Распределенная система автоматического управления установкой сжигания сероводородного газа

Аннотация

Представлено обоснование и выбор структуры построения системы управления установкой сжигания сероводородного газа. Рассмотрена возможность построения децентрализованной системы управления печь-котлом в технологической схеме производства серной кислоты методом мокрого катализа на базе современных средств промышленной автоматизации и сетевых технологии. Предложена схема структурного резервирования основных узлов системы управления печь-котлом на основе отказоустойчивой системы автоматизации SIMATIC S7-400H.

Введение

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенноевлияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления,ее надежности, ремонтопригодности и т. д.

Система управления должна обеспечивать разные уровни управления объектом автоматизации, т. е. должна состоять из нескольких пунктов управления, в той или иной степени взаимосвязанных в зависимости от важности регулируемых параметров, круга работников эксплуатационного персонала, которым необходимо знать их значения для осуществления оптимального управления объектом.

Постановка задачи

При построении системы управления необходимо проанализировать существующие структуры построения систем автоматизации сложных химических процессов и выявить их достоинства и недостатки. Для построения высоко эффективной, отказоустойчивой и быстродействующей системы управления необходимо проанализировать тенденции развития современных средств промышленной автоматизации и сетевых технологий.

Цель работы.

Реализации децентрализованной системы управления установкой сжигания сероводородного газа в технологической схеме производства серной кислоты методом мокрого катализа на основе промышленных сетевых технологий и средств автоматизации.

Разработка структуры системы управления на основе современных средств автоматизации.

Структуры управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными, многоуровневыми. Одноуровневые системы управления, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления, называются централизованными (см. рис. 1). Одноуровневые системы, которые обеспечивают управление отдельных частей сложного объекта из самостоятельных пунктов управления, называются децентрализованными.

Одноуровневые централизованные системы применяются в основном для управления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на небольшой территории. В многоуровневых системах управления, задачи управления решаются на первом уровне, а на более высоком уровне обеспечивают решение задач оптимизации, архивирования, расчета технико-экономических показателей. Кроме рассматриваемой технологической установки сжигания сероводородного газа (печь- котел), процесс производства серной кислоты состоит еще из нескольких этапов (конверсия, конденсация, водоподготовка) и имеет большое число вспомогательных установок-подобъектов,которые необходимы для обеспечения технологических установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технологического процесса. Если управление данного процесса построить по одноуровневой централизованной системе, то намного усложнятся коммуникации системы управления, резко возрастут затраты на ее сооружения и эксплуатацию, центральный пункт управления получается громоздким. В этом случае более приемлемой становится одноуровневая децентрализованная система управления. Однако с помощью одноуровневых систем не всегда представляется возможным оптимально решить вопросы управления технологическим процессом. Тогда целесообразно переходить к многоуровневым системам управления (см. рис. 2).

Первый уровень управления, на котором решаются задачи контроля и регулирования технологических параметров. Второй уровень, представляет собой автоматизированное рабочие место оператора и позволяет выполнять широкий круг задач, в том числе вести дистанционное управление процессом, решать задачи оптимального управления, ведения архива. На третьем уровне рассчитываются технико-экономические показатели, генерируются отчеты, которые могут передаваться в другие системы управления.Для первого уровня при проектировании целесообразно предусматривать три режима управления:

1. Командами, поступающими от уровня более высокого ранга
2. Командами, формирующимися непосредственно на первом уровне
3. Командами, поступающими как с уровня более высокого ранга, так и формирующимися непосредственно на первом уровне.
4. Для уровня второго ранга и выше возможны четыре режима работы
5. Аппаратура данного i-го ранга принимает и реализует в управляющее воздействие команды (i+1)-го ранга
6. Команды формируются непосредственно на аппаратуре i-го ранга;
7. Все функции управления с i-го ранга передаются на аппаратуру (i-1)-го ранга;
8. Часть команд на аппаратуру i-го ранга поступает с (i+1)-го ранга (часть функций управления передана на аппаратуру (i+1)-го ранга), часть команд формируется на i-м ранге.

