CC BY
0
М Инженерный вестник Дона, №9 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n9y2024/9481
Исследование и модернизация автоматизированной системы налива
нефтепродуктов
М.Ш. Минцаев, А.А.-В. Садулаев, М.Р. Исаева
Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы модернизации автоматизированной системы налива нефтепродуктов (АСН). Сложность обслуживания автоматизированной системы управления по причине отсутствия актуальной документации и обновленного программного обеспечения, а также периодические отказы и высокая стоимость запасных частей стали основными причинами модернизации АСН. Разработаны системы автоматического регулирования на основе ПИД-закона: с использованием запорно-регулирующего клапана с позиционным приводом и частотного преобразователя для управления АСН. В программе MATLAB разработаны математические модели, предлагаемых систем. В лабораторных условиях собрана экспериментальная модель насосной станции, проведено имитационное моделирование работы автоматизированной системы управления сливо-наливной станцией. По результатам экспериментальных исследований по прямым характеристикам оценки качества переходного процесса наилучшие результаты демонстрирует график схемы с частотным преобразователем. Ключевые слова: автоматизированная насосная система, нефтепродукты, математические модели, ПИД-контроллер.
Автоматизированная система налива (АСН) представляет собой систему, предназначенную для осуществления отпуска определенного количества нефти, нефтепродуктов и других жидкостей из различных резервуаров хранения в автомобильные или железнодорожные цистерны. АСН, функционирующая в ТЭС, предназначена для заполнения баков и хранения дизельного топлива, как резервного топлива для турбины. АСН [1] была запущена в 2019 году и построена на аппаратно-программных средствах комплекса измерительного АСН, от компании ГЛАВНЕФТЕСНАБ. Предпосылками для модернизации существующей автоматизированной системы управления следующие:
• Изменение технологического процесса - требует перепрограммирования ПЛК и коррекции визуализации процесса под новые задачи;
• Выход оборудования из строя - требует замены оборудования;
• Устаревание компонентов или отсутствие возможности их приобретения - требует подбора аналогов и их интеграцию в существующую систему.
АСН является насосной станцией, осуществляющей перекачку жидкости из одного резервуара в другой. В зависимости от конструктивного исполнения, налив и слив может быть верхним или нижним. На рисунке 1 общая технологическая схема АСН с верхним наливом:
Рис. 1. - Общая технологическая схема АСН
В качестве основных компонентов данной системы выступают: насос, фильтр, счетчик жидкости, обратный клапан, кран шаровой, управляемый клапан и наливной стояк.
В качестве управляемого клапана зачастую используется электромагнитный двухходовой клапан, он выступает в качестве запорно-регулирующего устройства с дистанционным управлением в системах налива жидких сред. На рисунке 2 представлена схема АСН с электромагнитным двухходовым клапаном.
Преимущество использования рассматриваемого клапана заключается в том, что данный клапан имеет большой и малый затвор, через которые может протекать жидкость. Т.е. можно использовать следующий алгоритм работы:
- в начале открывается большой затвор выдачи заданной дозы, а затем большой затвор закрывается и открывается малый затвор;
- в начале и конце выдачи дозы открывается малый затвор, а основной расход жидкости протекает через больший затвор.
Данные алгоритмы предназначены для более плавного и точного дозирования жидкости.
Задвижка (кран шаровой) АСН -/IN— Электромагнитный двухходовой клапан Задвижка и Счетчик жидкости (кран шаровой) 1> Стояк
-СЖг т- Насос Фильтр Обратный клапан наливнои
Рис. 2. - Технологическая схема АСН с электромагнитным двухходовым
клапаном
В данной статье рассматривается модернизация АСН, заключающаяся в замене электромагнитного двухходового клапана клапаном запорно-регулирующим с позиционным приводом, а также возможность использования в системе частотного преобразователя для управления режимом работы насоса.
На рисунке 3 представлена общая функциональная схема системы автоматического управления [2]. В рассматриваемой АСН в роли регулятора (РЕГ) выступает контроллер с заданным алгоритмом работы. В качестве объекта управления (ОУ) выступает насос и двухходовой клапан, а измерительное устройство (ИУ) будет представлено счетчиком жидкости. Оставшиеся компоненты не входят в состав АСУ, т.к., например, шаровой кран открывается и закрывается операторами в ручном режиме, однако, в зависимости от масштаба АСН, используются электромагнитные клапана или электроприводы для возможности дистанционного управления, поэтому в данной рассматриваемой АСН они не учитываются.
Рис. 3. - Функциональная схема системы автоматического управления На основании функциональной схемы системы автоматического управления АСН с электромагнитным двухходовым клапаном построена математическая модель в программе MATLAB с помощью библиотеки Simulink (рис. 4).
