8.5):

руб.

На основании формулы (8.6) определяют затраты в стоимостном выражении:

руб.

Для расчета экономического эффекта по проекту необходимо рассчитать дополнительные капитальные вложения на усовершенствование технологического уровня (таблица 8.5).

Таблица 8.5 - Расчет сметной стоимости вводимого оборудования

Статьи	Сумма (руб.)
1.Стоимость вводимого оборудования	141000
2.Накладные расходы 35% от стоимости	49350
ИТОГО	190350

Дополнительные капитальные вложения К=190350 руб.

На основе производственных расчетов определяют единовременные затраты () после автоматизации:

, (8.7)

где - стоимость ОПФ базового проекта; - дополнительные капиталовложения в соответствии с принятым техническим решением.

руб.

Рост стоимости единовременных затрат (ОПФ)

.

Новое значение амортизационных отчислений

тыс.руб.

Годовой выпуск увеличится до 8000 м³.

Расчет экономического эффекта по проекту произведем по формулам 8.1, 8.3, 8.4.

руб.

руб.

руб.

Фондоотдача рассчитывается по формуле:

, (8.8)

где - выпуск продукции в натуральном выражении, м³; - среднегодовая стоимость ОПФ, руб.

Базовый вариант по формуле (8.8):

м³/руб.

Проект по формуле (8.8):

м³/руб.

Основные технико-экономические показатели представлены в таблице 8.6.

8.8 Стратегия финансирования

Необходимые для проведения реконструкции средства предлагается получить из резервного капитала.

Вывод к разделу 8

На основании проведенных расчетов показателей эффективности проекта, отражающих соотношение затрат и результатов, представленные в таблице 8.6, предложенный инвестиционный проект с экономической точки зрения является эффективным.

Таблица 8.6 - Основные технико-экономические показатели

Показатели	Единицы измерения	По базовому варианту	По проекту	Изменение %
Годовой выпуск продукции	м3	7000	8000	+14.7
Стоимость ОПФ	руб.	3668150	3858500	+5.2
Цена за единицу продукции	руб/м3.	402,5	402,5	-
Фондоотдача	м3/руб.	0.0019	0.0021	+10,5
Стоимостная оценка результатов	руб.	2455250	3220000	+31,1
Стоимостная оценка затрат	руб.	3378793,8	3580408	+5,9
Годовые издержки производства	руб.	1475724	1743828	+11.4
Период эффективного функционирования	г.	-	3	-
Экономический эффект	руб.		401589,5	-

9. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА

9.1 Введение к разделу “Безопасность жизнедеятельности”

Любое промышленное предприятие - зона повышенной опасности. Пренебрежение правилами безопасности, а так же их незнание рано или поздно приведет к возникновению чрезвычайной ситуации. Только четкое знание правил безопасности персоналом, грамотные его действия при ЧС, а так же грамотные инженерно-технические решения позволяют если не избежать возникновения ЧС, то снизить ущерб как производству так и свести к минимуму человеческие жертвы.

9.2 Общие санитарно-гигиенические требования к устройству промышленных предприятий

9.2.1 Санитарный класс и размеры санитарно - защищенной зоны

В зависимости от степени выбросов и опасности для окружающего населения промышленные объекты делятся на пять классов. Для каждого из них санитарными нормами проектирования промышленных предприятий устанавливается минимально допустимое расстояние от жилых, культурно-бытовых и лечебно -профилактических зданий (санитарно -защищенная зона). Величина ее для I класса составляет 1000 м, для П-500 м, для III - 300 м, для IV - 150 м, для V-50 м. Территория санитарно - защищенной зоны должна быть благоустроена и озеленена. В ее пределах допускается размещение административно - служебных, вспомогательных зданий (бань, прачечных, столовых), а также помещений для дежурного аварийного персонала и охраны данного предприятия [20].