Перевод аппаратуры с режима 1 на режим 2 осуществляется по команде или с разрешения оператора системы вышестоящего ранга. Передача функций управления тем или иным параметром на нижестоящий ранг осуществляется только после приема команды о передаче и подтверждения оператора системы нижестоящего ранга о готовности к принятию на себя тех или иных функций управления. Многоуровневая структура системы управления обеспечивает ее надежность, оперативность, ремонтопригодность. При этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством средств технологического контроля, управления и линий связи между ними. Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации. Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами

1. Нижний уровень – уровень объекта (контроллерный) – включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (ПЛК), которые могут выполнять следующие функции:

   •cбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

   •управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

   •решение задач автоматического логического управления и др.

   Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи. В качестве локальных ПЛК в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т. д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

2. Верхний уровень – диспетчерский пункт – включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления.

   Развитая высокопроизводительная система связи является неотъемлемой частью системы управления. В системах управления для управления, сбора данных и обмена информацией используются промышленные шины. Промышленная шина должна отвечать требованиям различных прикладных сфер, обладать соответствующими характеристиками, благодаря которым их можно использовать в условиях промышленной эксплуатации. Это:

   1. детерминированность
   2. поддержка больших расстояний между узлами
   3. защита от электромагнитных наводок
   4. упрочнённая механическая конструкция.

   Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного канала RS485, обеспечивающего взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации - характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (исключение шина PROFIBUS имеет пропускную способность до 12 Мбит). В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Решить все задачи при помощи промышленной шины одного типа просто невозможно. Однако все вместе они могут удовлетворить требованиям практически любой системы управления, имеющей распределенную архитектуру.

   Построение отказоустойчивой системы управления.

   Промышленные сернокислотные установки принадлежат к классу экологически неблагополучных химических объектов, поэтому выход из строя кого-либо устройства системы управления должно иметь минимальное значение для работоспособности всей системы в целом. Ресурсосберегающее и щадящее окружающую среду производство может быть достигнуто в настоящее время во всех отраслях промышленности только за счет высокой степени автоматизации. В то же время имеется потребность в отказоустойчивых устройствах автоматизации с высокой степенью децентрализации. Резервируемые системы автоматизации используются на практике с целью достижения более высокого коэффициента готовности или отказоустойчивости.

   Целью использования систем автоматизации с высоким коэффициентом готовности является сокращение производственных потерь. При этом не имеет значения, вызваны ли эти потери неисправностью или являются результатом работ по обслуживанию. Чем выше расходы, связанные с остановкой производства, тем более целесообразно использование отказоустойчивой системы. Более высокие, как правило, капитальные затраты на отказоустойчивые системы быстро компенсируются за счет устранения производственных потерь.Резервирование производится тех узлов и компонентов системы управления, выход из строя которых, может оказать существенное влияние на условия надежности других узлов или всей системы в целом. Современные цифровые распределенные системы автоматического управления (САУ) характеризуются большим числом функций регулирования, контроля и диагностики, а также высокими требованиями к точностям регулирования. Это предъявляет высокие требования к надежности и точности измерительных каналов, и используемого оборудования.

   Система автоматизации S7-400H удовлетворяет высоким требованиям к коэффициенту готовности, интеллектуальности и децентрализации, которые предъявляются к современным системам автоматизации. Кроме того, она предоставляет все необходимые функции для сбора и подготовки данных процесса, а также для управления, регулирования и контроля агрегатов и систем. Полная универсальность в масштабах системы от пункта управления до датчиков и исполнительных устройств, что гарантирует максимальную производительность системы. Резервируемые узлы олицетворяют отказоустойчивость систем с резервными компонентами (см. рис. 3). Независимость резервируемого узла имеет место, если выход из строя компонента внутри узла не оказывает влияния на условия надежности в других узлах или во всей системе.

