5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6
ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ .............................................................. 9
1.1. Структура, назначение, цели и функции АСУ ТП ........................................... 9
1.2. Жизненный цикл и модели жизненного цикла АСУ ТП ............................... 17
1.3. Проектирование и основные технологии разработки АСУ ТП .................... 27
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУ ТП РАЗДЕЛЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ................................................................................ 33
2.1. Структура, функции и особенности проектирования АСУ ТП разделения
атмосферного воздуха ............................................................................................... 33
2.2. Основные элементы автоматики и технологические процессы АСУ ТП
разделения атмосферного воздуха .......................................................................... 42
2.3. Анализ объекта автоматизации, разработка технического задания на
проектирование АСУ ТП разделения атмосферного воздуха .............................. 53
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ АСУ ТП РАЗДЕЛЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ................................................................................ 65
3.1. Разработка проекта АСУ ТП разделения атмосферного воздуха ................. 65
3.2. Внедрение и тестирование АСУ ТП разделения атмосферного воздуха ..... 76
3.3. Расчет технико-экономического эффекта от внедрения АСУ ТП разделения
атмосферного воздуха ............................................................................................... 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 91
Приложение А ........................................................................................................... 96
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования обусловлена возрастающем интересом
промышленных предприятий к централизованным системам управления и
диспетчеризации. Такая система позволяет осуществлять управление
технологическими процессами на всем предприятии, а не локально, по
участкам, к тому же, для управления такой системой потребуется минимальное
количество персонала, в идеале один человек.
В условиях нестабильной ситуации в мировой экономике
энергетических ресурсов, снижения спроса и стоимости продукции ведущие
компании ищут способы снижения издержек и получения максимальной
прибыли.
Традиционными способами повышения эффективности производства
являются применение новых технологий, модернизация существующего
оборудования, что требует существенных затрат и окупается через
значительный промежуток времени. Другим менее затратным и быстро
окупающимся методом является повышение качества управления за счет
средств усовершенствованного управления процессом.
Выбор темы исследования обусловлен острой потребностью АО
«Грасис» в современной системе управления. АО «Грасис» занимается
разделением воздуха для получения газообразного и жидкого кислорода, азота
и аргона. Качество управления технологическим процессом АО «Грасис»
напрямую влияет на качество и стоимость получаемого продукта, поэтому
крайне важно применить современные технические решения при разработке
системы автоматизации.
Объектом исследования выпускной квалификационной работы являются
Автоматизированные системы управления (АСУ), а предметом исследования -
Автоматизированная система управления технологическими процессами
разделения (АСУ ТП) воздуха АО «Грасис».
7
Теоретическая значимость исследования заключается в применении
современных методов и оборудования. Полученные решения
продемонстрируют возможности современных средств автоматизации
технологических процессов.
Целью работы является разработка проекта автоматизированной
системы управления технологическим процессом разделения воздуха АО
«Грасис». Для достижения цели работы необходимо решить ряд задач:
– описать структуру, назначение, цели и функции АСУ ТП;
– описать жизненный цикл и модели жизненного цикла АСУ ТП;
– описать проектирование и основные технологии разработки АСУ ТП;
– описать структуру, функции и особенности проектирования АСУ ТП
разделения атмосферного воздуха;
– описать основные элементы автоматики и технологические процессы
АСУ ТП разделения атмосферного воздуха;
– разработать проект АСУ ТП разделения атмосферного воздуха;
– внедрить и протестировать АСУ ТП разделения атмосферного
воздуха;
– провести расчет технико-экономического эффекта от внедрения АСУ
ТП разделения атмосферного воздуха.
Практическая значимость работы заключается в повышении качества
управления технологическим процессом за счет применения современных
устройств автоматизации.
Проблема исследования рассматривалась в трудах следующих авторов:
Пантелеев В.Н. [14], Схиртладзе А.Г. [16], Кангин В.В. [13].
В первой главе проведен анализ построения систем
автоматизированного управления, выделены структура, назначение, цели и
функции АСУТП, рассмотрен жизненный цикл АСУТП и основные технологии
проектирования.
Полученные теоретические знания будут использованы для анализа
технологического процесса разделения воздуха АО «Грасис», это позволит
8
разработать схему автоматизации производства и определить узлы,
нуждающиеся в автоматизации.