9.2.2 Основные требования к конструкции зданий, сооружений, вспомогательных и подсобных помещений с учетом нормативов площадей для работающих и оборудования

Производственные здания должны отвечать ряду общих санитарных требований: быть достаточными по площади и кубатуре, отапливаться и проветриваться, иметь хорошее естественное и искусственное освещение [21].

Для размещения производств, в которых используется тяжелое оборудование, генерирующее интенсивный шум и вибрацию или где обрабатываются громоздкие объекты, должны строится одноэтажные здания.

Использование подвальных и цокольных этажей для производственных целей допускается лишь в тех случаях, когда эта необходимость диктуется требованиями технического процесса.

По санитарным соображениям важно выделять в отдельные помещения процессы и операции, могущие явиться причиной действия вредных факторов не только на рабочих, непосредственно занятых производствам данных работ, но и на окружающих [22].

При размещении производства должны учитываться требования пожарной безопасности.

При определении размеров помещения (площади, высоты, кубатуры) на одного работающего исходят из ряда санитарных соображений. Установленные законодательством минимальная величина площади на одного работающего составляет 4.5м², кубатура 15м³.

В производственных помещениях предусматривается подача свежего воздуха с помощью механической вентиляции при кубатуре менее 20 м³ на работающего в объеме 30 м³ в час, при кубатуре 20-40 м³ и более -- устройство искусственной вентиляции. При кубатуре 40 м³ и более устройство искусственной вентиляции не обязательно. В производствах с вредными выделениями в воздух (газов, пыли, тепла и др.) необходимый воздухообмен и размеры помещений определяются расчетным путем [22].

9.3 Характеристики для сырья, опасностей и вредностей на проектируемом объекте

Сырьем является атмосферный воздух, он не является опасным или вредным веществом. Получаемый кислород и азот так же не являются опасными веществами.

Содержание опасных и вредных веществ на рабочих местах не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК), утвержденных Минздравом России. Оно контролируется районной службой Госсанэпиднадзора РФ по графику.

Кислород получается из атмосферного воздуха способом адсорбционного разделения воздушной смеси с последующим ожижением. Кислород способен образовывать с углеводородами и пористыми органическими веществами взрывчатые детонирующие составы. Производство кислорода происходит под высоким давлением, что является опасным и при неправильной эксплуатации может привести к взрыву.

Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению.

Основные опасные участки производства.

Возле установки: выбросы в помещение кислорода; нарушение герметичности фланцевых соединений трубопроводов, сварных соединений: механическое воздействие.

Таблица 9.1 - Нарушения, причины и меры по устранению опасностей

Участок производства	Основные нарушения	Причины	Меры по устранению (действия персонала)
1	2	3	4
Установка КБА	Повышение давления в адсорбере	Изменеине уставки работы компрессора.	Перейти на ручное регулирование и вызвать слесаря КИПиА
Установка КБА	Утечка из трубопровода	Износ арматуры, механическое воздействие на трубопровод	Отключить установку, доложить руководству, устранить течь

9.4 Общие требования безопасности к производственному оборудованию (безопасность, надежность, эргономичность)

Применяемое на предприятии производственное оборудование должно соответствовать требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.003 и другим стандартам безопасности труда.

Производственное оборудование должно быть безопасным при монтаже, эксплуатации (как отдельно, так и в составе комплексов и технологических систем), а также при ремонте, демонтаже, транспортировании и хранении.

Производственное оборудование при эксплуатации не должно загрязнять окружающую среду выбросами вредных веществ выше установленных норм.

Производственное оборудование в установленных для него режимах и условиях эксплуатации не должно создавать опасности от воздействия влажности, солнечной радиации, механических колебаний, от изменений атмосферного давления, температуры, ветровых нагрузок и т.д.

Оборудование, работающее с выделением паров, пыли, аэрозолей, газов, необходимо располагать в отдельных изолированных и хорошо вентилируемых помещениях.

В производствах, где применяются особо токсичные вещества, системы местных отсосов должны иметь сигнализацию, включающуюся автоматически при остановке вентилятора.

Электрооборудование и электроустройства должны соответствовать Правилам устройства электроустановок и...