Размещено на http://www.allbest.ru/

Система автоматизации узла регулирования газа (УРГ) на ГТЭС Западно-Камынского нефтяного месторождения

РЕФЕРАТ

автоматизация регулирование контроллер газ

УЗЕЛ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗА (УРГ), ГАЗОСЕПАРАТОР, АВТОМАТИЗАЦИЯ, ДАТЧИКИ НИЖНЕГО УРОВНЯ, КОНТРОЛЛЕР, ОПЕРАТОРСКИЙ ИНТЕРФЕЙС, РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ, СИСТЕМА ТЕХНЛОГИЧЕСКИХ ЗАЩИТ, РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ.

Цель работы - реконструкция системы автоматизации узла регулирования газа (УРГ) на ГТЭС Западно-Камынского нефтяного месторождения, на базе современного программируемого логического контроллера MetsoDNA финской фирмы Metso Automation Inc.

Разработанная система позволит регулировать давление газа, определенное регламентом, между подачей на ГТУ и магистральным газопроводом, что увеличивает экономичность и экологическую безопасность установки.

Список сокращений.

C-1 - сепаратор первой ступени.

КП-1 - клапан предохранительный.

КРЭ - клапан регулирующий электроприводной.

АРМ - автоматизированное рабочее место

АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами

ПЛК - программируемый логический контроллер

ГТУ - газовая турбинная установка

DIA (Document Interchange Architecture) станция диагностики

BIU (Binary Input Module) - блок двоичного цифрового входа

BOU (Binary Output Module) - блок двоичного цифрового выхода

AIU (Analog Input Module) - блок аналогового ввода

AOU (Analog Output Module) - блок аналогового вывода

FI (Frequency Input Module) - блок частотного ввода

SDLC (Synchronous Data Link Control) - протокол управления синхронным каналом передачи данных

ВВЕДЕНИЕ

Общепризнанным является тот факт, что сегодня и в ближайшем будущем основу стабильности экономики страны будет составлять развитый топливно-энергетический комплекс.

Не вызывает сомнений и то, что управление технологическими процессами необходимо осуществлять с помощью средств автоматизации.

Умение ориентироваться на переполненном сегодня рынке устройств автоматизации и главное грамотно построить безопасную, надежную, удовлетворяющую современным техническим требованиям автоматизированную систему контроля и управления технологическим процессом, является обязательным атрибутом выпускника направления: 15.03.04 - «Автоматизация технологических процессов и производств» профиль: «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности».

Для закрепления полученных навыков по построению систем автоматизации предлагается выполнить курсовую работу, целью которой является разработка проекта автоматизации технологической установки, используемой в топливно-энергетическом комплексе России.

Цель работы: рассмотрение ключевых аспектов автоматизации технологических процессов, которые существенно пересекаются с проблемами развития отечественной нормативной базы.

Выполнив курсовую работу, студент может проанализировать, точно определить характеристики и отладить каналы передачи информации для систем контроля и управления.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Произведем выбор технологической установки, используемой в топливно-энергетическом комплексе согласно заданию - узел регулирования газа (УРГ) на ГТЭС Западно-Камынского нефтяного месторождения.

В газосепараторе первой ступени (C-1) происходит отделение газа от газового конденсата. Аппарат, в котором это происходит называется сепаратором, а сам процесс разделения -- сепарацией.

Процесс сепарации осуществляется в несколько этапов (ступеней). Число ступеней сепарации ограничивают двумя-тремя.

Сепараторы бывают вертикальные, горизонтальные и гидроциклонные.

Выбранная технологическая установка - сепаратор вертикальный С-1 снабжен:

1. Уровнемером, аналоговым датчиком перепада давления (LIRSA402).

2. Дискретным сигнализатором верхнего уровня жидкости (LSA421).

3. Дискретным сигнализатором нижнего уровня жидкости (LSA422).

4. Датчиком температуры, термопреобразователем сопротивления (TE301).

5. Аналоговым датчиком давления (PIR212).

6. Дренажной линией с электроклапаном КРЭ2 (NHSAY2) для дренирования жидкости из сепаратора. В автоматическом режиме открытие и закрытие клапана КЭ2 производится по уставкам аналогового датчика (LIRSA402) и определяется регламентом и масштабом измерений.

7. Контрольным показывающим манометрическим термометром (TI302).

8. Контрольным показывающим манометром (PI201).

9. Предохранительным клапаном КП-1 с установочным давлением срабатывания Pуст.=0,6 МПа.

Узел регулирования газа (УРГ) после сепаратора, на базе регулятора КРЭ1 (PCV2021) поддерживает заданное давление газа «до себя». Регулирование давления газа осуществляется по PID закону в автоматическом режиме управления регулятора. Давление газа перед регулятором PCV2021 контролируется датчиком давления S_PIRCA-212. При достижении минимальных или максимальных рабочих значений по давлению в АСУ ТП ГТЭС формируется световая и звуковая сигнализация.

1.1 Выбор контроллерного оборудования и разработка программного обеспечения

Задачей выбора программно-технических средств реализации проекта АСУТП является анализ вариантов, выбор компонентов АСУТП и анализ их совместимости.

