CC BY
13
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2021 Химическая технология и биотехнология № 2
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
DOI: 10.15593/2224-9400/2021.2.12 УДК 65.011.56
Е.И. Перевозчикова, И.А. Вялых, М.С. Орехов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УЗЛА ПРОИЗВОДСТВА НЕНАСЫЩЕННОГО ПОЛИЭФИРА В РЕАКТОРЕ Р10/1 АО «ПЕРМСКИЕ ПОЛИЭФИРЫ»
Ненасыщенные полиэфирные смолы выпускаются и перерабатываются промышленностью более 70 лет. В настоящее время это одни из основных видов связующих для армированных пластиков, а также они находят применение при изготовлении высококачественных лаков, заливочных, пропиточных и шпаклевочных составов, клеев и пластобетонов. Введение автоматизации на такие производства позволяет значительно повысить надежность и безопасность процесса, обеспечить стабильное качество выпускаемой продукции, исключить влияния «человеческого фактора», а также улучшить условия ведения технологического процесса.
В данной статье рассмотрено решение задачи автоматизации технологического узла производства ненасыщенного полиэфира в реакторе позиции Р10/1 предприятия АО «Пермские полиэфиры». Исследован процесс получения полиэфира и его особенности. Проанализирован действующий технологический объект и его АСУТП, выявлены недостатки и негативные факторы, влияющие на ведение процесса.
На основании требований предприятия и приведения его к современному уровню автоматизации исследован рынок выпускаемых приборов и ТСА под данные нужды. Выбраны промышленные средства автоматизации для реализации предлагаемой АСУТП. Предложено решение по автоматизации на базе системы управления PlantCruise и контроллера Honeywell ML200 с заменой некоторых приборов КИПиА. Также предусмотрено подключение к контроллеру АСУТП подобных реакторов позиции Р10/2 и Р10/3 предприятия АО «Пермские полиэфиры».
Приведена функциональная схема действующего производства и функциональная схема автоматизации производства после модернизации, а также структурные схемы действующей АСУТП и предлагаемой АСУТП предприятия.
Сделаны выводы о перспективе использования предлагаемой АСУТП в качестве действующей системы.
Ключевые слова: автоматизация, синтез полиэфира, АСУТП, контроллер Honeywell ML200.
E.I. Perevozchikova, I.A. Vialykh, M.S. Orekhov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
AUTOMATION OF THE TECHNOLOGICAL UNIT FOR PRODUCTION OF UNSATURATED POLYESTER IN THE REACTOR P10/1 OF THE ENTERPRISE JSC "PERMSKIE POLYESTERS"
Unsaturated polyester resins have been manufactured and processed by the industry for over 70 years. Currently, they are one of the main types of binders for reinforced plastics, and are also used in the manufacture of high-quality varnishes, potting, impregnating and putty compounds, adhesives and plastoconcrete. The introduction of automation at such production facilities makes it possible to significantly increase the reliability and safety of the process, ensure the stable quality of products, eliminate the influence of the "human factor", and also improve the conditions for conducting the technological process.
This article discusses the solution to the problem of automation of the technological unit for the production of unsaturated polyester in the reactor ofposition P10 /1 of the enterprise JSC "Perm Polyesters". The process of obtaining polyester and its features have been investigated. The operating technological object and its APCS are analyzed, the drawbacks and negative factors influencing the process are revealed.
Based on the requirements of the enterprise and bringing it to the modern level of automation, the market of manufactured devices and TSA for these needs has been investigated. Selected industrial automation tools for the implementation of the proposed process control system. An automation solution based on the PlantCruise control system and the Honeywell ML200 controller with the replacement of some instrumentation and control devices was proposed. It is also provided for the connection of similar reactors ofposition P10 / 2 and P10 / 3 of the JSC "Perm Polyesters" to the controller of the process control system.
The functional diagram of the existing production and the functional diagram of the automation of production after modernization, as well as the structural diagram of the existing automated process control system and the diagram of the proposed process control system of the enterprise are presented.
Conclusions are made about the prospect of using the proposed APCS as an operating system.
Keywords: automation, polyester synthesis, process control system, Honeywell ML200 controller.
Технология производства. Узел для синтеза состоит из мерников Е4, Е41 и Е.45, в которые загружают жидкое сырье, реактора Р10/1, представляющего собой вертикальный цилиндрический сосуд, снабженный рамной мешалкой и змеевиком для подогрева массы высокотемпературным теплоносителем, а также рубашкой для подачи воды и пара для охлаждения емкости и нижним спуском с арматурой
(рис. 1). Также в узел входит насос позиции Н10/1 малого контура для подачи высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ) в рубашку реактора и насос 5/2 для создания вакуума в реакторе [1].
