Пример дипломной работы по исследованию систем управления: Модернизация АСУ упаковочной линии цеха стеклотары ОАО «Салаватстекло»

Содержание

Содержание

Введение

1 Анализ существующей системы управления

1.1 Характеристика изготавливаемой продукции

1.2 Описание технологического процесса

2 Модернизация АСУТП

2.1 Структурная схема АСУ ТП и ее описание

2.2 Выбор контролера

2.4 Выбор оборудования для модернизации

3 Специальная часть

3.1 Структурная схема АСР и её описание

3.2 Исследование динамических характеристик проектируемой АСР

4 Экономическая часть

4.1 Общая стоимость капитального вложения

4.2 Расчёт затрат по заработной плате

4.3 Затраты на электроэнергию и содержания оборудования

4.4 Экономические показатели

5 Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ опасных и вредных факторов на производстве

5.2 Методы по снижению производственного шума

5.3 Размещение и безопасная эксплуатация технологического оборудования

5.4 Методы и средства защиты атмосферы

5.5 Электробезопасность

5.6 Пожаробезопасность

5.7 Производственное освещение

5.7.1 Расчёт искусственного освещения производственного помещения

Заключение

Список использованных источников

Графическая часть

1 Схема структурная АСУ ТП

2 Схема структурная АСР

3 Техническо-экономические показатели

Выдержка из текста работы

Темой дипломного проекта является модернизация автоматизация системы регулирования давления природного газа из газораспределительного пункта для цеха пара газоводоснабжения ОАО «ФосАгро»

Данная САР служит для дополнительной очистки газа от механических примесей, снижения давления газа после газораспределительной станции и поддержания его на заданном уровне с последующей бесперебойной и безаварийной подачей потребителю. Система была внедрена около 30 лет назад, но требует доработки по следующим причинам:

• несоответствие оборудования требованиям, которые необходимы для надежной работы системы;

• высокий износ действующего оборудования;

• высокая погрешность измерений контролируемых параметров;

• отсутствие возможности регулирования расхода газа;

• необходимость постоянного контроля за ТП со стороны человека;

• отсутствие возможности работать в полностью автоматическом режиме.

С этой целью была проведена разработка новой САР, на основе реально действующей системы, с применением современного оборудования контроля и управления ТП, а так же с учетом тенденций развития промышленной автоматики. В ходе разработки было выполнено:

• замена датчиков;

• замена исполнительных механизмов.

Был внедрен программно-технический комплекс, состоящий из:

• управляющей станции 1-ого уровня (программируемый контроллер);

• удаленных станций распределенной периферии;

• управляющей станции 2-ого уровня (персональные компьютеры);

• серверов процесса и серверов баз данных;

• сетевых устройств;

• пакета пользовательских программ.

Новая система автоматизированного регулирования давления природного газа для газораспределительного пункта цеха пара газоводоснабжения должна обеспечить экономию ресурсов и уменьшение затрат в результате простоя оборудования, которые возникают из-за человеческого фактора, так как в данный момент система работает в ручном режиме.

Данные улучшения помогли достичь главной цели автоматизации – исключения человека из контроля над технологическим процессом. Оператор имеет возможность в автоматическом режиме контролировать расход газа, задавать необходимые параметры для корректного протекания технологического процесса, а все остальные операции за него выполнит система автоматики. Значения основных показателей работы газораспределительной станции выводятся на экраны мониторов системы визуализации в автоматическом режиме.

1.Общая часть

1.1 Описание технологического процесса объекта

Промышленные системы газоснабжения состоят из следующих элементов:

1) вводов газопроводов на территорию предприятия;

2) межцеховых газопроводов;

3) внутрицеховых газопроводов;

4) регуляторных пунктов (ГРП) и установок (ГРУ);

5) пунктов измерения расхода газа (ПИРГ);

б) обвязочных газопроводов агрегатов, использующих газ.

Газ от городских распределительных сетей поступает в промышленные сети предприятия через ответвления. На вводе устанавливают главное отключающее устройство, которое следует размещать вне территории предприятия в доступном и удобном для обслуживания месте, максимально близко к распределительному газопроводу, но не ближе 2 м от линии застройки или стены здания. Для газоснабжения промышленных предприятий проектируют тупиковую разветвленную сеть с одним вводом. Только для крупных предприятий, не допускающих перерыва в газоснабжении, ГРЭС и ТЭЦ применяют кольцевые схемы сетей с одним или несколькими вводами.