Программно-технические средства АСУТП узла регулирования газа (УРГ) включают в себя: измерительные и исполнительные устройства, контроллерное оборудование ввода-вывода, передачу данных в центральный процессорный блок и вывод данных на АРМ оператора.

Измерительные устройства (датчики) осуществляют сбор информации о технологическом процессе. Исполнительные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую или иную физическую величину для осуществления воздействия на объект управления в соответствии с выбранным алгоритмом управления. Контроллерное оборудование ввода-вывода осуществляет сбор с данных с датчиков, центральный процессорный блок осуществляет выполнение задач вычисления и логических операций, а также вывод информации на человеко-машинный интерфейс, АРМ оператора.

Рассмотрим и задействуем ПЛК MetsoDNA (старое название: Damatic XD) с модулями ввода-вывода BIU, BOU, AIU, AOU, TIU, FIU в составе PIC контроллера Metso DNA.

ПЛК предоставляет 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 раз личных областях промышленного производства.

Также АСУТП Metso DNA включает удобную служебную программу Отладчик станции диагностики (DIA), которая предназначена для исследования системы автоматизации Metso DNA и внутренних принципов работы системных приложений. [1], [2], [3], [4]

Типичные способы применения этой служебной программы:

- тестирование приложений

- отладка приложений

- анализ функционирования системы

- отладка системы

С помощью служебной программы Отладчик мы можем исследовать внутренние данные системы и вносить в них изменения.

Таблица 2.1 - Спецификация по оборудованию шкафа АСУТП MetsoDNA.

№ п/п	Оборудование СУТП Damatic XD	Назначение оборудования согласно «Электромеханика DAMATIC XDi, TEC-XD-ELM, V.5.7 вер.10»	Каталожный номер	Количество оборудования на ШУ	Общее количество оборудования	Потребляемая мощность 1 ед. оборудования (Вт)	Общая потребляемая мощность (Вт)	Температура в рабочем режиме. Согласно «Требования к условиям окружающей среды» Damatic XD
0	Центральный процессорный блок (CPU 60)	Базовый блок системы Metso DNA	A413000	1	1	21	21	от +5° до +70° С
1	Плата ввода/вывода (AXR 2)	Для эксплутационных соединений до восьми плат ввода/вывода	S422137	1	1	5	5	от 0° до +70° С
2	IPU (Блок питания ввода/вывода)	Источник питания субкаркаса ввода/вывода, формирующий необходимое рабочее электропитание для плат ввода/вывода	A413325	1	1	51	51	от 0° до +70° С
3	Контроллер технологического интерфейса PIC	Соединяет технологическую станцию и устройства ввода/вывода. Подключен к контроллеру эксплуатационной шины FBC	A413171	1	1	5	5	от +5° до +70° С
4	SPU (Резервный блок питания)	Представляет собой аккумуляторный блок питания, применяемый для обеспечения выходного питания источников FPU и VPU постоянного тока при отказах сетевого электропитания	A413331	1	1	30	30	от 0° до +70° С
5	LCU (Зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов)	Является зарядным устройством для аккумуляторов, используемых при необходимости в FPU	A413350	1	1	в составе FPU	-	от 0° до +70° С
6	FPU (Блок эксплуатационного электропитания 400). Выходная мощность 900 Вт	Блок питания общего назначения с выходной мощностью 900 Вт	A413340	1	1	149	149	от 0° до +70° С
7	BIU 84	Восьмиканальный блок двоичного цифрового входа, с эксплуатационным ограничением тока (50 мА)	A413143	1	1	6	6	от 0° до +70° С
8	BOU 8	Восьмиканальный блок двоичного цифрового выхода, с источником питания с ограничением тока нагрузки (до 200мА). Позволяет управлять магнитными клапанами с мощностью в обмотке до 3 Вт, 24 В	A413150	1	1	8	8	от 0° до +70° С
9	AOU1	Восьмиканальный блок двоичного цифрового выхода, с эксплуатационным ограничением тока. Управляет магнитными клапанами с мощностью в обмотке до 3 Вт, 24 В	A413130	1	1	3,3	3,3	от 0° до +70° С
10	AIU 8	Восьмиканальный блок аналогового ввода, для измерения аналоговых сигналов тока и напряжения.	A413125	1	1	8	8	от 0° до +70° С
11	SCHRACK	Реле с катушкой управления 24VDC	RT114024	2	2	-	-	от -40° до +85° С
12	SCHRACK	Реле с катушкой управления 230VAC	RT114730	2	2	-	-	от -40° до +70° С
Итоговая потребляемая мощность предлагаемого оборудования:	286,3	Общая мощность потребления оборудования шкафа Damatic XD	286,3 < (FPU=900Вт)

Примечание. Расчет по потребляемой мощности, выполнен для оборудования MetsoDNA сепаратора С-1 и узела регулирования газа (УРГ). Мощность блока эксплуатационного электропитания (FPU) изначально взята для питания всего общестанционного оборудования. [1]

Таблица 2.2 - Спецификация по кабелю линий связи.

