CC BY
99
УПРАВЛЕНИЕ, ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 65.011.56
Е. В. Абзальдинова, И. В. Григорьева, А. Ю. Шарифуллина, С. Э. Мамедов
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ МОДИФИКАЦИИ
ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ
Ключевые слова: жидкие углеводородные топлива, комплекс модификации, распределенная система управления CENTUM VP,
Stardom FCN, Stardom FCJ.
Разработана автоматизированная система управления на базе контроллера CENTUM VP для высокоэффективной работы технологического объекта управления, в роли которого выступает комплекс модификации жидких углеводородных топлив. Основным фактором выбора РСУ CENTUM VP послужила распространённость системы среди предприятий нефтехимии и нефтепереработки.
Keywords: liquid hydrocarbon fuels, modification complex, distributed control system CENTUM VP, Stardom FCN, Stardom FCJ.
The automated control system on the basis of controller CENTUM VP for high performance operation of the process control object, which acts as a modification complex of liquid hydrocarbon fuels, have been developed. The prevalence between petrochemical and refining companies was the primary factor in choosing of CENTUM VP DCS system.
Введение
Нефтеперерабатывающий сектор является важнейшей составляющей топливно-
энергетического комплекса России. По объемам первичной переработки нефти Россия находится на четвертом месте в мире, при этом около половины продукции первичной переработки нефти идет на экспорт.
В среднем по России загрузка НПЗ в течение ряда лет не превышала 75% (в развитых странах этот показатель достигает 90-95%). Этого недостаточно для обеспечения полноценной отдачи перерабатывающих производств. Как следствие, наша страна отстает по объемам переработки не только от США, но также от Японии и Китая, чьи производственные мощности скромнее российских.
Сегодня значительная доля переработки представлена средними компаниями. Длительный инвестиционный цикл (от трех лет и больше), повышенные сроки окупаемости (в среднем от 5 лет и выше), ограниченность спроса на конечную продукцию на региональном рынке, цикличность спроса на продукцию на внешних рынках, высокая конкуренция со стороны азиатских и восточных стран обусловливают повышенные риски, которые не в состоянии взять на себя малый и средний бизнес.
Решением проблем с качеством нефтепродуктов поставляемым на рынок малыми и средними производителями, может стать технология сочетающая в себе компактность, универсальность, экологичность и незначительность материальных затрат на перевооружение производства и последующую его эксплуатацию. Однако, опытно-промышленная эксплуатация инновационной технологии, важнейшим аспектом которой является определение как оптимальных, так и критических технологических параметров, невозможна без
автоматизированной системы управления работающей в режиме реального времени.
Характеристика объекта автоматизации
Настоящая АСУ предназначена для управления опытно-промышленным комплексом модификации углеводородных топлив.
Комплекс модификации представлен на блок-схеме (рис. 1), содержит связанные между собой емкость хранения и подогрева исходного топлива 1, топливный насос 2, абсорбер 3, основной центробежный насос 4 с магнитным фильтром 5, узел возбуждения, представляющий собой проточную камеру 6, соединенную с блоком воздействия физических полей, включающий источник постоянного тока 7, переменного 8 и СВЧ - 9, узел распыла-смешения 10 и преобразования топлива в двухфазное состояние, который включает ступень эжекции топлива 10', и узел подачи азоноктислородной смеси 11, связанный с компрессором 15, генератором озона 12 и 13 и генератором кислорода 14, источником электростатического поля распылителя и нейтрализатора трибозаряда 16, камеру смешения двухфазной смеси с тонкодиспергированной заряженной водой 17, которая связана с эжектором воды 18', насосом 18, ионизатором воды 19 с дополнительным генератором озона 21 и системой водоподготовки 22 с высоковольтными импульсными источниками тока 24 и напряжения 20, систему многократной регулируемой кавитации, завихрения, активации и уплотнения рабочей среды с заданной экспозицией (вихревая камера) 25, в которой расположен ряд гидродинамических кавитаторов, и соединенную с насосом 26 для подачи обработанного топлива в
электрогидродинамический распылитель -сепаратор 27 с регулируемым электроприводом 2829, высоковольтным генератором импульсных токов
с регулируемыми параметрами в широких пределах 30, распылитель - сепаратор связан с системой дополнительного озонирования 31-32-33, с системой улавливания, накопления легколетучих продуктов озонолиза углеводородов 34-35-36, компрессор подачи конденсата 37 в емкость модифицированного топлива 38, и топливный насос 39 [1].