Рис. 1. Функциональная схема производства ненасыщенного полиэфира
Синтез полиэфира проводят в реакторе Р10/1. В аппарат, проверенный на герметичность, продутый азотом загружают расчетное количество гликолей из мерников Е4, Е41, Е45. Нагрев аппарата осуществляется по заданной программе, разработанной для каждой марки смолы.
Для контроля температуры реакционной массы от +50 до +200 °С, на крышке аппарата с помощью штуцера установлено два
термометра сопротивления, один предназначен для регулирования температуры, а второй - для системы контроля и регистрации.
Регулирование температуры происходит с помощью подачи ВОТ в змеевик реактора через регулирующий пневматический клапан УМ 101. Клапан расположен на линии малого контура (внутреннего контура) подачи ВОТ. При регулировании температуры в реакторе АСУТП подает сигнал на открытие клапана УМ 101, происходит сброс охлажденного ВОТ во внешний контур и одновременная подача нагретого ВОТ из внешнего контура насосом Н10/1. Циркуляция ВОТ в змеевик аппарата Р10/1 осуществляется насосом Н10/1.
Регулирование температуры в реакторе необходимо для поддержания непрерывного технологического процесса и создания заданной температуры процесса на каждой стадии. Изменение температуры среды внутри емкости во время синтеза на разных стадиях отражается на качестве протекания реакции синтеза [2-4].
При температуре реакционной массы 148-152 °С начинается отгон реакционной воды. Количество отогнанной воды контролируют по мерному стеклу сборника конденсата Е13/1.
Для удаления реакционной воды на завершающих стадиях синтеза необходимо понижение давления в реакторе с заданной скоростью [2, 3]. Для создания вакуума в реакторе Р10/1 используется вакуумный насос 5/2 и ручной вентиль на линии подсоса воздуха. Для контроля давления на крышке реактора установлен датчик абсолютного давления, а для регулирования подсоса воздуха через вентиль, на линии воздуха в системе вакуума установлен пружинный мановакуумметр.
Скорость реакции постепенно снижается из-за уменьшения количества реакционно-способных концевых групп и из-за увеличения вязкости среды, препятствующей удалению воды из реакционной массы. Чтобы сдвинуть возникшее равновесие, вакуум в системе постепенно повышают.
Процесс синтеза считают законченным при достижении заданного кислотного числа. Готовый полиэфир передавливают в растворитель Р15/1 давлением азота. После передавливания реактор охлаждается.
Структура действующей системы АСУТП. По иерархическим признакам структура АСУТП подразделяется на три уровня [5]. Каждый из уровней системы представляет собой следующее:
• первый уровень - КИПиА (2 датчика давления и 2 термометра сопротивления) и исполнительный механизм (запорно-регулирующий клапан по каналу температуры и ручной вентиль) (рис. 2);
• второй уровень - регулятор ТРМ 151 фирмы «ОВЕН» (для канала измерения температуры) и теплоэнергоконтроллер ИМ2300 (для канала измерения давления);
• третий уровень - устройства оперативного мониторинга и управления (программа опроса ГМСУСЬЕ и панель сигнализации ПСС-07), включающие оборудование станций оператора.
Рис. 2. Структурная схема АСУТП действующей системы
Данная система реализована для производства полиэфира в реакторе Р10/1, а также в подобных реакторах Р10/2 и Р10/3.
Описание системы по каналу измерения и регулирования температуры. Данные с первого термопреобразователя сопротивления ТСП-012 поступают на вход регулятора ТРМ 151, в котором по ПИД-закону регулирования, вырабатывается управляющее воздействие (сигнал 4-20 мА), поступающее на исполнительный механизм запорно-регулирующего клапана УМ101. Клапан расположен на линии малого контура (внутреннего контура) подачи высокотемпературного органиче-
ского теплоносителя. Данные о процессе поступают на сервер и отображаются в виде трендов в программе ГМСУСЬЕ на мониторе оператора.
Описание системы по каналу измерения и регулирования давления. Данные с датчика давления поступают в теплоэнергоконтроллер ИМ2300, с которого в дальнейшем передаются на сервер и отображаются в программе ГМСУСЬЕ на мониторе оператора.
