книги / Разработка концепции и требований к системам управления технологическими процессами. Примеры отдельных технических решений

Примечание к выполнению раздела ВКР. Необходимо развернуто ответить на вопрос, какие цели будут достигаться внедрением АСУТП и какиезадачи при этомнеобходимо решить.

4. Функции автоматизированных систем

Для достижения целей управления (решения задач управления) автоматизированная система (АС) должна решать большое количество локальных задач. Для решения таких локальных задач АС должна выполнять некоторые функции.

Все функции АС принято подразделять на основные и вспомогательные.

Основные функции непосредственно направлены на решение задач управления. Вспомогательные – на поддержание работоспособности системы (например, самодиагностика, резервирование и др.).

Основные функции принято подразделять на информаци-

онные и управляющие.

Информационные функции связаны с получением, преобразованием, обработкой и хранением информации о состоянии объекта управления. Управляющие функции связаны с формированием и реализацией управляющих воздействий на объект управления.

Ниже приведены примеры информационных и управляющих функций.

11

7.Диагностики протекания техноло- 8. Дистанционное управление гического процесса и состояния оборудования.

8.Представление информации в удоб-

ном для оператора виде (графики, гистограммы и др.).

9.Печать отчетов.

10.Формирование текстовых сообщений.

11.Расчет технико-экономических показателей объекта управления.

12.Прогнозирование хода процесса и состояния оборудования

Примечание к выполнению раздела ВКР. В разделе технологи должны определить контролируемые, регистрируемые, управляемые (в том числе регулируемые) параметры; возмущающие и управляющие воздействия; параметры сигнализации и противоаварийной защиты.

12

5. Выбор контролируемых параметров

Контролю (измерению и отображению оператору) подлежат следующие технологические параметры:

1.Параметры, по значениям которых осуществляется управление технологическим процессом, а также его пуск и останов. К ним относятся управляемые параметры, а также входные параметры, при изменении которых в объект управления могут поступить возмущающие воздействия.

2.Параметры, характеризующие ведение технологического процесса, например показатели качества продукции.

3.Технологические параметры, влияющие на безопасность ведения процесса. Для химически опасных, взрывоопасных ТОУ определяется совокупность значений критических величин и допустимый диапазон их изменений. Для контроля загазованности (по ПДК) в производственных помещениях, рабочей зоне открытых наружных технологических установок должны предусматриваться в обязательном порядке технические средства газового анализа. Параметры, характеризующие состояние взрывоопасных ТОУ, должны не только контролироваться, но и регистрироваться.

При контроле технологических параметров необходимо определить, с какой частотой дискретизации будут обновляться значения; указать допустимую погрешность, диапазон возможных значений параметра, а также требуемые динамические характеристики (это особенно важно для малоинерционных технологических процессов).

6. Выбор регистрируемых параметров

Регистрация технологических параметров представляет собой запись значений для долговременного хранения на бумажный носитель или запоминающее устройство компьютера (HDD, Flash и др.) в графической или табличной форме. Далее такие значения могут использоваться для анализа режимов технологиче-

13

ского процесса, причин возникновения брака, аварийных режимов, коммерческого учета, научных исследований процесса и т.д.

Таким образом, регистрации подлежат следующие параметры:

1.Влияющие на безопасность ведения процесса.

2.Влияющие на показатели качества продукции.

3.Необходимые для коммерческого учета (например, энергии, сырья, готовой продукции и т.п.).

Современные программно-технические средства и некоторые регистраторы на бумажной ленте производят регистрацию параметра с дискретизацией по времени. Необходимо указывать, какой временной интервал используется для хранения значений параметров как в кратковременный (до нескольких суток), так и в долговременный период (до нескольких лет).

Кратковременные периоды хранения данных обычно используются для оперативного анализа качества работы технологической установки – безопасности, показателей качества продукции и т.п. Для этого периода характерно хранение подробных данных о ведении процесса. Долговременное хранение обычно используется для общего анализа работы технологической установки с целью ее модернизации, изменения режимов работы и др. Для долговременного хранения данных характерно усреднение значений за некоторый период, например за шесть часов,

изанесение в память этого усредненного значения, а также максимального и минимального значения параметра за этот период. Такой подход позволяет уменьшить количество памяти, необходимой для хранения данных.