Рис. 1 - Технологическая схема комплексом модификации жидких углеводородных топлив
Взаимодействие человека с
технологическим комплексом осуществляется через рабочее место технолога-оператора, оборудованное в операторской станции, в состав которой входят цветные графические терминалы и алфавитно-цифровая клавиатура [2]. Отображение архивных данных технологического процесса информации на экранах мониторов обеспечивает получение для каждой зоны контроля и управления полной характеристики текущего состояния, архивных данных технологического процесса и оборудования в виде, наиболее удобном для восприятия в каждой конкретной ситуации.
Функционирование АСУ рассчитано на круглосуточный режим работы, с остановкой на профилактику не чаще чем один раз в год [3] .
Комплекс технических средств (КТС), представляет собой двухуровневую
информационно-управляющую систему,
работающую в режиме реального времени.
Первый уровень КТС включает в себя:
- первичные измерительные преобразователи (датчики);
- местные показывающие приборы и органы управления, размещаемые на технологическом оборудовании.
Технические средства первого уровня обеспечивают:
- контроль и визуализацию технологических параметров;
- управление технологическим оборудованием.
Второй уровень КТС включает в себя непосредственно РСУ в составе:
- АРМ оператора;
- инженерная станция;
- станции управления с аналоговыми и дискретными модулями ввода/вывода;
- источники питания датчиков;
- релейные модули для дискретных входов/выходов.
АСУ КМ реализована на базе дублированных полевых станций управления AFV10D-S41201 распределенной системы
управления CENTUM VP, Stardom FCN, Stardom FCJ фирмы Yokogawa (Япония). АРМ операторов и инженерная станция выполнены на базе персональных компьютеров, где установлено специализированное программное обеспечение системы CENTUM VP, которое функционирует под управлением операционной системы Microsoft Windows XP.
Полевые станции, АРМ операторов и инженерная станция объединены по дублированной сети Vnet/IP. Скорость передачи по сети составляет 1Гб/сек.
Интерфейс оператора реализован на АРМ оператора (HIS). Рабочие станции оператора предназначены для выполнения следующих функций:
- отображение технологической информации;
- контроль состояния хода процесса;
- контроль состояния технологического оборудования;
- управление технологическим оборудованием;
- ведение информационной базы данных;
- формирование и выдача отчетной документации;
- протоколирование событий. Инженерная станция (ENG/SENG)
предназначена для конфигурирования,
программирования, настройки РСУ. При необходимости инженерная станция может функционировать в режиме дополнительной станции оператора.
Для обеспечения электрической развязки дискретных сигналов сигнальные кабели подключаются к платам ввода/вывода не "напрямую", а через модули реле.
Питание КТС осуществляется через шкаф электрический, в котором установлены автоматические выключатели для каждой из составных частей, что обеспечивает селективность защиты оборудования при возникновении неисправностей и создает необходимые предпосылки для удобного обслуживания.
В качестве основного блока РСУ системы CENTUM VP выбрана дублированная полевая станция управления типа AFV10D-S41201, включающая в себя местные узлы (блоки расширения) с платами ввода/вывода.
Технические характеристики полевой станции управления CENTUM VP отвечают всем требованиям, предъявляемым к РСУ с точки зрения функциональных возможностей реализации любых для данного класса объектов задач управления.
Полевая станция управления включает в себя Блок Управления Участком, шины ESB, Vnet/IP и блоки расширения с платами ввода/вывода.
Блок Управления Участком выполняет управляющие функции для полевой станции,
включает в себя такие основные элементы как, процессорная плата, блок питания, интерфейсные платы шин ESB и Vnet/IP. Аппаратное дублирование обеспечивается физическим дублированием основных модулей полевой станции: блока питания, блока центрального процессора, блока коннектора системной сети Vnet/IP блоков вентиляторов, блока батарей.
Шина ESB представляет собой шину связи, используемую для подключения к Блоку Управления Участком локальных узлов с платами ввода/вывода, которые обычно устанавливаются в этом же шкафу. Максимальное расстояние передачи составляет 110 метров. Шина имеет двойное резервирование.
Программное дублирование обеспечивается автоматическим переводом блока, находящего в резерве в режим выполнения основных своих функций, в случае отказа рабочего блока.
Программное обеспечение системы CENTUM VP автоматически обеспечивает безударный перевод работы на резервные блоки, поэтому, при конфигурации управляющего вычислительного комплекса нет необходимости решать задачи дублирования на прикладном уровне.
Диагностические средства CENTUM VP фиксируют изменение состояния любого блока, а аппаратные позволяют заменять вышедшие из строя блоки без отключения питания с полевой станции управления, что значительно сокращает время восстановления оборудования и повышает надежность.
В блоки расширения полевых станций управления устанавливаются различные типы модулей ввода/вывода.