Кроме блоков питания и центральных процессоров, которые всегда используются как резервируемые модули, имеются следующие варианты конфигурации для модулей ввода/вывода:

1. Одноканально односторонняя конфигурация с нормальным коэффициентом готовности. У одноканально односторонней конфигурации имеются отдельные модули ввода/вывода (один канал). Модули ввода/вывода находятся только в одной из подсистем, и обращение к ним производится только из этой подсистемы.
2. Одноканально коммутируемая конфигурация с повышенным коэффициентом готовности. У одноканально коммутируемой (децентрализованной) конфигурации просто имеются отдельные модули ввода/вывода (один канал), но обращаться к ним может каждая из подсистем.
3. Двухканально резервируемая конфигурация с наивысшим коэффициентом готовности. В двухканально резервируемой конфигурации имеется двойное количество модулей ввода- вывода, к которым может обращаться любая из подсистем.

S7-400H состоит из двух обеспечивающих резервирование подсистем, которые синхронизируются через волоконно-оптические кабели. Эти две подсистемы образуют отказоустойчивую систему автоматизации, которая работает с двухканальной структурой (1–из–2) по принципу активного резервирования.

Построение схемы многоуровневой децентрализованной системы управления.

Структурную схему системы управления составим на основании предложенных проектных решениях и современных тенденциях развития сетевых технологий. Таким образом, предлагается следующее техническое решение отказоустойчивой системы управления печь-котлом на основе промышленной шины PROFIBUS. Децентрализованная структура системы управления представляет собой иерархическую структуру, состоящую из следующих уровней:

1. диспетчерский;
2. цеховой;
3. локальный;
4. технологический.

Схематически структура многоуровневой децентрализованной системы управления печь- котлом на базе промышленной шины PROFIBUS представлена на рис. 4.

На рис. 4 приняты следующие обозначения:

1. ДТ – датчик температуры: 1 – сероводородного газа, 2 – воздуха, 3 – питательной воды, 4 – пароводяной смеси, 5 – газа на выходе из печи, 6 – газа на выходе камеры дожигания, 7 – газа на выходе камеры смешения.

2. ДР – датчик расхода: 1 – сероводородного газа, 2 – воздуха в печь, 3 – питательной воды, 4 – пароводяной смеси, 5 – воздуха в камеру дожигания, 6 – воздуха в камеру смешения, 7 – газа на выходе камеры смешения.

3. ДД – датчик давления: 1 – сероводородного газа, 2 – воздуха, 3 – пароводяной смеси.
4. ИМ – исполнительный механизм: 1 – подачи питательной воды, 2 – подачи воздуха в печь, 3 – подачи воздуха в камеру дожигания, 4 – подачи воздуха в камеру смешения.

5. СРВВ – станция распределенного ввода-вывода (о) основная, (р) резервная.

На технологическом (полевом) уровне датчики и исполнительные механизмы подключаются к модулям ввода-вывода, которые расположены на станциях распределенного ввода-вывода (основной и резервной). Децентрализованная периферия осуществляет передачу и прием информации от логического контроллера по основной и резервной шине PROFIBUS-DP и является ведомым устройством DP-Slave.

На локальном уровне располагаются локальные ПЛК технологическими установками. ПЛК являются ведущими устройствами DP-Master 1 класса, это означает что, этот DP-Master обменивается пользовательскими данными с DP-Slaves циклически (станции распределенного ввода-вывода).

Каждый ПЛК выполняет следующие функции:

1. реализация программы управления исполнительными механизмами;
2. обмен информацией с другими узлами сети, то есть функции сетевого контроллера;
3. реализация алгоритмов защиты и сигнализации.

На цеховом уровне располагается центральный основной и резервный контроллер, которые работают по принципу двухканально резервируемой конфигурации с наивысшим коэффициентом готовности. Алгоритмы управления синхронно выполняются обоими контроллерами, подключенными к шине PROFIBUS-DP. Общее управление всей системой осуществляется центральный контроллер системы, осуществляющий взаимоувязку отдельных частей технологического объекта управления, оптимальное управление в целом, вмешивается в управление при возникновении предаварийных и аварийных ситуаций. Центральный контроллер связан с локальными ПЛК по шине PROFIBUS.