Во второй главе разработаны технические решения, на основании
проведенного анализа технологического процесса разделения воздуха АО
«Грасис». Разработана структурная схема системы и определены функции
основных ее элементов.
Также, будет проведена разработка методов автоматизации основных
узлов, определены контролируемые и управляемые параметры.
В третьей главе описана разработка и внедрение системы, а именно,
разработан проект системы, рассмотрены особенности его внедрения и
тестирования.
Выпускная квалификационная работа представлена на 81 листе и
содержит 10 рисунков, 6 таблиц и 10 формул.
Графическая часть работы представлена на 4 листах формата А1 и
содержит схему автоматизации типового компрессора, план расположения
сооружений и установок, структурную схему системы управления и схему
принципиальную.
9
ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
1.1. Структура, назначение, цели и функции АСУ ТП
Автоматизированные системы управления предназначены для
регулирования технологического процесса. В автоматическом режиме без
участия человека, такие системы могут управлять целыми производствами,
обеспечивая высокое качество продукта и безопасность оборудования.
Рассмотрим основные компоненты систем автоматизации.
Интегрированная система управления – система управления, функционально и
информационно объединяющая все системы управления, контролирующие
объекты автоматизируемого технологического процесса. [6]
Автоматизированная система управления технологическими процессами
(АСУТП) – система управления, предназначенная для нормального и
противоаварийного управления комплексом технологических сооружений и
включающая в себя независимые распределенные системы управления (РСУ) и
системы телемеханики соответствующих промысловых сооружений или
линейных сооружений трубопроводов. [6]
Автоматическая система пожарной сигнализации и пожаротушения
(АСПСиПТ) – специализированная сертифицированная система,
предназначенная для своевременного обнаружения пожарной опасности и
светового и звукового оповещения персонала ЦПС о возникшем пожаре, а
также для автоматического управления соответствующими установками
пожаротушения для ликвидации очагов пожара путём выпуска необходимого
количества огнетушащего вещества (инертного газа, воды, пены). [7]
Интеллектуальные контрольно-измерительные приборы (КИП) –
датчики и исполнительные механизмы, имеющие в своем составе
микропроцессорное устройство, обеспечивающее расширенные средства
конфигурирования, диагностики, приема и передачи данных. Использование в
10
системе управления интеллектуальных КИП позволяет реализовать систему
мониторинга оборудования КИП с целью повышения надежности и
безопасности системы в целом. [6]
Местный пункт управления (МПУ) – помещение системы управления,
располагаемое вблизи группы технологических установок, в котором
размещаются шкафы/панели контроллеров и вторичные КИП. [3]
Программируемый логический контроллер (ПЛК) / управляющий
контроллер – микропроцессорное логическое решающее устройство,
непосредственно выполняющее функции сбора, передачи и обработки данных,
управления и регулирования путём формирования выходных сигналов. [6]
Типовая структура АСУ ТП представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Основные компоненты АСУ ТП и их назначение
АСУ ТП должна предусматривать следующие уровни контроля и
управления: [16]
11
− полевой уровень - уровень функционирования полевых КИПиА,
включающий датчики контроля параметров, исполнительные устройства,
управляемые электроприводы, средства комплектной автоматики
оборудования. Пользователем системы на этом уровне является
эксплуатационный персонал, осуществляющий наладку, профилактические
работы и периодическое обслуживание технологического оборудования и
локальной автоматики;
− уровень процесса - уровень функционирования
автоматизированных систем управления, включающий программно-
технические средства станций управления технологическим процессом,
противоаварийной защиты процесса и оборудования. Пользователем системы
на этом уровне является эксплуатационный персонал, осуществляющий
диагностику, ремонт и профилактические работы;
− уровень управления - уровень функционирования
автоматизированных технологических объектов, включающий персональные
компьютеры промышленного исполнения, принтеры, резервированную
управляющую сеть, соединяющую уровень управления и уровень процесса.
Пользователем системы на данном уровне является оперативно-
технологический персонал, осуществляющий оперативное управление
технологическими процессами.
В качестве основных целей автоматизации технологических процессов
производства большинство исследователей на сегодняшний день выделяют
такие как, повышение:
1) эффективности производственного процесса;
2) безопасности;
3) экологичности;
4) экономичности [12].