Типы модулей ввода/вывода
представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Типы модулей ввода/вывода РСУ
Тип модуля Описание
AAI141-S00 Модуль аналогового входа (4-20мА, 16-канальный, не изолированный)
AAI543-S00 Модуль аналогового выхода (4-20мА, 16 канальный, изолированный)
ADV569-P00 Модуль дискретного выхода (32-канальный, 24 В постоянного тока, изолированный)
ADV161-P00 Модуль дискретного входа(64 канала, 24 В постоянно тока, изолированные)
В качестве блоков вычисления расходов выбраны:
- дублированная станция управления Stardom FCN , включающая в себя местные узлы (блоки расширения) с платами ввода/вывода;
- станция управления Stardom FCJ [4]. Обмен данными между CENTUM VP, Stardom FCN и Stardom FCJ осуществляется по протоколу MODBUS.
Управляющая ЛВС, объединяющая полевую станцию и рабочее место оператора, построена на базе технологии Ethernet. Сеть Vnet/IP обеспечивает открытую, надежную и реализуемую в реальном времени широкополосную связь. Скорость передачи данных составляет 1 Гб/с. В единую сеть могут быть объединены как относящиеся так и не относящиеся к системе CENTUM компоненты. Построенная система обеспечивает гарантированное обновление данных на Станции Оператора (HIS) каждую секунду. Сеть Vnet/IP предлагает пяти миллисекундную синхронизацию между всеми станциями сети Vnet/IP. Для исключения возможности электронных атак сеть Vnet/IP и связь со Станцией Управления (FCS) системы CENTUM VP имеет систему защиты.
Реализация автоматизации
Системы управления семейств CENTUM зарекомендовали себя как надежные, отказоустойчивые и удобные в эксплуатации и обслуживании системы [5].
Основные задачи, решаемые системами управления CENTUM:
- безопасное ведение технологических процессов,
- реализация решений задач оптимального управления,
- обеспечение устойчивости процессов регулирования,
- управление периодическими процессами, взаимодействие с подсистемами верхнего и нижнего уровня,
- сбор и накопление данных.
Система CENTUM VP разработана для управления относительно большими производствами. VP отличается от других систем управления семейства CENTUM тем, что она гибко масштабируема и организована по доменному принципу.
Сбор и первичная обработка информации включает в себя опрос аналоговых и дискретных датчиков, ввод инициативных сигналов изменения состояния оборудования, масштабирование и перевод в действительные значения в соответствии с градуировочными характеристиками аналоговых измерительных элементов, фильтрацию сигналов от высокочастотных помех и выбросов. Первичной обработке подвергаются данные, поступающие с полевых датчиков и устройств ручного ввода. Значения продолжительности циклов опроса зависят от типов используемых модулей ввода. Погрешности преобразования при вводе сигналов и пересчете введенных кодов в действительные значения не должны превышать 0,1% диапазона шкалы датчиков.
Измеренные или полученные из других источников данные проверяются на достоверность. Недостоверные данные могут быть получены в результате обрыва измерительных цепей или короткого замыкания. Результатом таких событий являются:
- получение кода АЦП соответствующего значению меньшему, чем 4 мА или большему чем 20 мА;
- превышение допустимой скорости изменения измеренного сигнала;
- разность значений кодов АЦП, полученных по исправным дублированным каналам ввода, превышает допустимый предел;
- дублированные каналы дискретного ввода-вывода исправны, но дают разные значения. В первых двух случаях система выбирает
достоверное значение в измерительной цепи, генерирует событие о нарушении, программа аварийного останова при этом не активизируется. В третьем и четвертом случаях система генерирует событие о нарушении в измерительных каналах и опрошенному значению присваивает качество отказа. Дальнейшее действие системы может быть запрограммировано либо на автоматический аварийный останов процесса, либо на дальнейший режим работы по усмотрению оперативного персонала.
В автоматическом режиме система осуществляет регулирование по ПИД. В системе реализованы также алгоритмы связанного регулирования для поддержания соотношений различных потоков в заданных пределах.
РСУ CENTUM VP имеет простую архитектуру, состоящую из станций оператора (HIS), станций управления (FCS) и управляющей сети. Эти три основных компонента могут быть сконфигурированы как в малые так и в большие комплексы, поддерживающие до 1000000 тегов.
Конфигурация настоящего проекта включает одну станцию управления участком FCS0101 и одну станцию оператора HIS0164. В проекте использован пакет генерации системы «System View».
Первично вводится общая информация о проекте, его имя и расположение на диске, определяются константы. После ввода первичных параметров проекта необходимо создать папки для каждой станции, включенной в конфигурацию системы, а именно папки базы данных для FCS и HIS. Станция Управления (FCS) работает независимо, что снижает риск возникновения серьезных повреждений на установке при возникновении одного сбоя.