7.Выбор управляемых (регулируемых) технологических параметров и управляющих воздействий

Для разработки системы управления необходимо выполнить следующие действия:

– во-первых, необходимо определить параметры, подлежащие управлению (регулированию);

14

–во-вторых, необходимо определить параметры, изменяя которые можно вносить управляющие (регулирующие) воздействия в ТОУ;

–в-третьих, необходимо оценить возмущающие воздействия, стремящиеся отклонить ХТС в сторону неоптимального функционирования.

При разработке системы управления принимается во внимание целевое назначение технологического процесса и его взаимосвязи с другими технологическими процессами. Выбирают критерий управления, его заданное значение и параметры, изменением которых целесообразно на него воздействовать. Основой выбора являются статические и динамические характеристики процесса.

Статические характеристики позволяют оценить степень влияния входных параметров на выходные, а динамические характеристики помогают уточнить правильность выбора управляющих воздействий. Пусть, например, выход целевого продукта C зависит от температуры Т и давления P в реакторе, а анализ статических характеристик С = f(Т, P) показывает, что изменение давления в реакторе в меньшей степени влияет на выход целевого продукта, чем изменение температуры. В таком случае выход целевого продукта следует поддерживать, изменяя температуру в реакторе. Динамические характеристики помогают уточнить правильность выбора управляющего воздействия. Если, например, они показывают, что канал воздействия на выход целевого продукта, связанный с изменением температуры, обладает существенно большим запаздыванием, чем канал, связанный с изменением давления, то тогда целесообразно в качестве управляющего воздействия использовать изменение давления, несмотря на более слабое влияние этого параметра на выход продукта.

Канал управления выбирают так, чтобы управляющее воздействие (например, изменение температуры) сопровождалось максимальным и быстрым изменением управляемой величины

15

(например, выхода целевого продукта), иначе говоря, чтобы коэффициент усиления ТОУ по каналу управления былмаксимален.

После выбора в качестве управляющего воздействия, например, температуры, необходимо задать способ ее изменения – нагрев паром, включения теплоэлектронагревателей (ТЭН), охлаждение водой и т.п.

8. Анализ возмущающих воздействий

После выбора критерия управления и управляющих воздействий проводится анализ ТОУ с точки зрения выявления возмущающих воздействий и способов их устранения до поступления в ТОУ. При этом особое внимание уделяется стабилизации входных параметров, поскольку их изменения являются наиболее сильными возмущающими воздействиями.

На практике все внешние возмущающие воздействия не удается устранить до их поступления в ТОУ, невозможно предусмотреть и устранить внутренние возмущающие воздействия. Необходимо также учитывать, что многие входные и управляемые параметры данного технологического процесса определяются технологическим режимом предыдущего и последующего процессов.

Неустраненные возмущающие воздействия приводят к изменению технологических параметров, характеризующих технологический режим и влияющих на величину критериев управления. Следовательно, появляется необходимость регулирования технологических параметров и нового обращения к статическим и динамическим характеристикам.

В итоге приходят к созданию комбинированной системы управления, способной осуществить регулирование как критерия управления, так и номинальных технологических (режимных) и входных параметров ТОУ.

Технологические параметры, как правило, взаимосвязаны между собой, поэтому управляющие воздействия, направленные

16

PNRPU

на регулирование одного технологического параметра, оказывают влияние и на другие. Например, изменение количества пара, подаваемого в кипятильник ректификационной колонны, осуществляемое регулятором температуры, влияет не только на температуру в кубе колонны, но и на уровень жидкости в нем. Для ослабления внутренних связей между отдельными параметрами в цепь управления вводят компенсирующие внешние связи между регуляторами или выбирают в качестве управляемых (регулируемых) величин параметры, не связанные (или слабо связанные) между собой.

9. Выбор сигнализируемых технологических параметров

При проектировании АСУТП рассматривают следующие виды сигнализации:

Схемы сигнализации положения – оповещающие о со-

стоянии контролируемых объектов (включение-отключение агрегатов и механизмов; открытие-закрытие задвижек и т.п.).

Схемы сигнализации действия защиты и автоматики –

информирующие о работе той или иной автоматической защиты или блокировки.

Схемы технологической сигнализации – оповещающие о нарушении нормального хода технологического процесса (об отклонении от установленного значения таких технологических параметров, как температура, давление, уровень, расход, концентрация и т.д.). Технологическая сигнализация может быть двух видов: предупреждающая и аварийная.