Регулирование давления в реакторе происходит вручную с помощью вентиля, установленного на линии подсоса воздуха. Аппаратчик, видя показания мановакуумметра, через определенные промежутки времени, заданные в регламенте, вращает вентиль, тем самым регулируя подсос воздуха из атмосферы (рис. 3).
Организация системы регистрации и контроля параметров. Данные со второго термометра сопротивления ТЕ-102 поступают на бумажный регистратор ДИСК-250М (рис. 4). При превышении верхней уставки по температуре дискретный сигнал с регистратора поступает на панель световой и звуковой сигнализации ПСС-07.
Организация регистрации и контроля давления происходит аналогично.
Обмен информацией. Связь первого уровня с устройствами второго уровня осуществляется с помощью аналоговых сигналов, а также сигналов с термометров сопротивления ТСП 100П.
Связь между компонентами в пределах второго уровня осуществляется с применением информационных коммуникаций на базе протокола обмена данными Я8-485.
В системе регистрации и контроля используется дискретный сигнал (сухой контакт). Для связи регуляторов и операторной станции на третьем уровне используется стандарт ЯБ-232, через СОМ-порт. Для преобразования интерфейса ЯБ-485 в ЯБ-232 установлен преобразователь АС3-М (см. рис. 2).
Рис. 3. Схема регулирования давления
Рис. 4. Схема организации регистрации и контроля параметров
Характеристика уровня автоматизации. В данной системе АСУТП автоматизированы не все функции управления, например, функция регулирования давления организована с помощью ручного труда, что не удовлетворяет требованиям точности и качества процесса. Не организована функция блокировок при срабатывании верхней аварийной уставки при регулировании температуры [6].
При исследовании трендов процесса было выявлено долгое время регулирования и «провалы» в снятии данных. Такие проблемы говорят о том, что параметры регулятора определены неверно и заданы слабые алгоритмы регулирования, а пропадание сигнала в цепи - о проблемах в линиях связи или физическом износе оборудования.
Организация оперативного мониторинга и управления устроена слабо, оператор может видеть только данные в виде трендов. Состояние оборудования, изменение параметров, удаленное управление включением и отключением не видны и не доступны при данной организации. Таким образом, уровень автоматизации низок, доказательство тому ранее перечисленные факторы.
Постановка задачи. Необходимо решить задачу автоматизации технологического узла производства ненасыщенного полиэфира в реакторе Р10/1 предприятия АО «Пермские полиэфиры».
Решение задачи автоматизации. Для снижения трудоемкости технологического процесса, повышения надежности работы системы и поднятия уровня автоматизации производства предлагается следующая функциональная схема и схема АСУТП на базе контроллера Honeywell ML200 [7] (рис. 5 и 6):
Рис. 5. Функциональная схема автоматизации производства ненасыщенного полиэфира
Для обеспечения необходимой надежности и достоверности данных процесса взамен установленных ранее двух термометров сопротивления в одну защитную гильзу предложено решение по установке одного термометра сопротивления с двумя чувствительными элементами (см. рис. 5) [8-12]. Один из элементов термометра будет отвечать за измерение и регулирование температуры в реакторе, а второй - за контроль и систему блокировок.
Рис. 6. Структурная схема предлагаемой АСУТП: 1, 2 - сетевой коммутатор Ethernet основной и резервный; 3, 4 - основной и резервный модуль контроллера 2MLR-CPUH/F-CC Honeywell на шасси с блоками питания; 5 - корзина расширения с платами ввода/вывода Honeywell; 6 - терминальная плата TG7-1H40S Honeywell; 7 - барьеры искрозащиты; 8 - реле RXM4AB280
Также заменена функция регулирования давления, взамен ручного вентиля ставится регулирующий клапан УМ201. Теперь по данным с датчика давления будет производиться не только контроль параметра, но и регулирование давления в аппарат. Данное решение обеспечит требуемую точность и качество процесса производства полиэфира [13].
Чтобы был визуальный контроль давления по месту, с помощью дополнительной импульсной трубки будет установлен показывающий мановакуумметр PG202, это поможет аппаратчику следить за процессом вне операторской станции [14].
Для поддержания безопасности производства и предотвращения аварийной ситуации организована система блокировок по превышению верхней уставки по температуре в аппарате Р10/1 [15]. В качестве такого устройства выбран электропневматический клапан ЭПК 300.110 YMV101, который срабатывает при превышении уставки и перекрывает подачу воздуха в клапан YM101.
Предлагаемая система АСУТП.