№п/п	Тип кабеля	Длина кабеля, м	Примечание
1	КВВБГ 19х0,75	700

Описание модулей ввода-вывода:

Для всех модулей - сторожевая логика останавливает работу процессора, когда напряжение источника +5 В становится ниже 4,65 В.

Блок AIU 8-восьмиканальный блок аналогового ввода, который используют для измерения аналоговых сигналов тока и напряжения.

Блок AIU 8 обеспечивает питанием специальные канальные датчики, он ограничивает потребляемый ток и контролирует напряжение питания. Выбор и нормализация диапазона измерений производится программными средствами. Входные сигналы проходят через аналоговый радиочастотный фильтр НЧ и подвергаются цифровой фильтрации с помощью программных средств.

Блок AIU 8 контролирует нижний и верхний пределы диапазона. Процессор (CPU) выполняет измерение через интервалы 8,882 мс. Измеряемый токовый сигнал преобразуется в сигнал напряжения на входном резисторе. После НЧ фильтра 50 Гц сигнал преобразуется в цифровую форму. Если преобразованный сигнал превышает 110% диапазона измерения, выдается сигнал аварии верхнего предела, если сигнал имеет уровень ниже - 10%, выдается сигнал аварии нижнего предела (нижний предел игнорируется в диапазоне 0-20 мА).

Процессор проверяет калибровочные параметры канала, помещенные в СППЗУ, с интервалом 1 с. Если параметры канала выходят за допустимые пределы, измерения не выполняются. Допустипый измеряемый сигнал нормируется в соответствии с формулой

t = (x-v)*k, где

t = масштабированный измеряемый сигнал

x = результат преобразования

v = константа канала СППЗУ

k = множитель канала СППЗУ

Масштабированный сигнал обрабатывается в цифровом фильтре. Параметры фильтра выбираются программными средствами. Блок AIU 8 формирует четыре канальных бита ошибок, которые можно считать с процессора. [2]

Блок AOU 1 одноканальный блок аналогового выхода, используется для выдачи аналоговых сигналов тока и напряжения на различные оконечные элементы управления и аналоговые контроллеры. Процессор управляет токовым выходом посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Выход снабжен фильтром для подавления помех обработки.

Выходной сигнал обновляется и тестируется попеременно с интервалами 10 мс. Во время тестирования токовый выходной сигнал поддерживается постоянным, схемой выборки/удержания и измеряется выходное напряжение. Если импеданс линии, рассчитанный по значениям тока и напряжения, выходит за пределы определенного диапазона, признается отказ линии. Выходное напряжение тестируется путем считывания предыдущего обновленного значения. Считанная величина не должна отличаться от обновленной более чем на 10 %.

Процессором можно управлять непосредственно переключателем L/D и кнопками UP/DOWN на передней панели. L/D активизируется когда блок находится в режиме МЕСТНОГО управления. Максимальная резистивная нагрузка токового выхода 750 Ом на диапазоне 20 мА.

Токовый сигнал 4…20 мА, контроль обрыва линии (LO) активируется, когда сопротивление цепи становится >800 Ом (сопротивление внешней цепи >550 Ом, когда внутреннее выходное сопротивление равно 250 Ом). Контроль короткого замыкания в линии (LS) активируется, когда сопротивление цепи становится < 375 Ом (сопротивление внешней цепи < 125 Ом, когда внутреннее выходное сопротивление равно 250 Ом); тестирование выполняется только при токовом сигнале ? 1 мА.

Сигнал напряжения LO активируется, когда выходное напряжение цепи по каким-то причинам примерно на 10% превышает отрегулированное значение; применяется только при напряжениях больше 245 мВ. Контроль перегрузки (LS) активизируется, когда выходное напряжение цепи по каким-то причинам примерно на 10 % ниже отрегулированного значения; применяется только при напряжениях больше 245 мВ. [2]

Блок BIU 8-восьмиканальный блок двоичного цифрового входа используется для чтения контактных данных. Светодиодные индикаторы на передней панели каждого модуля показывают состояние каждой точки ввода. Переключатель имитатора на передней панели блока позволяет имитировать переключение полей без отключения блока от стойки. Входы изолированы с помощью реле. Процессор (CPU) считывает в свою память состояние входных каналов с интервалами 5 мс. На способ интерпретации состояния влияет определение параметров “t” и “T” для каждого канала, которое выполняется программными средствами. Импульсы, длительность которых меньше значения параметра “t”, игнорируются; если измененное состояние сохраняется дольше времени, определенного параметром “t”, оно будет поддерживаться в течении времени, определенного значением параметра “T”. Любое изменение состояния, возникшее в течении интервала “T”, не будет обработано. Фактическое время изменения состояния присоединяется к принятым данным состояния. Время может быть считано в течении 5 с, после чего информация о времени считается недействительной. При необходимости состояниями можно управлять с помощью переключателей имитации S0…S7. Переключатели не влияют на состояние индикаторных ламп. Блок BIU 8 формирует 4 бита ошибок для каждого канала; биты ошибок можно считывать с процессора. [2]

Блок BOU 8-восьмиканальный блок двоичного цифрового выхода, в котором имеется источник питания каналов с ограничением тока. BOU 8 управляет индикаторными лампами, магнитными клапанами и т.д.; он также может управлять двигателями и клапанами через промежуточные реле.