Рис. 4. - Математическая модель АСН с электромагнитным двухходовым
клапаном
Программируемый логический контроллер (ПЛК) управляет режимами работы насоса и электромагнитного двухходового клапана через дискретные выходы, а информация об отпущенной жидкости поступает от счетчика жидкости. Далее рассмотрим технологическую схему АСН с запорно-регулирующим клапаном с позиционным приводом (регулирующий клапан), представленную на рисунке 5.
Регулирование клапана [3] производится изменением управляющего сигнал 4-20мА или 0-10В, следовательно, к ПЛК они подключаются через аналоговый выход (AO). Для точного регулирования режимом работы клапана можно использовать пропорционально-дифференциально-
и
интегральное регулирование (ПИД-регулирование). На рисунке 6 изображена блок-схема ПИД-регулятора [4].
АСН Задвижка (кран шаровой) VN- Регулирующий клапан —v Задвижка (М) Счетчик жидкости (кра11 шаровой) Стояк
UKJ Насос Фильтр Обратный клапан
Рис. 5. - Технологическая схема АСН с регулирующим клапаном
Рис. 6. - Блок-схема ПИД-регулятора В качестве управляющего устройства используется контроллер или ПЛК, а во многих средах программирования есть библиотека с регуляторами, у которых присутствует режим автонастройки, и подобрать соответствующие коэффициенты не составит особой проблемы [5].
На рисунке 7 представлена математическая модель АСН с регулирующим клапаном.
Для разработанной АСН была проведена оценка устойчивости системы по критерию устойчивости Ляпунова.
Рис. 7. - Математическая модель АСН с регулирующим клапаном Для этого в командной строке программы MATLAB были заданы передаточные функции ПИД-регулятора Wpid, контроллера Wk, объекта управления Wy и счетчика жидкости Wg [6].
С учетом передаточных функций каждого компонента получаем следующую общую передаточную функцию системы: 0.008s + 0.91
W =
общ 0.02^ 2 + а065^ + 0.9
(1)
Следовательно, характеристическое уравнение системы имеет следующий вид:
Kp = 0.02s2 + 0.065s + 0.9 , (2)
Корни данного уравнения также были найдены в программе MATLAB с помощью операнда roots:
r = roots(Kp)
_{-1.6250 + 6.5084/1 , (3)
Г =[-1.6250 - 65084/ J
Т.к. вещественная часть корней характеристического уравнения отрицательна, можно убедиться в том, что система является устойчивой.
Далее рассматривается возможность внедрения частотного преобразователя для управления режимом работы насоса [7]. На рисунке 8 представлена технологическая схема АСН с частотным преобразователем [8].
Рис. 8. - Технологическая схема АСН с частотным преобразователем Так же, как и для предыдущей схемы, разрабатываем математическую модель (рис. 9).
Рис. 9. - Математическая модель АСН с регулирующим клапаном С помощью операндов «series» и «feedback» получаем общую передаточную функцию системы: 0.007s + 0.91
W =
общ 0.01s2 + 0.055s + 0.88
(4)
Следовательно, характеристическое уравнение системы имеет следующий вид:
K = 0.01s2 + 0.055s + 0.88
(5)
r = roots(Kp)
- 2.7500 - 68.9687/
- 2.7500 + 68.9687/1 ,
(6)
Т.к. вещественная часть корней данного характеристического уравнения отрицательна, можно убедиться в том, что система является устойчивой [9].
Рассмотрим графики переходных процессов, построенные для трех представленных схем АСН (рис. 10). 1 - схема с электромагнитным двухходовым клапаном, 2 - схема с запорно-регулирующим клапаном с позиционным управлением, 3 - с частотным преобразователем. На основании представленных графиков можно сделать вывод о том, что при не больших отличиях в графиках систем управления по прямым характеристикам оценки качества переходного процесса наилучшие результаты демонстрирует график схемы с частотным преобразователем. Схема с использованием запорно-регулирующего клапана с позиционным управлением имеет упрощенную логику, т.к. блок ПИД-регулятора во многих средах программирования уже заложен в базовой библиотеке. Еще более упрощается алгоритм управления при использовании схемы с частотным преобразователем, имеющим встроенный блок ПИД-регулятора и обладающим возможностью подключения к нему датчика, т.е. при малых масштабах производственного процесса
На кафедре «Автоматизация технологических процессов и производств» был разработан стенд, предназначенный для проведения учебно-исследовательских работ по изучению характеристик автоматизированного управления насосными системами, принципов работы и экспериментальному определению характеристик насосов динамического принципа действия (рис. 11), а также изучения возможностей использования частотного преобразователя для управления работой насосных агрегатов.
■Aj Scopel
File Tools View Simulation Help
□ X
\ 1 m
s
Ready
Рис. 10. - Графики переходных процессов АСН Были проведены экспериментальные исследования имитационного моделирования работы автоматизированной системы управления сливо-наливной станции [10]. В разработанных математических моделях использовались коэффициенты компонентов, представленных на стенде, которые могут изменяться в зависимости от реального объекта. В качестве управляющего устройства выбран ПР100 от компании ОВЕН. Управляющая программа для данного процесса выполнена в среде программирования Owen Logic на языке FBD. На рис. 12 представлена часть разработанной программы управления на языке FBD, в частности контур управления работой насоса.