Структура предлагаемой АСУТП (см. рис. 6) подразделяется на три уровня:
• первый уровень - КИПиА (1 датчик давления МИДА-ДА-13П, пружинный мановакуумметр МВП160М и 1 термометр сопротивления с двумя чувствительными элементами ТСП-075), в качестве регулирующих органов два исполнительных механизма (запорно-регули-рующий клапан по каналу температуры РУСТ95 серии 500 и регулирующий клапан РУСТ95 серии 300 по каналу давления);
• второй уровень - управляющий контроллер ML200 от фирмы Honeywell;
• третий уровень - устройства оперативного мониторинга и управления, включающие оборудование станций оператора, резервированные сервера с управляющей системой.
Описание предлагаемого решения. Предлагаемая АСУТП организована в виде функционально распределенной иерархической структуры на базе контроллера ML200 фирмы Honeywell и пакета программного обеспечения верхнего уровня PlantCruise by Experion PKS фирмы Honeywell, работающая в операционной среде Windows 7/10 и Windows Server 2016.
Система PlantCruise выбрана специально для реализации требований, свойственных задачам среднего масштаба, таких малогабаритных, как производство ненасыщенного полиэфира.
В качестве устройства управления процессом выбран микропроцессорный контроллер ML200 фирмы Honeywell. Данное решение обосновано тем, что контроллер имеет более широкие возможности по сравнению с регулятором ТРМ151.
В системе предусмотрено резервирование контроллера и корзина расширения с модулями ввода/вывода для подключения полевых дат-
чиков (количество модулей подобрано согласно количеству входных и выходных сигналов с полевых устройств для реактора Р10/1). С учетом того, что на производстве имеется еще два ректора Р10/2 и Р10/3 идентичных Р10/1, сигналы с полевых устройств, расположенных на этих аппаратах, также можно завести на данный контроллер (учитывая количество сигналов с устройств, добавляя модули или подключая их к тем же модулям ввода/вывода).
Оба сервера могут реализовать функцию конфигурации программ, а также дублировать функции операторской станции.
Связь станций оператора АСУТП с сервером производится посредством отказоустойчивого интерфейса Ethernet (FTE).
Описание системы по каналу измерения, регулирования и контролю температуры. Данные с чувствительных элементов термопреобразователя сопротивления ТСП-075 поступают на преобразователи сигналов 7 НПТ-1.00.1.1.Ех «ОВЕН» (см. рис. 2), где сигнал ТСП 100П преобразуется в токовый сигнал 4-20 мА. За счет встроенного барьера искрозащиты в преобразователь происходит защита датчика от аварийного попадания высокого напряжения. Далее сигналы поступают на плату аналогового входа, а затем в контроллер 3. Контроллер вырабатывает управляющее воздействие (сигнал 4-20 мА), которое поступает на плату аналогового выхода, затем через барьер искрозащиты в позиционер клапана YM101.
В системе предусмотрена блокировка по максимальному значению температуры с отключением подачи теплоносителя путем закрытия клапана YM 101 на линии подачи теплоносителя.
Описание системы по каналу измерения и регулирования давления. Регулирование и контроль давления в реакторе происходит следующим образом, данные с датчика давления МИДА-ДА-13П поступают на барьер искрозащиты Корунд-М5, далее сигнал поступает на плату аналогового входа 5 (см. рис. 2), затем обрабатывается контроллером 3, который по заданной программе вырабатывает управляющее воздействие (сигнал 4-20 мА). Далее сигнал поступает на плату аналогового выхода и через барьер искрозащиты Корунд-М510, подается в позиционер клапана YM102, где с помощью исполнительного механизма происходит регулирование подсоса воздуха из атмосферы.
Данные о процессе, измеренные параметры и состояние работы всей системы отображаются на SCADA системе в программе SoftMaster на станции оператора.
Предлагаемое решение по автоматизации технологического объекта и его АСУТП позволит повысить точность измерения и управления, а также повысить надежность работы системы и улучшить условия труда оператора.
Данное решение может быть масштабировано при подключении к контроллеру реакторов Р10/2 и Р10/3.
Список литературы
1. Пермские полиэфиры: сайт. - URL: http://www.poliefiry.ru (дата обращения: 01.03.2021).
2. Седов Л.Н., Михайлова З.В. Ненасыщенные полиэфиры. - М.: Химия, 1977. - 231 с.
3. Грандберг И.И., Нам Н.Л. Органическая химия: учеб. - 9-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2019. - 608 с.
4. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: учеб. для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Иван Федоров, 2002. - 622 с.
5. Энциклопедия АСУ ТП: сайт. - URL: https://www.bookasutp.ru (дата обращения: 09.03.2021).