Блок BOU 8 содержит восемь двоичных выходов, каждый из которых система может обновить и считать через шину последовательного ввода/вывода. Выходное состояние «1» замыкает контакты реле, состояние «0» размыкает их. Кроме состояния, сообщение об обновлении выхода содержит временной параметр, который определяет время, за которое данное состояние будет передано на выход к исполнению. Если временной параметр нуль, передачаосуществляется немедленно. Если временной параметр больше нуля (меньше 5,1 с), величина, обратная состоянию выхода передается на выход немедленно. Время сохранения убывает с интервалами 5 мс до нуля, после чего состояние передается на выход. При считывании выходного состояния временной параметр говорит о времени, которое еще остается до изменения состояния. Данные состояния указывают следующее новое состояние. Если временной параметр нуль, данные показывают текущее состояние.

Процессор (CPU) передает выходное состояние на реле; выходной сигнал снимается с контактов реле. С реле связан буферный каскад и канальный индикатор-лампа на передней панели (SS0-SS7, СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ), которая показывает состояние, выданное блоку. Каждым выходом можно управлять вручную до требуемого состояния посредством имитирующих переключателей на передней панели (S0-S7). Однако индикаторные лампы всегда показывают состояние, определенное системой. Когда имитирующий переключатель находится в среднем положении, система управляет состоянием выхода. Перегрузка реле индицируется канальными лампами на передней панели блока (OC0…OC7, ПЕРЕГРУЗКА). Блок BOU 8 формирует также 4 бита ошибок для каждого канала; биты ошибок можно считывать с процессора. [2]

Контроллер технологического интерфейса (PIC) соединяет технологическую станцию и устройства ввода/вывода. Блок PIC соединяется с контроллером эксплуатационной шины (FBC) технологической станции посредством эксплуатационной шины. Связь по эксплуатационной шине выполняется в соответствии с протоколом SDLC, со скоростью обмена 1 Мбит/с. С точки зрения протокола SDLC блок PIC работает как вторичный терминал: он не может отправлять сообщения по своей инициативе, но может отвечать на запросы контроллера FBC. Процессор и связанная с ним схема ввода/вывода оперирует с интерфейсом эксплуатационной шины. Схема ввода/вывода посылает передаваемый сигнал в электрически изолированную эксплуатационную шину. Когда плата передает данные в эксплуатационную шину, на ее передней панели горит лампа RTS. Входной сигнал проходит через фильтр Бесселя и RC-фильтр. Когда плата обнаруживает информационный трафик на эксплуатационной шине, на ее передней панели загорается лампа CD.

Шина блока ввода/вывода соединяет блок PIC с блоками ввода/вывода. Шина соответствует стандарту интерфейса RS-485; это асинхронная полностью дуплексная шина последовательного ввода/вывода со скоростью обмена данными 375 Кбит/с. Шиной блока ввода/вывода управляет процессор; шина подключена к каналу последовательного ввода/вывода. Обмен данными осуществляется в девятиразрядном (битовом) режиме причем девятый разряд (бит) указывает, является ли передаваемый байт адресом или данными. [3]

Таблица 2.3 - датчики и исполнительные механизмы, достаточные для автоматизации сепаратора С-1 и узла регулирования газа (УРГ).

№

Наименование сигнала

Обозначение и позиция на схеме автоматизации

Единицы измерения

Пределы измерения параметра

Наименование прибора

Пределы измерения прибора

Класс точности прибора

Тип сигнала (для контроллера)

Диапазон входного-выходного сигнала

DI

DO

AO

FI

SDLC

AI

1

Давление в сепараторе С-1

PIR212

МПа

0,3…0,5

Метран-150 TG

0…1,0

0,075

+

+

4..20 мА

2

Температура в сепараторе С-1

TE301

С°

-50..150

ТСПУ Метран 276-Exia

-50..150

0,5

+

+

4..20 мА

3

Уровень жидкости в сепараторе С-1

LIRSA402

кПа

0…15

Метран-150 CD

0…1,6

0,1

+

+

4..20 мА

4

Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно высокий

LSA421

-

max

FEC22 Multicap

-

1,5

+

+

дискретн.

5

Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно низкий

LSA422

-

min

FEC22 Multicap

-

1,5

+

+

дискретн.

6

Управление электроклапаном регулирования КРЭ2

NHSAY2

%

0…100

MICRO 41259

0…100

-

+

+

дискретн.

7

КРЭ2 открыть

NHSAY2_open

-

-

MICRO 41259

100

-

+

+

дискретн.

8

КРЭ2 закрыть

NHSAY2_close

-

-

MICRO 41259

0

-

+

+

дискретн.

9

Управление, PID - регулирование КРЭ-1

PCV2021

%

0…100

AUMA

0…100

-

+

+

4..20 мА

10

Датчик давления УРГ

S_PIRCA-212

МПа

0…0,8

Метран-150 TG

0…1,0

0,075

+

+

4..20 мА

Описание алгоритма АСУТП сепаратора С-1.

