СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ.........................................5
1.1. Назначение и возможности систем автоматизации технологических
процессов..............................................................................................................5
1.2. Анализ объекта автоматизации.................................................................13
1.3. Разработка технического задания.............................................................19
ГЛАВА 2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.............................................29
2.1. Разработка схемы автоматизации.............................................................29
2.2. Описание функций проектируемой системы..........................................33
2.3. Расчет регулятора.......................................................................................42
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ...............................................................53
3.1. Выбор оборудования для проектируемой системы................................53
3.2. Разработка принципиальной схемы.........................................................59
3.3. Разработка инструкций для дежурного и ремонтного персонала.........63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................71
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................73
ПРИЛОЖЕНИЯ
5
ВВЕДЕНИЕ
В течение уже многих лет нефтегазовый комплекс является основой
энергоснабжения страны, он обеспечивает более 10 % общего потребления
природных ресурсов. Нефтегазовый комплекс - это главный источник
налоговых и валютных поступлений государства. Именно поэтому в
энергетической стратегии России на период до 2020 года проблеме
функционирования и развития нефтегазового комплекса уделяется особое
внимание.
Нефтяная отрасль - ключевая отрасль российской экономики, а
обеспечение успешной работы нефтедобывающих объектов является
приоритетной задачей. Повышение энергоэффективности нефтяных
месторождений осуществляется двумя способами: увеличением добычи нефти
и оптимизацией энергопотребления нефтяных скважин.
Повышение энергоэффективности нефтяных месторождений достигается
за счет использования современных технологий управления насосами скважин.
Это требует постоянной модернизации оборудования и совершенствования
систем управления.
Актуальность темы исследования обусловлена высокой потребностью в
высоконадежных системах автоматического управления добычи нефти в
труднодоступных местах.
Выбор темы исследования обусловлен острой потребностью удаленных
месторождений в высоконадежных системах автоматического управления
добычи нефти, поскольку доступ к скважинам возможен только на вертолетах
при благоприятных погодных условиях.
Объектом исследования являются системы управления технологическими
процессами добычи нефти в труднодоступных местах.
Теоретическая значимость исследования заключается в применении
современных методов и оборудования. Полученные решения
продемонстрируют возможности современных средств автоматизации.
6
Практическая значимость работы обусловлена возможностью
применения полученных решений для модернизации удаленных
месторождений.
Целью работы является разработка системы управления
технологическими цеха добычи нефти. Для достижения цели работы
необходимо решить ряд задач:
1) Рассмотреть современные средства и технологии автоматизации.
2) Провести анализ объекта и составить техническое задание.
3) Разработать схему автоматизации, выделить функции, реализуемые
системой.
4) Провести выбор оборудования и разработать принципиальную схему
системы.
5) Разработать инструкцию для персонала.
Проблема исследования рассматривалась в трудах следующих авторов:
Пантелеев В.Н. Основы автоматизации производства: Учебник для
учреждений начального профессионального образования.
Схиртладзе А.Г. Автоматизация производственных процессов в
машиностроении: Учебник.
Кангин В.В. Промышленные контроллеры в системах автоматизации
технологических процессов: Учебное пособие.
Выпускная квалификационная работа представлена на 71 листе и
содержит 18 рисунков, 2 таблицы и 9 формул.
7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1. Назначение и возможности систем автоматизации
технологических процессов
1.1.1 Системы с открытым контуром управления
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.
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.
Например, электрическая сушилка для одежды. В зависимости от
количества одежды или ее влажности, пользователь или оператор должен
установить таймер, например, на 30 минут, и в конце 30 минут сушилку
автоматически останавливать и выключать, даже если одежда по-прежнему
мокрая или влажная.
В этом случае управляющее воздействие ручное, основанное на оценке
влажности одежды оператором
1
.
Таким образом, в этом примере, сушилка одежды будет разомкнутой
системой, поскольку не контролируется или измеряется состояние выходного
1
Панкратов Л.В. Динамика процессов в ПИ-регуляторе // Наука и техника транспорта. № 3, 2016. –С. 60–66.
8
сигнала, которым является сухость одежды. Тогда точность процесса сушки,
или успех сушки одежды будет зависеть от опыта пользователя (оператора).
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.
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.
Еще один недостаток систем с открытым контуром, они плохо
применимы для работы в изменяющихся внешних условиях, которые могут
снизить способность завершить нужную задачу. Например, дверь открывается
и происходит потеря тепла сушилки. Система продолжает работать до полного
истечения 30 минут, но одежда не нагревается и не сушатся.
Сформулируем основные черты "разомкнутой системы":
1. Нет никакого сравнения между фактическими и требуемыми
значениями.
2. Система с открытым контуром не имеет саморегулирования или
управляющего воздействие над выходным значением.
3. Изменения или нарушения внешних условий не приводит к
непосредственному изменению выходного сигнала. (пока параметр не
изменится вручную)
Любая система с открытым контуром может быть представлена в виде
нескольких блоков. Блок-схема разомкнутой системы показывает, что путь
сигнала от входа до выхода представляет собой линейный путь без обратной
связи
2
.
2
Панкратов Л.В. Моделирование и оптимизация параметров САУ // Наука и техника транспорта. №4, 2012. –С.
16–21.
9
Такие системы редко применяются для промышленных систем из-за
присущих им недостатков.
1.1.2 Системы с закрытым контуром управления
Один из способов, в котором мы можем точно контролировать процесс,
является контроль за его выходом и передача некоторой части выходного
сигнала обратно, чтобы сравнить фактический вывод с желаемым выходом и
таким образом, уменьшить ошибку. Такой сигнал называется "сигнал обратной
связи" и тип системы управления, которая использует сигналы обратной связи
для управления, называется система с закрытым контуром управления, рисунок
1
3
.
Рисунок 1. Система с обратной связью.
Закрытый контур системы управления, также известный как системы
управления с обратной связью, использует концепцию открытой системы, его
прямой путь, но имеет одну или несколько петель обратной связи.
3
Кангин В.В. Промышленные контроллеры в системах автоматизации технологических процессов: Учебное
пособие. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 408 c.
10
Системы с закрытым контуром управления предназначены для
автоматического достижения и поддержания желаемого выходного состояния,
путем сравнивая его с фактическим состоянием. Это достигается путем
выработки сигнала ошибки, который является разностью между выходным и
входным сигналом.
Как видно, в системе управления с обратной связью, сигнал ошибки,
который представляет собой разницу между входным сигналом и сигналом
обратной связи (который может быть выходным сигналом или функцией
выходного сигнала), подается на контроллер таким образом, чтобы уменьшить
ошибку системы и довести выход системы обратно до требуемого значения.
Термин управления с обратной связью всегда предполагает уменьшение
сигнала ошибки в системе, это отличает системы с открытым контуром и
закрытым.
Системы с замкнутым контуром управления имеют много преимуществ
по сравнению с системами с открытым контуром. Основным преимуществом
системы управления с обратной связью является ее способность уменьшать
чувствительность системы к внешним возмущениям, например, открытия двери
сушильной, давая системе более надежный контроль, так любые изменения в
сигнале обратной связи приведет к компенсации.
Хотя замкнутая система может иметь много преимуществ по сравнению с
системой управления без обратной связи, его основным недостатком является
то, что замкнутая система должна быть более сложной. Кроме того, если
усиление регулятора слишком чувствительно к изменениям в его входе, сигнал
может стать нестабильным и начать колебаться.
Дальнейшее развитие закрытых систем пошло по пути формирования
сигнала обратной связи, обеспечивающего наиболее быстрое возвращение
системы к заданному состоянию.
11
1.1.3 ПИД-регулирование
При автоматизации технологических процессов важную роль играет
поддержания параметра на определенном уровне. Например, таким параметром
может быть давление в емкости, причем, большее отклонение параметра от
задаваемого значения влияет на качество технологического процесса и, как
следствие, на качество производимого продукта.
Первоначально, для регулирования параметров технологического
процесса применялись пропорциональные регуляторы. Принцип их работы
заключался в формировании сигнала ошибки, равного по величине разности
текущего измеренного значения регулируемого параметра и требуемого по
условиям технологического процесса. Сигнал ошибки применялся для
коррекции, путем воздействия на управляющий элемент, например, клапан
сброса давления в емкости. Коэффициент пропорциональной части определяет
величину управляющего воздействия и как правило должен быть меньше
единицы, иначе, корректирующее воздействие будет сильнее изменения, что
приведет к самовозбуждению регулятора
4
.
Пропорциональные регуляторы очень просты в применении и
реализации, но обладают серьезным недостатком, а именно, при сильных
изменениях регулируемого параметра, формируемое компенсационное
воздействие получается достаточно большим, что приводит к
перерегулированию. Сильное влияние на объект управления, в свою очередь,
может привезти к еще более сильному изменению регулируемого параметра и,
как следствие, волнообразному процессу регулирования.
Таким образом, регулятор вместо поддержания параметра у заданного
значения, может привести к неконтролируемым изменениям. Для исключения
резких воздействий применяют пропорционально-интегральный (ПИ)
регулятор. Его особенностью является интегральная составляющая, которая
4
Панкратов Л.В. Цифровая реализация функции интегрирующего звена САУ // Наука и техника транспорта. №
3, 2013. –С. 26–29.
12
определяет плавность изменения сигнала ошибки. Благодаря этому, ПИ
регулятор не оказывает резких влияний на объект управления, обеспечивая
плавное регулирование.
В пропорционально-интегрально-дифференциальном регуляторе есть
дифференциальная часть, которая позволяет предсказать и учесть возможные
изменения регулируемого параметра в будущем. Такой подход позволяет
сократить перерегулирование и сделать еще более плавным отслеживание
регулируемого параметра.
При настройке ПИД регулятора нужно оптимальным образом подобрать
коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальных частей.
Эти коэффициенты зависят от объекта управления и могут быть рассчитаны
различными способами. Как правило, для расчетов применяют модели объектов
управления, что позволяет до реализации системы получить оптимальный
набор параметров.
К сожалению, часто модель отличается от реального объекта управления,
поэтому при разработке систем регулирования важно оставлять возможность
для коррекции коэффициентов в процессе работы. Например, при изменении
типа клапана давления, имеющего другое время хода, потребуется создавать
модель заново и проводить расчет коэффициентов, либо, изменить их значения
опытным путем, основываясь на знаниях о влиянии каждого из них
5
.
Рассмотрим, например, поведение процесса, где регулируемый параметр
сразу не реагирует на усилия ПИД-регулятора. Процесс не двигается в
направлении, в которое его толкает ПИД-регулятор
6
.
Если задержка между усилиями ПИД-регулятора и началом отклика
процесса не так уж длинны, для регулирования процесса можно использовать
обычный ПИД-регулятор, если алгоритм настроен на то, чтобы действовать
медленно и терпеливо. Но если задержка особенно велика или технологический
5
Гостев В.И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления. – СПб.: БХВ-
Петербург, 2013. – 416 с.
6
Зильбербург Л.И. Информационные технологии в проектировании и производстве. – СПб.: Политехника,
2008.
13
процесс требует меньшего времени ожидания, ПИД-регулятор должен быть
дополнен дополнительным интеллектом.
Рассмотрим другой вариант, переменная процесса реагирует более резко
на усилия контроллера, когда процесс работает почти на 100%. Требуется
гораздо менее агрессивные усилия по управлению, чтобы принять переменную
процесса от 50% до 100% по сравнению с усилиями, необходимыми для ее от
0% до 50%. У обычного ПИД-регулятора возникли бы проблемы с
регулированием этого процесса, потому что его усилия были бы слишком
агрессивными, когда процесс работает вблизи максимальных значений и
слишком консервативен, с другой стороны
7
.
Классическое решение этой проблемы, не требует добавления
дополнительного интеллекта в алгоритм ПИД-регулятора, но для этого
требуется более одного ПИД-контроллера, каждый из которых активен только
тогда, когда переменная процесса попадает в определенный диапазон.
В частности, консервативный контроллер будет сконфигурирован так,
чтобы обрабатывать переменную процесса до 100%, и агрессивный контроллер
будет принимать участие, когда переменная процесса приближается к 0%.
Переменная процесса также может быть разделена на более чем два диапазона,
каждый со своим собственным ПИД-контроллером, настроенным для учета
поведения процесса в каждом диапазоне.
С другой стороны, если нелинейный процесс, подобный этому примеру,
работает с его переменной процесса, ограниченной только одним узким
диапазоном, то достаточно одного традиционного ПИД-регулятора. Другие
диапазоны, в которых процесс становится более чувствительным к усилиям
контроллера или меньше, не будут иметь значения, потому что этот процесс
никогда не пойдет туда. К счастью, это довольно распространенная ситуация в
промышленных приложениях, где объектом является поддержание переменной
процесса при фиксированном заданном значении.
7
Егоров Г.А. Управляющие вычислительные комплексы для промышленной автоматизации: Учебное пособие.
- М.: МГТУ им. Баумана, 2012. - 372 c.
14