6. Чарная Е.Б. Принципы и условия организации автоматизированного производства на химическом предприятии: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 113 с.
7. Honeywell International: сайт. - URL: http://www.honeywell.ru (дата обращения: 02.04.2021).
8. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка / сост. Ю.Н. Федоров. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - Т. 1. - 447 с.
9. Федоров Ю.Н. Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП: метод. пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2011. - 566 с.
10. Целищев Е.С., Котлова А.В., Кудряшов И.С. Автоматизация проектирования технического обеспечения АСУТП: учеб. пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 193 с.
11. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: учеб. для вузов. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 394 с.
12 Шидловский С.В. Автоматизация технологических процессов и производств. - М.: ТУСУР, 2005. -100 с.
13. РУСТ 95: сайт. - URL: https://roost.ru (дата обращения: 02.04.2021).
14. ТЕПЛОПРИБОРКОМПЛЕКТ: сайт. - URL: https://www.teplo-oborudovanie.ru (дата обращения: 02.04.2021).
15. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2015. - 464 с.
References
1. Permskiye poliefiry [Perm polyesters] available at: http://www.poliefiry.ru (accessed 1 March 2021).
2. Sedov L.N., Mikhailova Z.V. Nenasyshchennyye poliefiry [Unsaturated polyesters]: Moscow, Chemistry, 1977, 231 p.
3. Grandberg I. I., Nam N. L. Organicheskaia khimiia[Organic chemistry]. 9nd ed. Saint Petersburg, Lan', 2019, 608 p.
4. Petrov A.A., Balyan H.V., Troshchenko A. T. Organicheskaia khimiia: uchebnik dlia vuzov [Organic chemistry: textbook for universities]. 5nd ed. Saint Petersburg, Ivan Fedorov, 2002, 622 p.
5. Entsiklopediya ASU TP [Encyclopedia of ACS TP], available at: https://www.bookasutp.ru (accessed 9 March 2021).
6. Charnaia E. B. Printsipy i usloviia organizatsii avtomatizirovannogo proizvodstva na khimicheskom predpriiatii [Principles and conditions for organizing automated production at a chemical enterprise]. Perm', Permskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2010, 113 p.
7. Honeywell International [Honeywell International], available at: http://www.honeywell.ru (accessed 2 April 2021).
8. Spravochnik inzhenera po ASUTP: Proektirovanie i razrabotka [Handbook of the engineer for the process control system: Design and development] / Yu.N. Fedorov Tom 1. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2018, 447 p.
9. Fedorov Yu.N. Poriadok sozdaniia, modernizatsii i soprovozhdeniia ASUTP [The order of creation, modernization and maintenance of the process control system]. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2011, 566 p.
10. Tselishchev E. S., Kotlova A. V., Kudriashov I. S. Avtomatizatsiia proektirovaniia tekhnicheskogo obespecheniia ASUTP [Automation of the design of technical support for process control systems]. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2019, 193 p.
11. Rotach V. Ia. Teoriia avtomaticheskogo upravleniia [Theory of automatic control]. 5nd ed. Moscow, Dom Moskovskiy energeticheskiy institut, 2008, 394 p.
12. Shidlovsky S.V. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i proizvodstv [Automation of technological processes and production]. Tomsk, Tomskiy gosudarstvennyy universitet sistem upravleniya i radioelektroniki, 2005, 100 p.
13. RUST 95 [RUST 95], available at: https://roost.ru/. (accessed 9 March 2021).
14. Teplopriborkomplekt [Teplopriborkomplekt], available at: https://www.teplo-oborudovanie.ru (accessed 2 April 2021).
15. Kliuev A. S., Glazov B. V., Dubrovskii A. Kh., Kliuev A. A. Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Designing automation systems for technological processes] . 2nd ed. Moscow, Al'ians, 2015, 464 p.
Получено 17.04.2021
Об авторах
Перевозчикова Екатерина Игоревна (Пермь, Россия) - студент бакалавриата кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ekaterinaperevozchikova@yandex.ru).
Вялых Илья Анатольевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
Орехов Михаил Сергеевич (Пермь, Россия) - старший преподаватель кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: atp@pstu.ru).
About the authors
Ekaterina I. Perevozchikova (Perm, Russian Federation) - Bachelor's student of the Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: ekaterinaperevozchikova@yandex.ru).
Il'ia A. Vialykh (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor of Department of equipment and automation of chemical production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
Mikhail S. Orekhov (Perm, Russian Federation) - Senior Lecturer of the Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: atp@pstu.ru).