Регулирования уровня в сепараторе С-1 производится как в ручном режиме так и в автоматическом, от минимального допустимого рабочего значения, до его максимального допустимого рабочего значения. В автоматическом режиме открытие и закрытие клапана регулирования КРЭ2 (NHSAY2) производится по уставкам аналогового датчика уровня (LIRSA402) и определяется регламентом и масштабом измерений. Отключение клапана производится по сигналу крайнего положения с концевых выключателей (NHSAY2_open) и (NHSAY2_close).

Принудительное закрытие клапана регулирования (NHSAY2) производится по дискретному сигналу (LSA422) «Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно низкий».

Принудительное открытие клапана регулирования (NHSAY2) производится по дискретному сигналу (LSA421) «Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно высокий».

Давление жидкости в сепараторе С-1 контролируется датчиком давления (PIR212). При достижении минимальных или максимальных рабочих значений по давлению в АСУТП формируется световая и звуковая сигнализация. Также датчик задействован в алгоритме управления УРГ.

Температура жидкости в сепараторе С-1 контролируется датчиком температуры (TE301). При достижении минимальных или максимальных рабочих значений температуры в АСУТП формируется световая и звуковая сигнализация.

Описание алгоритма АСУТП узла регулирования газа (УРГ).

Режим работы регулятора (УРГ) «автоматический» или «дистанционный» выбирается в АСУ ТП ГТЭС. В АСУ ТП ГТЭС осуществляется отображение режима работы регулятора, процента открытия регулятора и величины заданной уставки по поддерживаемому давлению газа.

Настройки регулятора должны обеспечивать стабильное регулирование давления газа и плавное поддержание давления согласно заданной уставки с погрешностью (±0,015) МПа. Также должно обеспечиваться стабильное регулирование давление газа при аварийных остановках компрессорных установок или энергоблоков с целью исключения недопустимых колебаний давления топливного газа на работающих энергоблоках.

При наладке регулятора производится настройка коэффициентов регулирования с целью предотвращения вхождения контуров регулирования УРГ и компрессорных установок в резонанс.

Клапан регулятор давления газа PCV2021 при наличии любых ошибок в контуре измерения давления (обрыв, короткое замыкание, выход за пределы измерения и т.п.), а также при неисправностях в системе управления, электроприводе и пропадании электропитания должен переходить в ручной режим управления с выдачей предупредительной сигнализации. Сигнал на управление регулятором при этом не изменяется и соответствует последнему значению до появления ошибки, то есть положение клапана не изменяется.

Регулирующим сигналом для открытия (закрытия) регулятора PCV2021 служит сигнал по давлению газа PIR212 в газосепараторе С-1. Уставка значений давлений в интервале 0,3…0,5 МПа для регулирования давления газа регулятором PCV2021 задается оператором в АСУ ТП ГТЭС и определяется регламентом и масштабом измерений.

В случае увеличения давления газа в выбранном газосепараторе С-1, выше заданной уставки, АСУ ТП ГТЭС подает команду на открытие регулятора. Начинается снижение давления газа в коллекторе нагнетания работающих компрессорных установок. Система автоматического управления работающих компрессорных установок дает команду на увеличение проиводительности компрессоров для восстановления установленного значения давления нагнетания, при увеличении производительности компрессорных установок происходит снижение давления газа в газопроводе на входе ГТЭС. Тем самым излишки газа на входе ГТЭС через УРГ подаются на транспорт в газопровод. Давление регулируется по PID закону.

При условии 100% загрузки работающих компрессорных установок АСУ ТП ГТЭС блокирует дальнейшее открытие регулятора PCV2021 не зависимо от давления газа в газосепараторе С-1.

Принудительное закрытие регулятора PCV2021 от АСУ ТП ГТЭС осуществляется при одном из следующих условий:

- отсутствие сигнала о работе всех компрессорных установок;

- понижение давления газа перед регулятором PCV2021 по датчику давления S_PIRCA-212 ниже аварийной уставки.

- при появлении сигнала АО ГТЭС (S_ALARM).

Согласно алгоритмам управления технологическими установками, разработаем программное обеспечение в интегрированной среде разработки TRACE MODE 6. [6], [7]

Таблица 2.4 - Описание переменных, используемых контроллером. Модули ввода вывода.