Проведенные экспериментальные исследования показывают, что при не больших отличиях в графиках систем управления по прямым характеристикам оценки качества переходного процесса наилучшие результаты демонстрирует график схемы с частотным преобразователем и подтверждают эффективность выбранной схемы регулирования.
Рис. 12. - Программа управления работой насоса на языке FBD Таким образом модернизация АСН дает возможность проектирования автоматизированной системы управления с использованием частотного преобразователя на ПИД-регулировании для повышения точности регулирования, а также для упрощения программы управления. т.е. программа управления клапаном может быть представлена в виде одного блока. Еще одним очевидным достоинством является высокая адаптация предлагаемого технического решения к различным конфигурациям систем автоматизации независимо от производителя.
Литература
1. Сафаров И.М., Давлетхузина Э.М., Ишмухаметова Д.М., Баширова Л.И., Садыков Р.Д., Хлебников Д.А. Состояние уровня автоматизации энергетических объектов и решения, направленные на его повышение //
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2021/7382.
2. Лукас В.А. Теория управления техническими системами. Компактный учеб. курс для вузов - 3-е издание, перераб. и дополн. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2002. - 675 с.
3. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / под. ред. А.Г. Народницкого. - СПб.: Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004. - 127 с.
4. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования. Учеб. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1989. - 752 с.
5. Revunov M.S., Semenov A.D., Nikulin S.V. Fuzzy extremal regulatory system with multidimensional input // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 709 (2020) 022085 (ICMTMTE 2019). - IOP Publishing doi: 10.1088/1757-899X/709/2/022085, 2020.
6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправленное. - М.: Наука, 1975. - 347с.
7. Минцаев М.Ш., Хакимов З.Л., Лабазанов М.А. Автоматизированная система управления Ханкальской геотермальной станцией с циркуляционной схемой отбора глубинного тепла земли // «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки». 2022. №1. С. 31-
Инженерный
вестник
Дона, 2021, №1. URL:
36.
8. Веселова Н.М., Иванов А.С., Иванова О.А., Кузнецова Т.А., Николаева С.И. Влияние частотных преобразователей насосных и вентиляционных установок на работу сети внутреннего электроснабжения предприятия //
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2022/753 5.
9. Бабаков Н.А., Воронов А.А., Воронова А.А. Теория автоматического управления: Учеб. для ТЗЗ вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч. I. Теория линейных систем автоматического управления. - М.: Высшая школа, 1986. - 367 с.
10. Лысова Н.В., Мясникова Н.В. Регулирование веса бумажного полотна на основе метода экстремальной фильтрации для систем реального времени с помощью покадровой обработки сигнала // Инженерный вестник Дона, 2019, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2019/5882.
1. Safarov I.M., Davletxuzina E\M., Ishmuxametova D.M., Bashirova L.I., Sady'kov R.D., Xlebnikov D.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2021/7382.
2. Lukas V.A. Teorija upravlenija tehnicheskimi sistemami [Theory of control of technical systems]. Ekaterinburg: Izd-vo UGGGA, 2002. 675 p.
3. Kozyaruk A.E., Rudakov V.V. Sovremennoe i perspektivnoe algoritmicheskoe obespechenie chastotno-reguliruemy'x elektroprivodov [Modern and promising algorithmic support for frequency-controlled electric drives]. SPb.: Sankt-Peterburgskaja Jelektrotehnicheskaja kompanija, 2004. P. 127.
4. Topcheev Yu.I. Atlas dlya proektirovaniya sistem avtomaticheskogo regulirovaniya [Atlas for the design of automatic control systems]. M.: Mashinostroenie, 1989. 752 p.
Инженерный
вестник
Дона, 2022, №3. URL:
References
5. Revunov M.S., Semenov A.D., Nikulin S.V. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 709 (2020) 022085 (ICMTMTE 2019). IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/709/2/022085, 2020.
6. Besekerskij V.A. Teoriya sistem avtomaticheskogo regulirovaniya [Theory of automatic control systems]. Nauka, 1975. 347p.
7. Minczaev M.Sh., Xakimov Z.L., Labazanov M.A. Izvestiya vy'sshix uchebny'x zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Texnicheskie nauki. 2022. №1. pp. 31-36.
8. Veselova N.M., Ivanov A.S., Ivanova O.A., Kuzneczova T.A., Nikolaeva S.I. Inzhenernyj vestnik Dona. 2022, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2022/7535.
9. Babakov N.A. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya [The theory of automatic control]. Moskva: Vyshaya shkola, 1986. 367 p.
10. Lysova N.V., Mjasnikova N.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2019/5882.
Дата поступления: 16.07.2024 Дата публикации: 26.08.2024
