CC BY
35
УДК 66.012-52
Т. С. Камалиев, В. И. Елизаров, К. Ю. Созыкин
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРА SIMATIC S7-400
Ключевые слова: экспериментальная установка, комплекс технических средств автоматизации, система управления.
Рассматриваются основные аспекты проектирования и создания лабораторного комплекса, оснащенного экспериментальной установкой и передовыми технологиями в области автоматизации технологических процессов компании "Siemens".
Keywords: experimental setup, process automation hardware set, control system.
It is discussed the basic aspects of the design and creation of the laboratory complex, equipped with the experimental setup and advanced technologies in the process automation field of "Siemens" company.
Введение
В современном мире предприятия химической, нефтехимической и
нефтеперерабатывающей промышленности играют ведущую роль в формировании основного направления развития экономики, как отдельно взятого региона, так и страны в целом. Внедрение новых технологий в промышленность приводит к тому, что автоматизация проникает на все уровни предприятия, что, таким образом, позволяет максимизировать получаемую прибыль и снизить капитальные и эксплуатационные затраты. Однако в условиях функционирования реального
промышленного объекта практически всегда отсутствует возможность проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ, направленных на получение и применение новых знаний для решения ряда инженерных и технологических задач. К задачам такого типа можно отнести изучение существующих законов регулирования, подбор настроечных параметров регулятора, разработка алгоритмов
автоматизированного пуска и останова установки [1, 2] и т.д.
Одним из вариантов решения данной проблемы является создание научно-исследовательской лаборатории, оснащенной экспериментальной (пилотной) установкой, необходимым комплексом технических средств автоматизации и системой управления, которая позволит проводить различные исследования в интересующих областях.
Подобный проект был реализован на базе кафедры Автоматизации технологических процессов и производств Нижнекамского химико-технологического института при сотрудничестве со специалистами компании "Siemens" и ведущего нефтехимического предприятия региона ОАО «Нижнекамскнефтехим». В соответствии с техническим заданием был разработан проект лаборатории, произведен выбор и монтаж комплекса технических средств автоматизации и схем электропроводок, построена система управления технологическим процессом на базе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-400. Программирование контроллера
осуществлялось в интегрированной среде разработки SIMATIC PCS 7 фирмы "Siemens".
В представленной работе приведены основные этапы проектирования АСОИУ данной лабораторной установки.
Описание технологического объекта В качестве объекта автоматизации выступает колонна насадочного типа, куб которой оснащен трубчатым электронагревателем (ТЭНом) мощностью 6 кВт. Помимо этого, перечень технологического оборудования включает в себя: выносной кипятильник, дефлегматор и флегмовую ёмкость. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.
Питание в колонну 10 поступает по линии подачи питания 2 через запорную арматуру 1. Внутри установки жидкость, двигаясь сквозь слои насадки, достигает куба, в котором установлен ТЭН 19, предназначенный для поддержания оптимального уровня путем испарения накапливающейся жидкости. При необходимости в работу включается выносной кипятильник 13, оснащенный ТЭНом мощностью 2 кВт. Полученный пар, поднимаясь вверх по колонне и проходя сквозь насадочные слои, поступает в дефлегматор 11, откуда, сконденсировавшись, попадает во флегмовую ёмкость 12. Подача флегмы на орошение колонны осуществляется посредством насоса 7 через регулирующий клапан 16.
Комплекс технических средств
Среди параметров процесса, которые подлежат контролю и управлению, можно выделить следующие:
- температурный профиль по высоте колонны;
- давление верха и уровень в кубе колонны;
- перепад давления по высоте колонны;
- температура и уровень во флегмовой ёмкости;
- расход хладагента в дефлегаматор;
- расход флегмы в колонну.
Для измерения вышеуказанных величин используется комплекс технических средств со следующими характеристиками: 1) Термометр сопротивления ТСМУ Метран-274. Выходной сигнал: 4-20 мА. Диапазон измерений: 0...180 °С. Используется для
измерения температурного профиля по высоте колонны.
2) Термопреобразователь SITRANS TH400 PA. Выходной сигнал: цифровой сигнал PROFIBUS PA. Диапазон преобразуемых температур: 0...100 °С. Применяется для измерения температуры жидкости во флегмовой емкости.
3) Датчик избыточного давления SITRANS P DS III. Выходной сигнал: цифровой сигнал PROFIBUS PA. Максимально допустимый предел измерения: 16 бар. Используется для контроля давления верха колонны.
11
Рис. 1 - Принципиальная схема установки: 1 -запорная арматура на линии питания; 2 - линия подачи питания; 3 - датчики измерения температурного профиля установки; 4, 5, 6 -датчики измерения давления верха, перепада давления и уровня в кубе колонны; 7 - насос, подающий орошение в колонну; 8, 9 - датчики измерения уровня и температуры во флегмовой емкости; 10 - колонна; 11 - дефлегматор; 12 -флегмовая емкость; 13 - кипятильник; 14 -датчик измерения уровня в кипятильнике; 15, 16 - контур регулирования расхода флегмы в колонну; 17, 18 - контур регулирования расхода хладагента в дефлегматор; 19, 20 - ТЭН колонны и кипятильника
4) Датчик разности давления SITRANS P250. Выходной сигнал: 4-20 мА. Интервал измерения: 0...0.6 бар. Используется для измерения уровня в кубе колонны.