№ п/п	ТЭГ позиции	Наименование устройства			Тип сигнала.											Примечание
			Входной	Выходной		Адрес	№ PIC	Соединение AXR 2	№ контакта	Контакт реле	№ реле, № клеммы	№ контакта	Питание катушки	№ провода с поля	№ кабеля с поля
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Входные и выходные дискретные сигналы
1	NHSAY2_open	КРЭ2 открыт	BIU84		сухой контакт	0.1.0	0	5	3	13 "+"	K18	A1	220 VAC	103-0	C-1	Реле с катушкой управления 230VAC
1	NHSAY2_open	КРЭ2 открыт	BIU84		сухой контакт	0.1.0	0	5	2	14 "-"	K18	A2	220 VAC	103K18-A2	C-1
2	PCV2021_open	КРЭ1 открыт	BIU84		сухой контакт	0.1.4	0	5	10	13 "+"	K20	A1	220 VAC	103K20-A2	C-1
2	PCV2021_open	КРЭ1 открыт	BIU84		сухой контакт	0.1.4	0	5	9	14 "-"	K20	A2	220 VAC	103-0	C-1
3	NHSAY2_close	КРЭ2 закрыт	BIU84		сухой контакт	0.1.1	0	5	6	13 "+"	K17	A1	220 VAC	103-0	C-1
3	NHSAY2_close	КРЭ2 закрыт	BIU84		сухой контакт	0.1.1	0	5	5	14 "-"	K17	A2	220 VAC	103K17-A2	C-1
4	PCV2021_ close	КРЭ1 закрыт	BIU84		сухой контакт	0.1.5	0	5	14	13 "+"	K19	A1	220 VAC	103K19-A2	C-1
4	PCV2021_ close	КРЭ1 закрыт	BIU84		сухой контакт	0.1.5	0	5	13	14 "-"	K19	A2	220 VAC	103-0	C-1
5	LSA422	Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно низкий	BIU84		24VDC	0.1.2	0	5	8		LN1			15	C C-1-1	Сухой контакт через встроенное реле датчика уровня
5	LSA422	Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно низкий	BIU84		24VDC	0.1.2	0	5	7		LN1			16	C-1
6	LSA421	Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно высокий	BIU84		24VDC	0.1.3	0	5	12		LN1			25	C-1
6	LSA421	Уровень жидкости в сепараторе С-1 аварийно высокий	BIU84		24VDC	0.1.3	0	5	11		LN1			26	C-1
7	NHSAY2	Управление электроклапаном регулирования КРЭ2_открыть		BOU8	сухой контакт	0.3.0	0	7	14	A1"+" (3)	K16	13	24VDC	103-0	C-1	Реле с катушкой управления 24VDC
7	NHSAY2	Управление электроклапаном регулирования КРЭ2_открыть		BOU8	сухой контакт	0.3.0	0	7	13	A2"-" (4)	K16	14	24VDC	103K16-14	C-1
8	NHSAY2	Управление электроклапаном регулирования КРЭ2_закрыть		BOU8	сухой контакт	0.3.1	0	7	12	A2"-" (4)	K15	13	24VDC	103-0	C-1
8	NHSAY2	Управление электроклапаном регулирования КРЭ2_закрыть		BOU8	сухой контакт	0.3.1	0	7	11	A2"-" (4)	K15	14	24VDC	103K15-14	C-1
Входные и выходные аналоговые сигналы
9	PIR212	Давление в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.0	7	6	1		LX1	107			C-1.1	вход
9	PIR212	Давление в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.0	7	6	4		LX1	108			C-1.1
10	TE301	Температура в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.1	0	6	5		LX1	121			C-1.1
10	TE301	Температура в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.1	0	6	3		LX1	122			C-1.1	вход
11	LIRSA402	Уровень жидкости в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.2	0	6	7		LX1	225			C-1.1	вход
11	LIRSA402	Уровень жидкости в сепараторе С-1	AIU 8		4-20мА	0.2.2	0	6	10		LX1	226			C-1.1	вход
12	S_PIRCA-212	Датчик давления УРГ	AIU 8		4-20мА	0.2.3	0	6	11		LX1	147			КР-1	вход
12	S_PIRCA-212	Датчик давления УРГ	AIU 8		4-20мА	0.2.3	0	6	14		LX1	148			КР-1	вход
13	PCV2021	Управление, PID - регулирование КРЭ-1		AOU4	4-20мА	0.4.0	0	11	1						КР-1	Выход. Сигнал управления 24 VDC
13	PCV2021	Управление, PID - регулирование КРЭ-1		AOU4	4-20мА	0.4.0	0	11	2						КР-1

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет коэффициентов ПИ-регулятора КРЭ1 (для последующего расчета ПИД-регулятора)

Передаточная функция объекта задана и равна:

допустимое значение частотного показателя колебательности равно:

М_доп=1,2 [8]

Передаточная функция непрерывного ПИ - регулятора имеет вид:

[8]

Передаточная функция разомкнутой системы:

АФЧХ разомкнутой системы ( s =jц?):

Для М_доп = 1,2 находим координаты центра окружности:

Находим радиус окружности:

Получаем окружность с рассчитанными в Matlab параметрами:

M=1.2

R=M/(M*M-1)

plotCircle = @(xc, yc, R) plot(xc + R * cos(0:0.001:2*pi), yc + R * sin(0:0.001:2*pi));

plotCircle(-3.27, 0, 2.72)

M =

1.2000

R =

2.7273

Рисунок 2.1

Выбираем наибольшее значение постоянных времени из передаточной функции объекта Tнаиб (2;4) = 4;

На ее основе строим интервал изменения:

[8]

Создаем интервал варьирования Ти ??(1;6), выбираем шаг h=0,5; первое значение Ти=1. Выбираем произвольное значение К_р=0,25.