На диспетчерском уровне реализован человеко-машинный интерфейс, реализованный на базе двух персональных компьютеров обыкновенного либо промышленного исполнения. АРМ (автоматизированное рабочее место) позволяет оператору на графических мнемосхемах и табличных панелях отображения контролировать текущее состояние технологического процесса и оборудования на всех объектах автоматизации, так же он является сервером. Один из компьютеров является основным рабочим местом оператора, другой является резервным рабочим местом. Резервный компьютер сразу получает управление в случае сбоя основного. В штатном режиме резервный компьютер может быть использован только для мониторинга технологических процессов и отображения оперативных сообщений от контроллера.

Устройства на цеховом и диспетчерском уровне относятся к ведущим устройствам DPMaster 2 класса. Эти устройства поддерживают кроме функций DP-Master 1 класса, еще другие специальные функции: чтение входных и выходных данных от DP-Slave параллельно с обменом данными с DP-Master; считывание актуальных конфигурационных данных DP-Slave; назначение новых адресов DP-Slave и др.

Компьютер оператора и программное обеспечение, установленное на нем, выполняет следующие основные функции: задание заданных значений для регулируемых параметров технологического процесса; решение всех задач человеко-машинного интерфейса; решение задач, связанных со всеми аварийными и предупредительными сигналами в системе и т. п.

Подключение оборудования, располагающиеся на диспетчерском уровне к ПЛК и сети предприятия, осуществляется с помощью шины Industrial Ethernet. Возможность использования Industrial Ethernet определяется следующими факторами: простота интеграции новых устройств в существующую сеть; Ethernet является достаточно распространенным интерфейсом, поэтому сетевые платы и маршрутизаторы общедоступны; стандарт допускает использование различных физических сред, что позволяет обеспечить необходимую помехоустойчивость и длину сегмента выбором соответствующей физической среды передачи информации.

Выводы

1. Представлено обоснование и выбор структуры построения системы автоматического управления установкой сжигания сероводородного газа в технологической схеме производства серной кислоты методом мокрого катализа.
2. Рассмотрена возможность построения децентрализованной системы управления печь- котлом в технологической схеме производства серной кислоты на базе современных средств промышленной автоматизации и сетевых технологии PROFIBUS.
3. Предложена схема структурного резервирования основных узлов системы управления печь-котлом на основе отказоустойчивой системы автоматизации SIMATIC S7-400H.
4. Разработана структура технической реализации многоуровневой децентрализованной системы управления печь-котлом на базе промышленной шины PROFIBUS-DP.

Литературы

1. Шувалов В. В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности / В. В. Шувалов, Г. А. Огаджанов, В. А. Голубятников – М.: Химия, 1991. – 480 с.
2. Пьявченко Т. А. Автоматизированные информационно-управляющие системы / Т. А. Пьявченко, В. И. Финаев. – Таганpог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. – 271 c.
3. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. Олссон, Д. Пиани. – С-Пб: Невский Диалект, 2001. – 557 с.
4. Втюрин В. А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Программно-технические комплексы / В. А. Втюрин – С-Пб: С-ПбГЛТА, 2006. – 233 с.
5. Месарович М. Теория иерархических многоуровневых систем / М. Месарович, Д. Мако, И. Такахара – М.: Мир, 1973. – 334 с.
6. Вольц М. PROFIBUS – открытая шина промышленного применения [Електронний ресурс] / М. Вольц. Режим доступу: http://www.asutp.ru/?p=600257.
7. Любашин А.Н. Промышленные сети [Електронний ресурс] / А. Н. Любашин. Режим доступу: http://www.asutp.ru/?p=600353
8. Синк П. Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethetrnet [Електронний ресурс] / П. Синк. Режим доступу: http://www.asutp.ru/?p=600425.