Предупреждающая – сигнализация о ненормальных, но пока еще допустимых значениях контролируемых или регулируемых величин, о нарушениях нормального режима работы отдельных агрегатов или всей установки в целом. Появление предупреждающих сигналов указывает обслуживающему персоналу на необходимость принятия определенных мер для устране-

17

ния возникающих неисправностей. Предупреждающая сигнализация обычно выполняется индивидуально в виде табло или транспаранта, загорающихся при подаче сигнала, определяющего характер и место возникновения ненормального режима, а также в виде общего для щита управления звукового сигнала, предназначенного для привлечения внимания эксплуатационного персонала.

Предаварийная – сигнализация о недопустимых значениях контролируемых величин, об аварийных состояниях на отдельных участках технологического процесса или об аварийных отключениях контролируемых объектов. Появление аварийных сигналов часто сопровождается действием устройств автоматической защиты или блокировки. Аварийная сигнализация, требующая особого внимания оперативного персонала, осуществляется, в отличие от предупредительной сигнализации, мигающим светом и звуком резкого тона.

Разделение сигнализации на предупреждающую и аварийную обеспечивает различную реакцию операторов на полученную информацию в зависимости от характера сигнала, определяющего степень нарушения технологического процесса.

Примечание. На схемах и таблицах сигнализация может обозначаться L, H – предупредительная, по верхнему и нижнему уровням соответственно, и LL, HH – предаварийная, по верхнему и нижнему уровням соответственно.

Выбор параметров, подлежащих сигнализации, осуществляется на основании анализа особенностей технологического объекта управления (ТОУ) – его пожаровзрывоопасности, токсичности, агрессивности перерабатываемых веществ, возможности аварий; на основании анализа особенностей химических процессов – возможности выпуска продукции несоответствующего качества, выхода из строя аппаратов и т.п.

Предаварийной (а при необходимости и предупредительной) сигнализации подлежат, например, такие параметры, предельные значения которых могут привести:

18

•к взрыву или пожару (например, превышение допустимой концентрации взрывоопасных веществ в аппаратах, помещениях, рабочей зоне открытых технологических наружных установок);

•несчастным случаям (например, превышение допустимой концентрации токсичных веществ в помещении);

•выходу из строя технологического оборудования (например, принарушении температурного режима);

•нарушению технологического режима (например, превышение допустимого уровня кислоты в емкости-сборнике, с последующим переливом кислоты);

•выпуску некондиционной продукции и браку (например, нарушение наиболее важных номинальных технологических параметров).

Сигнализация о выходе наиболее ответственных технологических параметров за допустимые пределы должна осуществляться от двух параллельно установленных первичных измерительных преобразователей, например от двух первичных измерительных преобразователей уровня легковоспламеняющейся жидкости. Это позволяет повысить надежность своевременного принятия решения технологом. Срабатывание устройств сигнализации должно фиксироваться в памяти контроллера или специализированного блока.

Так, например, если значение номинальной температуры ведения процесса составит 50...70 °С, а превышение температуры приведет к разложению целевого продукта при 90 °С, то предупредительная сигнализация должна сработать на значении, при котором оператор еще может принять решение, сопровождающееся каким-либо управляющим действием (например, повысить расход хладагента), с учетом инерционности системы. Таким значением после анализа может оказаться температура 80 °С.

19

10. Выбор параметров противоаварийной защиты

При сложных технологических процессах, в которых участвует большое количество механизмов и агрегатов, локальные устройства их защиты объединяют в систему технологической защиты и блокировки.

Система технологической защиты предназначена:

1)для предупреждения развития предаварийной ситуации

ваварию и при необходимости реализовать ее локализацию в случае возникновения;

2)предотвращения повреждения технологического оборудования;

3)перевода при необходимости технологического процесса на новый режим, обеспечивающий непрерывность процесса после локализации аварийной ситуации.

Противоаварийная защита (ПАЗ) – комплекс мероприятий, направленных на предотвращение возникновения аварийных ситуаций и на предотвращение их развития, если они возникли.

Таким образом, под технологической защитой понима-

ются устройства, контролирующие ход технологического процесса и состояние технологического оборудования и автоматически вступающие в действие при возникновении аварийной ситуации.

Под технологической блокировкой понимается такая связь между отдельными механизмами или устройствами защиты, которая при отключении (включении) одного или нескольких механизмов принудительно отключает (включает) в определенной последовательности и через заданные промежутки времени другие механизмы без вмешательства обслуживающего персонала.

Блокировки защищают персонал, оборудование и продукцию, запрещая неправильное включение (или отключение) технологического оборудования. Например: при открытой крышке

20