Работа выполнена на базе РСУ CENTUM VP фирмы Yokogawa. Это одна из самых многофункциональных систем подобного рода, позволяющая работать с большим количеством сигналов.
Реализуемая АСУ КМ в настоящее время не требует подобной мощности и многофункциональности. Выбор CENTUM VP обусловлен тем, что КМ может быть интегрирован в существующее нефтеперерабатывающее производство АСУ которых, в большинстве случаев, строится на базе многофункциональных РСУ CENTUM Yokogawa. То есть, критерий совместимости АСУ и, таким образом, возможности интеграции самого КМ в
существующую систему, является приоритетным условием возможности проведения работ на КМ.
Заключение
Основным фактором выбора РСУ CENTUM VP послужила распространённость системы среди предприятий нефтехимии и нефтепереработки. Кроме того, РСУ CENTUM VP обладает следующими сравнительными
преимущества.
Безопасные и унифицированные операции на установке
• Непрерывное усовершенствование
• Более быстрое выполнение цикла «Планирование - Выполнение - Проверка -Действие» для динамичной адаптации
• Защищенная и стандартизированная информационная интеграция
• Непрерывное развитие без ущерба готовности активов
• Долговременная защита инвестиций
• Более быстрое выполнение проекта с меньшими интеграционными рисками
При проектировании АСУ ТП комплекса модификации были соблюдены все требования, нормы и правила государственных органов контроля в области промышленной безопасности.
Внедрение настоящей автоматизированной системы управления, непосредственно не несет экономического эффекта в экономику КМ. Однако поиск оптимальных параметров ведения технологического процесса модификации (что и является общей задачей КМ), без АСУ, работающей в режиме реального времени, невозможен. Последнее определяет АСУ технологически неотъемлемой единицей комплекса
модификации [6].
Нефтеперерабатывающий сектор является важнейшей составляющей топливно-
энергетического комплекса России. По объемам первичной переработки нефти Россия находится на четвертом месте в мире, при этом около половины продукции первичной переработки нефти идет на экспорт. Тем не менее, здесь, существует проблема глубины переработки нефти и качества получаемых готовых продуктов в частности моторных топлив. Настоящая АСУ в составе Комплекса Модификации углеводородных топлив, призвана способствовать решению этой важнейшей проблемы.
Литература
1. Пат. 2380396 Российская Федерация, МПК C10G27/06, C10G29/06 Способ модификации углеводородных топлив и устройство для его осуществления / заявитель и патентообладатель Мамедов С.Э.; опубл. 23.11.2009, Бюл. №33.
2. ГОСТ 22269-76. Система "Человек-машина". Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие эргономические требова- ния.-Введ. 1978-01-01. - М.: Издательство стандартов, 1977.-4 с
3. Федоров Ю.Н. Принципы построения АСУТП взрывоопасных производств: руководящие технические
материалы: в 2т./ Ю.Н. Федоров. - Нижнекамск: ИП11, ОАО «Нижнекамснефтехим», 2004. - 2т.
4. Зеленко О.В. и др. Актуальность применения системы промышленной безопасности Рп^аГе-ЯБ/ Зеленко О.В, Климанова Е.Ю., Нургалиев Р.К., Перевощиков Е.Н. Вестник КНИТУ. - 2013. №5. - с.280-282.
5. Замалетдинова Э.Ю., Байтимиров А.Д. Автоматизированная система управления процессом
ректификации легкой фракции эпоксидата с помощью РСУ Centum VP/ Замалетдинова Э.Ю., Байтимиров А. Д. Вестник КНИТУ. - 2014. № 3. - с.303-305. 6. ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Системы менеджмента качества. Требования. - введ. 2001 -08-31. - М.: Издательство стандартов, 2001. - 31 с.
© Е. В. Абзальдинова - ст. препод. каф. АССОИ КНИТУ, abz.kati@gmail.com; И. В. Григорьева - асс. той же кафедры, ira_grigoreva@inbox.ru; А. Ю. Шарифуллина - асс. каф. САУТП КНИТУ, albina.040491@gmail.com; С. Э. Мамедов -выпускник каф. АССОИ КНИТУ, abz.kati@gmail.com.
© E. V. АЬ/аГШпоуа - Assistant professor of the Automated Data Acquisition and Processing Systems department, KNRTU, abz.kati@gmail.com; 1 V. Grigor'eva - assistant of the Automated Data Acquisition and Processing Systems department, KNRTU, ira_grigoreva@inbox.ru; A. U. Sharifullina - assistant of the Process Automation and Control department, KNRTU, albina.040491@gmail.com; S. E. Mamedov - Graduate of the Automated Data Acquisition and Processing Systems department, KNRTU, abz.kati@gmail.com.