5) Датчик разности давления Метран-100-ДД. Выходной сигнал: 4-20 мА. Верхний предел измерения: 10 кПа. Применяется для измерения перепада давления по высоте колонны, уровней в кипятильнике и во флегмовой ёмкости.
6) Кориолисовый массовый расходомер SITRANS F C MASSFLO MASS 6000. Выходной сигнал: цифровой сигнал PROFIBUS PA. Максимальное значение расхода: 5600 кг/ч. Используется для измерения расхода флегмы в колонну.
7) Электромагнитный преобразователь расхода ПРЭМ-3. Выходной сигнал: 4-20 мА. Максимальное значение расхода: 12 м3/ч. Используется для измерения расхода расход хладагента в дефлегаматор.
Кроме того, в качестве исполнительных механизмов в одноконтурных системах
регулирования расхода применяются
электроприводы МЭОФ с электрическим пускателем ПБР-2М и блоком сигнализации положения БСПТ. Электрическое питание: 220V 50 Hz.
Датчики с интерфейсом PROFIBUS PA подключаются к активному полевому барьеру SIMATIC AFDiS FISCO, оснащенному 6 защищенными каналами ввода/вывода интерфейсов PROFIBUS-PA.
Аппаратное обеспечение
Аппаратная платформа реализована на базе семейства контроллеров SIMATIC S7-400 фирмы "Siemens" и включает в себя следующие основные компоненты:
1) Блок (корзину) контроллера, состоящий из блока питания PS 407, модуля центрального процессора CPU 414-3 и коммуникационного процессора CP 443-1, обеспечивающего возможность подключения ПЛК к сети Industrial Ethernet.
2) Станцию распределенной периферии SIMATIC ET 200M, использующую в своем составе интерфейсный модуль IM 153-2 и целый ряд сигнальный модулей аналогового (SM 331 и SM 332) и дискретного (SM 321 и SM 322) ввода-вывода (рис. 2).
3) Модуль связи DP/PA coupler FDC 157-0, реализующий переход между интерфейсами PROFIBUS DP и PROFIBUS PA, к которому подключены полевые устройства.
Перечень основных характеристик отдельно взятых модулей фирмы "Siemens" приводится в каталоге [3].
Операторский уровень (OS) реализован на базе автономного ПК с пакетом программного обеспечения одиночной станции OS Single Station.
Рис. 2 - Многофункциональная станция распределенной периферии ЕТ 200М с модулями ввода-вывода
Система управления
Система автоматизации объекта построена на базе программно-технических средств распределенной системы управления SIMATIC PCS 7 фирмы "Siemens". Разработка программного обеспечения контроллера проводится на
инженерной станции PCS 7 (ES), которая снабжена мощными инструментами проектирования. Концепция создания проекта подразумевает последовательное использование различных утилит, входящих в состав пакета PCS 7, и включает в себя следующие шаги:
1) Создание мультипроекта, содержащего в себя иерархию процесса, все программные блоки и библиотеки, конфигурацию и документацию ("New Project" Wizard).
2) Конфигурирование аппаратных средств и коммуникаций для обеспечения взаимодействия между ПЛК, ES и OS (HW Config и NetPro).
3) Компиляция и загрузка полученных конфигураций.
4) Реализация алгоритмов управления на языке CFC-схем (CFC-editor).
5) Компиляция и загрузка CFC-блоков в ПЛК.
6) Разработка интерфейса оператора и графического дизайна (Graphic Designer системы SIMATIC WinCC).
В соответствии с вышеуказанной последовательностью действий была проведена
разработка программного обеспечения для SIMATIC S7-400.
Заключение
В работе отражены основные аспекты, связанные с проектированием и созданием лаборатории, оснащенной экспериментальной установкой. Данная лаборатория предоставляет сотрудникам и студентам института широкий круг возможностей для проведения дальнейшей исследовательской и научной деятельности.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых № 14.156.14.5663-МД от 03.02.2014 г.
Литература
1. В.В. Кабанов, А.В. Мущинин, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 17. 9. 292-294 (2014).
2. Р.А. Замалетдинов, А.В. Мущинин, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 17. 9. 285-288 (2014).
3. Каталог продукции Siemens CA-01 [электронный ресурс]: http://iadt.siemens.ru/ca01 (доступ бесплатный).
© Т. С. Камалиев - зав. лабораториями кафедры АТПП КНИТУ, timur_kamaliev@mail.ru; В. И. Елизаров - д-р техн. наук, профессор, кафедра АТПП КНИТУ, atpp.nchti@mail.ru; К. Ю. Созыкин - студент гр. 3002 НХТИ КНИТУ, gogolgrind@gmail.com.
© T. S. Kamaliev - laboratory chief of the department ATPM NCHTI KNRTU», timur_kamaliev@mail.ru; V.I. Elizarov - professor of the department ATPM NCHTI KNRTU, atpp.nchti@mail.ru; K. Yu. Sozykin - student of the 3002 gr. of the department ATPM NCHTI KNRTU, gogolgrind@gmail.com.