Помимо основных целей автоматизации технологических процессов
производства, так же можно выделить ряд дополнительных целей, являющихся
основой для достижения основных. [13]
12
Основные задачи, решаемые АСУ ТП:
1) Автоматическое управление технологическим процессом;
2) Предотвращение аварийных ситуаций для защиты персонала,
окружающей среды, технологического оборудования;
3) Хранение исторической информации о технологическом процессе для
анализа и оптимизации.
Основные функции АСУ ТП:
− сбор информации о технологических параметрах и состоянии
оборудования;
− фильтрация входных сигналов от высокочастотных помех
измерения;
− пересчет сигналов в физические величины;
− контроль технологических параметров на физическую
достоверность, на соответствие технологическому регламенту, на достижение
аварийных границ;
− косвенные измерения параметров (получение оценки
технологического параметра, который непосредственно не измеряются, в
результате математической обработки измеряемых сигналов, функционально
связанных с этим параметром). Примером косвенных измерений является
оценка концентрации серной кислоты по результатам измерения её плотности и
температуры;
− оценка состояния оборудования;
− ручной ввод информации в систему с использованием пульта
оператора или клавиатуры;
− обмен информацией между вычислительными средствами АСУ ТП
(контроллеры, станции распределенной периферии, рабочие и инженерные
станции, серверы);
− формирование и выдача сигналов световой и звуковой
сигнализаций;
13
− визуализация информации в удобном для оперативного персонала
виде;
− архивирование информации о ходе технологического процесса, о
нарушениях технологического регламента, о возникновении аварийных
ситуаций;
− ведение базы данных реального времени;
− подсчет технико-экономических показателей производства;
− прогнозирование аварийных ситуаций;
− обмен данными со смежными и вышестоящими системами
управления;
− формирование сменных и суточных отчетов.
Качество продукта напрямую зависит от качества управления, которое
обеспечивает автоматизированная система. В основном, любая задача
управления сводится к поддержанию определенных параметров
технологического процесса, этого можно добиться повышением качества
регуляторов в составе автоматизированных систем управления.
В технологических процессах важную роль играет поддержание
параметров в определенных пределах. Точность поддержания влияет на
качество технологического процесса и выпускаемого продукта. В настоящее
время разработано множество методов, позволяющих очень точно реагировать
на внешние воздействия, для поддержания оптимальных параметров
технологического процесса. [6]
Развитие систем автоматического управления идет по пути
совершенствования законов управления. Важную роль в повышении качества
управления сыграл переход от пропорционального к пропорционально-
интегральному (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальному
(ПИД) законам управления [9]. На смену разности фактического и заданного
значений регулируемой величины в системы управления по отклонению
пришли более сложные функциональные соотношения. [2]
14
В ПИ-регуляторе управление происходит по сумме отклонения и его
интегрального значения. В ПИД-регуляторе к этой сумме добавляется
производная по времени от отклонения регулируемой величины. [11]
Увеличение объема вычислений, выполняемых над значениями
регулируемой величины, компенсируется более высокими показателями систем
управления. Задачей исследований является изучение свойств ПИД-регулятора
и построение функциональных соотношений между параметрами звеньев
схемы, ориентированных на проектирование систем автоматического
управления. [14]
Назначением любой системы автоматического управления является
регулирование выходного параметра и сохранение его значения в заданных
пределах. Если вход системы изменяется по какой причине, выход системы
должны соответствующим образом реагировать и изменить значение так, чтобы
отразить новое значение входного сигнала. [4]
Точно так же, если что-то изменит выходной сигнал системы без каких-
либо изменений входного сигнала, реакция системы должна вернуть параметр к
заданному значению. В прошлом, электрические системы управления были в
основном с ручным управлением или, что называется, открытым контуром
управления. Оператор следил за поддерживаемым параметром и вручную
корректировал процесс. [16]
Разомкнутые системы, также известные как системы без обратной связи,
представляет собой тип непрерывной системы управления, в которой выходной
не оказывает никакого влияния на управляющее воздействие входного сигнала.
Таким образом, система с открытым контуром, как ожидается, добросовестно
следить за его входной командой, независимо от конечного результата. [16]
Кроме того, система с открытым контуром не имеет никакой
информации о состоянии выходного сигнала, из-за этого, не может
самостоятельно исправить любые ошибки, даже если это приводит к большим
отклонениям от заданного значения. [5]
Основные требования, предъявляемые к АИС: