4
Оглавление
Введение
6
Глава 1. Аналитическая часть
9
1.1 Технико-экономическая характеристика предметной области и
предприятия
9
1.1.1 Характеристика предприятия и его деятельности
9
1.1.2 Организационная структура управления
предприятием
10
1.2 Характеристика комплекса задач, задачи и обоснование
необходимости автоматизации
11
1.2.1 Описание технологического процесса
11
1.2.2 Требования к сырью и продуктам производства
14
1.2.3 Обоснование необходимости использования
вычислительной техники для решения задачи
16
1.3 Анализ существующих разработок и выбор стратегии
автоматизации
19
1.3.1 Анализ существующих разработок для автоматизации
задачи
19
1.3.2 Выбор и описание структурной схемы системы управления
20
1.4 Обоснование проектных решений
24
1.4.1 Анализ организационно – технической структуры
24
1.4.2 Обоснование проектных решений по программному
обеспечению
28
1.4.2 Обоснование проектных решений по техническому
обеспечению
29
Глава 2. Разработка и описание системы контроля, регулирования и
управления технологическим процессом
32
2.1 Обоснование выбора технических средств автоматизации
32
2.1.1 Обоснование выбора микропроцессорных систем
37
2.1.2 Операторский уровень. Аппаратная обеспеченность
40
2.1.3 Уровень MES.
41
2.2 Сравнительные характеристики нескольких систем управления и
определение наилучшей по характерным показателям.
43
2.2.1 Разработка и описание функциональной схемы объекта
автоматизации
44
2.2.2 Описание плана трасс
46
2.2.3 Описание схемы подключения модулей УСО
47
Глава 3. Разработка законов регулирования уровня кубовой жидкости в
колонне технического кислорода АП309
49
3.1 Структурная схема контура
50
3.1.1 Анализ качества переходных процессов в цифровых САР
58
5
3.2 Надёжность системы управления
64
3.3 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию оборудования
69
3.3.1 Технико-экономическое обоснование модернизации
АСУТП
71
Заключение
75
Список литературы
78
Приложения
81
6
Введение
В данной выпускной квалификационной работе будет проводиться
исследование действующей системы управления, будет рассмотрена
организационно-техническая структура, исходя из современных требований
автоматизированным средствам управления, выявление недостатков действующей
системы управления.
Актуальность работы обоснована тем, что весь современный мир, все
химико-технологические производства переживают эру автоматизации. Для
нефтехимических предприятий автоматизация особенно актуальна, так как
повышаются требования в точности показаний, быстродействии реагирования и
надёжности всей системы.
По данным результатам анализа сделаем выводы о необходимости замены
действующей системы управления, представить путь модернизации, снижение
энергозатрат.
В нефтехимической промышленности применение механизации
производства и использование саморегулирующих технических средств уделяют
особое внимание. Это можно объяснить тем, что применяются сложные и
высокоскоростные технологические процессы. У них большая чувствительность к
нарушению технологического режима, вредность условий труда, взрыво- и
пожароопасность перерабатываемых веществ и т. д [36].
Одно из самых важных направлений автоматизации является
автоматизированные системы управления технологическими процессами
(АСУТП). Предназначение АСУТП - обеспечение необходимых условий для
протекания технологического процесса на каждой стадии, поддерживая
параметры процесса на заданном уровне, а также нахождение оптимального
варианта, целесообразного распределения и регулирования вещественных и
энергетических потоков в отдельных аппаратах, агрегатах, между цехами
производства.
В современной системе управления технологическим процессом
осуществляется одновременный контроль нескольких сот, или даже тысяч
параметров и имеют до нескольких сотен контуров управления. Основные
требования к средствам управления [35]:
7
-погрешностьили истинное значение измеряемых и контролируемых
параметров;
- соответствие обработки измеряемых значений характеру управляемого
процесса;
- достаток управляющих воздействий;
- надёжная работа системы в совокупности управляющего оборудования и
процесса.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в разработке
увеличения производительности, улучшения качества продукции, уменьшения
эксплуатационных затрат, снижения энергозатрат совершенствуя структуру
автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).
Необходимо учитывать все мероприятия, направленные на обеспечение
безопасности труда, повышение культуры производства, улучшение условий
труда. В совокупности все эти действия направлены на увеличение показателей
эффективной работы системы автоматического управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- рассмотреть характеристику объекта автоматизации
- изучить анализ существующей системы управления
- разработать систему контроля, регулирования и управления
технологическим процессом
- определить техническое обеспечение
- изучить структурную схему контура
- обосновать выбор технических средств автоматизации
- определить настройку дискретных регуляторов
- обосновать технико-экономическую модернизацию АСУТП
Объектом исследования выступает воздухоразделительная установка (ВРУ)
А-8-1 № 1.
Предметом исследования являются методы внедрения программного
обеспечения для модернизации системы управления установки разделения
воздуха.
Данная тема широко отражается в исследованиях таких авторов, как
Аверченков В.И., Бородин И.Ф., Дойников В.В., Ицкович Э.Л., Кормашова Е.Р.,
8
Сазонова С.А., Колодяжный С.А., Старостин А. А., Лаптева А. В., Шидловский
С.В.
В выпускной квалификационной работе были использованы учебные
пособия для студентов вузов, ГОСТы, инструкции по установке и эксплуатации
системы управления, номенклатурные каталоги.
9
Глава 1. Аналитическая часть
1.1 Технико-экономическая характеристика предметной
области и предприятия
1.1.1 Характеристика предприятия и его деятельности
ПАО "Нижнекамскнефтехим" – динамично развивающееся,
высокотехнологичное нефтехимическое предприятие Российской Федерации,
входит в группу компаний «ТАИФ».
Нефтехимический комплекс расположен на промышленной территории г.
Нижнекамска [27]. ПАО «Нижнекамскнефтехим» имеет две промышленные
площадки. Выпускает более ста наименований продукций, например,
синтетический каучук, пластики, мономеры.
Территория цеха № 1419 располагается в первой промышленной зоне
ПАО «Нижнекамскнефтехим» на площадке завода дивинила и углеводородного
сырья (ДБ и УВС).
Цех № 1419 включает в свой состав следующие объекты:
- три блока воздухоразделения А-8-1 для получения азота и кислорода из
атмосферного воздуха низкотемпературной ректификацией с последующей
подачей цехам потребителям;
- отделение холодильных машин, предназначенное для предварительного
охлаждения воздуха перед подачей на блок А-8-1 № 1;
- две установки получения осушенного воздуха
- машинный зал компрессорных установок
Воздухоразделительная установка (ВРУ) А-8-1 поз. № 1 предназначена
для получения газообразного азота концентрацией не менее 99,9995 % об.в
количестве 9000 нм
3
/час и кислорода концентрацией не менее 99,7 % об. в
количестве 100 нм
3
/час методом глубокого охлаждения с последующей
однократной ректификацией атмосферного воздуха.
В состав воздухоразделительной установки А-8-1 поз. № 1 входят:
- установка предварительного охлаждения воздуха, предназначенная для
охлаждения сжатого воздуха, поступающего от компрессора К-350-62-1 поз.1а в
блок комплексной очистки воздуха (БКО) до температуры 3÷7
0
С;
- блок комплексной очистки воздуха (БКО), предназначенный для очистки
10
сжатого воздуха адсорбционным методом от паров воды, диоксида углерода,
углеводородов и других примесей; регенерация адсорбента осуществляется
отбросным газом
;
- блок разделения воздуха (БРВ), непосредственно предназначенный для
получения газообразного азота и кислорода из атмосферного воздуха.
1.1.2 Организационная структура управления
предприятием
Производственный комплекс компании включает в себя: 12 заводов
основного производства, 6 центров (в т.ч. научно-технологический и проектно-
конструкторский), а также вспомогательные цеха и управления, расположенные
на двух производственных площадках и обладающие централизованной
транспортной, энергетической и телекоммуникационной инфраструктурой
(рисунок 1).
Рисунок 1- Структура ПАО «Нижнекамскнефтехим»
На рисунке 2 показана структурная Центра автоматизации по
обслуживанию завода Дивинила и углеводородного сырья (ДБ и УВС).
11
Начальник цеха
Заместитель
начальника цеха
Начальник
сектора АСУТП
Ведущий
инженер
АСУТП
Ведущий
инженер
электроник
Слесарь
КИПиА
Сменный
инженер
электроник
Участок по
обслуживанию и
ремонту КИПиА в
цехе № 1415
Участок по
обслуживанию и
ремонту КИПиА в
цехе № 1417
Участок по
обслуживанию и
ремонту КИПиА в
цехе № 1419
Участок по
обслуживанию и
ремонту КИПиА в
цехе № 1422
Рисунок 2 –Структурная схема Центра автоматизации ПАО
«Нижнекамскнефтехим»
Начальник цеха, как руководитель подразделения обязан осуществлять
контроль производственно-хозяйственной деятельности, организацию
производства, контролировать соблюдение работниками правил внутреннего
трудового распорядка и охраны труда. Обеспечение безаварийной работы,
надежное функционирование оборудование, а также вся техническая часть
работы возлагается на заместителя начальника цеха. Инженеры электроники,
слесари КИПиА обеспечивают проверку, работоспособность, поверку,
тестирование оборудования.
1.2 Характеристика комплекса задач, задачи и обоснование
необходимости автоматизации
1.2.1 Описание технологического процесса
Атмосферный воздух сжимается турбокомпрессором до 0,6 МПа и
подаётся в отделение холодильных машин, где охлаждается до 3-7°С
(приложение А). Далее воздух подаётся через влагоотделитель АП101 в блок
комплексной очистки, где происходит осушка и очистка от углеводородов.
Осушенный и очищенный от примесей воздух из блока комплексной очистки
12
поступает в основной теплообменник АП301, в котором охлаждается за счёт
теплообмена с выходящими из блока обратными потоками – продуктами
разделения воздуха (отбросного азота и чистого азота). Далее охлаждённый
воздух поступает в основную колонну АП304 для разделения на чистый азот и
обогащенную кислородом кубовую жидкость [21].
Пары обогащенного кислородом воздуха из куба основной колонны,
поднимаясь вверх по колонне обогащаются низкокипящим компонентом –
азотом, который отводится в межтрубное пространство (полость азота)
основного конденсатора АП305. В межтрубном пространстве основного
конденсатора АП305 часть азота конденсируется за счёт испарения кубовой
жидкости в трубном пространстве и используется в качестве флегмы – стекает
на орошение в основную колонну АП304, а другая часть жидкого азота
переохлаждается в теплообменнике АП312 и отбирается в качестве продукта.
Несконденсировавшаяся часть азота – продукционный азот поступает в
основной теплообменник АП301, подогревается и направляется в сеть к
потребителю.
Кубовая жидкость из куба основной колонны через теплообменник АП303
и через клапан ДР301, дросселируясь с давления 600 кПа до давления 185 кПа,
поступает в трубное пространство основного конденсатора АП305. В
теплообменнике АП303 происходит переохлаждение кубовой жидкости, за счет
нагрева отбросного азота выходящего из турбодетандера ТД411 (ТД421).
Пары кубовой жидкости (отбросной азот) из конденсатора АП305
направляются в основной теплообменник АП301. Подогретый в основном
теплообменнике АП301 отбросной азот (петлевой поток) поступает в
турбодетандер ТД411 (ТД421), где расширяется с понижением температуры.
Расширенный газ через теплообменник АП303 возвращается в основной
теплообменник АП301 и нагретый до положительной температуры сбрасывается
в атмосферу. Часть отбросного азота используется для регенерации адсорберов
блока комплексной очистки воздуха.
Часть кубовой жидкости из конденсатора АП305, направляется в колонну
технического кислорода АП309. Жидкость, стекающая в полость кипения
конденсатора колонны АП309, испаряется за счёт конденсации воздуха в
13
конденсаторе. Пары с верха колонны выводятся в линию выхода отбросного
азота из турбодетандера. Жидкость, стекая вниз, обогащается кислородом.
Продукционный кислород собирается в нижней части колонны и подаётся в
наполнительную кислородную станцию для заполнения баллонов.
Турбодетандеры ТД411, ТД421 имеют байпасную линию через клапаны
ДР401. Приоткрывая клапаны ДР401, ДР402, можно уменьшить
хладопроизводительность турбодетандера. Хладопроизводительность можно
также регулировать поворотом лопаток направляющего аппарата
турбодетандера. В турбодетандере энергия расширения сжатого газа расходуется
на совершение внешней работы, что сопровождается снижением
теплосодержания газа и понижением его температуры.
Поступающий из основного конденсатора отбросной азот проходит через
фильтр, поступает в спиральный канал корпуса (улитку) и попадает в сопла
направляющего аппарата. Частично расширенный и обладающий значительной
кинетической энергией воздух поступает в каналы рабочего колеса. При
движении воздуха по каналам колеса понижается давление и уменьшается
кинетическая энергия, которая, преобразуясь в механическую энергию, через вал
и редуктор передаётся электродвигателю, действующему в режиме торможения.
Вследствие расширения и отдачи энергии рабочему колесу происходит
охлаждение воздуха. Расширенный и охлаждённый отбросной азот через
диффузор направляется в теплообменник АП303, далее, проходя через основной
теплообменник АП301 и нагретый до положительной температуры сбрасывается
в атмосферу.
Турбодетандерный агрегат оснащён системой защиты от разгона.
Система защиты турбодетандерного агрегата от чрезмерного повышения
частоты вращения ротора (разгона) представляет собой быстродействующее
устройство, которое прекращает подачу сжатого воздуха в турбодетандер в
следующих случаях:
- при превышении нагрузки электродвигателя;
- при исчезновении напряжения в цепях управления электродвигателем;
- с пульта операторской панели.