Находим амплитудно-фазовую частотную характеристику (АЧХ) разомкнутой системы при постоянном времени интегрирования T_u=1 и различных значениях коэффициента передачи К_р:

Получим необходимые данные с помощью Matlab:

Задаем:

Clear;

sys1=tf([0.8],[2 1])

sys2=tf([1],[4 1])

Wob=series(sys1,sys2)

Kr=0.25

Ti=1

Wp1=tf([Kr*Ti Kr],[Ti 0])

Wr=series(Wob,Wp1)

w=10:0.001:0

nyquist(Wr,w)

hold

M=1.2

R=M/(M*M-1)

plotCircle = @(xc, yc, R) plot(xc + R * cos(0:0.001:2*pi), yc + R * sin(0:0.001:2*pi));

plotCircle(-3.27 , 0, 2.72)



Рисунок 2.2 - Годограф АФЧХ.

Если АФЧХ заходит в окружность, К_р уменьшается, если не касается, то К_р увеличивается до тех пор, расчет ведем до тех пор, пока АФЧХ и окружность будут иметь только одну общую точку. [8]

Следующее значение постоянной времени интегрирования Ти=1,5; процедура повторяется, коэффициент передачи Кр=0,44. Процедура повторяется до Ти =6.

Следующее значение Ти =2 коэффициент передачи Кр=0,7

Следующее значение Ти =2,5 коэффициент передачи Кр=1,04

Следующее значение Ти =3; коэффициент передачи Кр=1,6

Следующее значение Ти =3,5; коэффициент передачи Кр=2,2

Следующее значение Ти =4; коэффициент передачи Кр=3,0

Следующее значение Ти =4,5; коэффициент передачи Кр=3,5

Следующее значение Ти =5; коэффициент передачи Кр=3,9

Следующее значение Ти =5,5; коэффициент передачи Кр=4,2

Следующее значение Ти =6; коэффициент передачи Кр=4,6

Таблица 2.5 - Найденные значения сводим в таблицу настройки Кр и Ти ПИ-регулятора

За оптимальные настройки ПИ-регулятора принимаются те, для которых отношение К_р/Т_и имеет наибольшее значение: К_{р опт} =3,9; Т_{и опт}=5. [8]

Построим в Matlab графики амплитудно - частотной характеристики (АЧХ) замкнутой системы регулирования при настройках ПИ-регулятора К_{р опт} = 3,9; Т_{и опт} =5

Задаем:

sys1=tf([0.8],[2 1])

sys2=tf([1],[4 1])

Wob=series(sys1,sys2)

Kr=3.9

Ti=5

Wp1=tf([Kr*Ti Kr],[Ti 0])

Wr=series(Wob,Wp1)

Wz=feedback(Wr,1)

ffplot(Wz)

step(Wz)



Рисунок 2.3 - Прямые показатели качества, определенные по графику переходной характеристики:

- перерегулирование: у = 19 %;

- время регулирования: t_p = 8 с.

Принимаем для ПИД-регулятора КРЭ1 настройки: К_р =3,9; Т_и =5.

Где

К_р - коэффициент регулирования.

Т_и - постоянная интегральная составляющая времени регулирования, сек.

2.2 Расчет коэффициентов ПИД-регулятора КРЭ1

По методу Зиглера - Никольса, Т_д равна половине запаздывания объекта Т_д = 8/2=4 из периода регулирования графика расчетов переходной характеристики ПИ-регулятора. [8]

Находим амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ) системы, сначала при постоянном времени интегрирования T_u=1, расчитанном параметре a=Т_д/Т_и и различных значениях коэффициента передачи К_р:

Получим необходимые данные с помощью Matlab.

Задаем:

sys1=tf([0.8],[2 1])

sys2=tf([1],[4 1])

Wob=series(sys1,sys2)

Kr=0.7

Ti=1

Td =4

a=Td/Ti

Wp1=tf([Kr* a Kr],[Ti 0])

Wr=series(Wob,Wp1)

w=10:0.001:0

nyquist(Wr,w)

hold

M=1.2

R=M/(M*M-1)

plotCircle = @(xc, yc, R) plot(xc + R * cos(0:0.001:2*pi), yc + R * sin(0:0.001:2*pi));

plotCircle(-3.27 , 0, 2.72)

Рисунок 2.4 - Годограф АФЧХ.

Если АФЧХ заходит в окружность К_р уменьшается, если не касается, то К_р увеличивается, расчет ведется до тех пор, пока АФЧХ и окружность будут иметь только одну общую точку. [8]

При T_u=1; коэффициент передачи К_р=0,7. Следующее значение постоянной времени интегрирования Т_и=1,5; процедура повторяется, коэффициент передачи К_р=0,74.

Процедура повторяется до Ти =6.

Следующее значение Т_и =2; коэффициент передачи К_р= 0,75

Следующее значение Т_и =2,5; коэффициент передачи К_р=0,76

Следующее значение Т_и =3; коэффициент передачи К_р=0,78

Следующее значение Т_и =3,5; коэффициент передачи К_р=0,87

Следующее значение Т_и =4; коэффициент передачи К_р=0,98

Следующее значение Т_и =4,5; коэффициент передачи К_р=1,08

Следующее значение Т_и =5; коэффициент передачи К_р=1,16

Следующее значение Т_и =5,5; коэффициент передачи К_р=1,23

Следующее значение Т_и =6; коэффициент передачи К_р=1,34

Таблица 2.6 - Найденные значения сводим в таблицу настройки К_р и a ПИД-регулятора:

Оптимальными настройками ПИД-регулятора считаются те, для которых показатели качества (перерегулирование и время регулирования) имеют наибольшее значение К_{р опт} =0,98; Т_{и опт}=4.

Построим в Matlab графики амплитудно - частотной характеристики (АЧХ) замкнутой системы регулирования при настройках ПИД-регулятора К_{р опт} = 0,98; Т_{и опт} =4.

Задаем:

clear;

sys1=tf([0.8],[2 1])

sys2=tf([1],[4 1])

Wob=series(sys1,sys2)

Kr=0.98

Ti=4

Wp1=tf([Kr*Ti Kr],[Ti 0])

Wr=series(Wob,Wp1)

Wz=feedback(Wr,1)

ffplot(Wz)

step(Wz)

grid on;

Рисунок 2.5 - Прямые показатели качества, определенные по графику переходной характеристики:

- перерегулирование: у =2%;

- время регулирования: tp=15с. (Регулирование признается состоявшимся при перерегулировании не более 5%). [8]

Принимаем для ПИД-регулятора КРЭ1 настройки: К_р =0,98; Т_и =4; Т_д =4.

Где

К_р - коэффициент регулирования.

Т_и - постоянная интегральная составляющая времени регулирования, сек.

Т_д - постоянная дифференциальная составляющая времени регулирования, сек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге разработан проект АСУТП объекта на базе известного и зарекомендовавшего себя микропроцессорного оборудования MetsoDNA. Данное оборудование используется в АСУТП многих предприятий нефтегазопереработки. Оборудование MetsoDNA, отличает сравнительно невысокая цена, по сравнению с подобными системами других производителей, высокая надежность, большой выбор интерфейсных и модулей ввода-вывода. Также подкупает открытость многих программных модулей и объектов языка автоматизации (ПО). Посредством удобной служебной программы Отладчик станции диагностики (DIA), возможно глубокое исследование системы автоматизации MetsoDNA, внутренних принципов работы системных приложений и внесение в них изменений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Valmet Automation Inc. DamaticXDi.Электромеханика: TEC-XD-ELM. - Finland.: Neles Automation Group, 1997. - 316 с.

2. Metso Automation Inc. MetsoDNA.Аппаратура том 1/1: DNA-H-EQP Комплект документации. - Finland.: Metso Automation Inc, 2001. - 305 с.

3. Metso Automation Inc. MetsoDNA.Аппаратура том 1/2: DNA-H-EQP Комплект документации. - Finland.: Metso Automation Inc, 2001. - 381 с.

4. Metso Automation Inc. MetsoDNA.Аппаратура том 2/1: DNA-H-EQP Комплект документации. - Finland.: Metso Automation Inc, 2001. - 365 с.

5. Metso Automation Inc. MetsoDNA.Аппаратура том 2/2: DNA-H-EQP Комплект документации. - Finland.: Metso Automation Inc, 2001. - 318 с.

6. Valmet Automation Inc. DamaticXDi.Язык автоматизации: TEC-XD-CON-ALG. - Finland.: Neles Automation Group, 1997. - 92 с.

7. Valmet Automation Inc. DamaticXDi.Служебная программа отладчик: V.5.3 испр.5. - Finland.: Neles Automation Group, 1997. - 63 с.

8. Бесекерский В.А., Попов Е.В. Теория систем автоматического управления. - С.-П.: Профессия, 2003. - 747 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Cхема автоматизации газосепаратора C-1.

Cхема автоматизации узла регулирования газа (УРГ).



Схемы внешних электрических соединений контроллера



Блок-схема алгоритма открытия клапана уровня С-1.

Блок-схема алгоритма закрытия клапана уровня С-1.



Блок-схема алгоритма измерения давления в С-1.



Блок-схема алгоритма измерения температуры в С-1.

Блок-схема алгоритма ПИД-регулирования КРЭ-1.

Листинг программы

Подпрограмма формирования сигнализации и сигнала на открытие клапана по максимальному уровню в С-1.



Подпрограмма формирования сигнализации и сигнала на закрытие клапана по минимальному уровню в С-1.

Подпрограмма закрытия клапана по низкому уровню в С-1.



Подпрограмма открытия клапана по высокому уровню в С-1.

Подпрограмма контроля температуры в С-1.

Подпрограмма контроля давления в С-1.

Подпрограмма PID-регулирования КРЭ1 по низкому давлению в газосепараторе С-1. Сигнал на призакрытие, для выравнивания давления, относительно уставки.

Подпрограмма PID-регулирования КРЭ1 по высокому давлению в газосепараторе С-1. Сигнал на приоткрытие, для выравнивания давления, относительно уставки.

Подпрограмма PID-регулирования КРЭ1. Давление в газосепараторе С-1 равно уставке, нет сигнала на регулирование.



Размещено на Allbest.ru

...