Транспортирование газа от ввода к цехам осуществляется по межцеховым газопроводам, которые могут быть подземными и надземными. Выбор способа их укладки зависит от территориального расположения цехов, характера сооружений, по которым предполагается прокладка газопроводов, насыщенности проездов подземными сооружениями. Надземная прокладка межцеховых газопроводов имеет ряд преимуществ по сравнению с подземной; исключается подземная коррозия газопроводов; менее опасны утечки газа, так как вытекающий из трубопровода газ рассеивается в атмосфере; утечки легче обнаружить и устранить; проще эксплуатировать и осуществлять наблюдение за состоянием газопроводов. При использовании в качестве опор для газопроводов существующих колонн, эстакад, стен и покрытий зданий надземная прокладка газопроводов экономичнее подземной. Из приведенных данных следует, что надземная прокладка газопроводов предпочтительнее подземной. В конечных точках межцеховых газопроводов следует предусматривать продувочные газопроводы. Некоторые схемы промышленных систем предусматривают проектирование центрального ГРП, который снижает и регулирует давление газа в межцеховых газопроводах. В этом случае в них устанавливают и пункты измерения расхода газа. В межцеховых газопроводах, как правило, поддерживают среднее давление и только у мелких потребителей — низкое. Высокое давление применяют там, где оно необходимо для газоиспользующих агрегатов. На вводе газопровода в цех снаружи или внутри здания устанавливают отключающее устройство. Внутрицеховые газопроводы прокладывают по стенам и колоннам в виде тупиковых линий. Необходимость кольцевания внутрицеховых газопроводов может возникнуть лишь для особо важных промышленных цехов. На ответвлениях к агрегатам устанавливают главные отключающие устройства. Газопроводы промышленных предприятий и котельных оборудуют специальными продувочными трубопроводами с запорными устройствами. Отводы к продувочным трубопроводам предусматривают от последних участков внутрицеховых газопроводов и от каждого газопровода агрегата перед последним по ходу газа отключающим устройством.

На рисунке 1 представлена структурная схема газоснабжения предприятия с центральным ГРП среднего конечного давления газоводоснабжения на ОАО «ФосАгро».

Рис.1 — схема газоснабжения предприятия с центральным ГРП среднего конечного давления газоводоснабжения на ОАО «ФосАгро»

1 — распределительный газопровод; 2 — отключающее устройство в колодце; 3 — конденсатосборник; 4 — центральный ГРП с узлом замера расхода газа; 5 — штуцер с краном для отбора проб; 6 — продувочный трубопровод;

цеховые ГРУ: 7 — низкого конечного давления; 8 — среднего конечного давления; 9 — шкафная ГРУ

1.2 Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики

Газорегуляторными пунктами (ГРП) и установками (ГРУ) называются устройства, способные автоматически поддерживать постоянное давление в сетях независимо от интенсивности потребления газа, также осуществляется управление режимом работы систем газоснабжения.

Газорегуляторные пункты и установки выполняют определенные задачи:

• снижают давление газа до заданного значения;

• поддерживают заданное давление вне зависимости от изменений расхода газа и его давления перед ГРП;

• прекращают подачу газа при повышении или понижении его давления после регуляторов сверх заданных пределов;

• очищают газ от механических примесей;

Располагают газорегуляторные установки в тех помещениях, где установлены

газопотребляющие агрегаты. По величине давления газа на входе ГРП и ГРУ

делятся на ГРП и ГРУ среднего давления, от 0,005 до 0,3 МПа, и на ГРП и

ГРУ высокого давления, от 0,3 до 1,2 МПа. Так как принципиальные

технологические схемы ГРП аналогичны технологическим схемам ГРУ в

дальнейшем можно использовать термин ГРП. Обычно газорегуляторные

пункты размещают в отдельно расположенных зданиях, в пристройках к

производственным помещениям или шкафах на несгораемых стенках. К зданию

ГРП существуют определенные требования, оно должно быть из материалов I и

II степени огнестойкости, надземным, одноэтажным.

Расположение и компоновка газового оборудования ГРП изображены на рис.1.

В ГРП находится такое оборудование как:

• регулятор, который снижает давление газа и автоматически поддерживает его на заданном уровне независимо от расхода газа потребителями;

• приборный щит, на который вынесены контрольно-измерительные приборы; обводной газопровод (байпас), оборудованный двумя задвижками, которые при отключенной основной лини и используют как ручной двухступенчатый регулятор давления газа; газовое оборудование основной линии. На основной линии газовое оборудование располагается в такой последовательности:

• входная задвижка для отключения основной линии; фильтр для очистки газа от различных механических примесей; предохранительный клапан, автоматически отключающий подачу газа потребителям в случае выхода из строя регулятора давления газа;

• гидрозатвор, присоединенный к газопроводу после выходной задвижки (служит для сброса в атмосферу части газа, когда неисправный регулятор начинает повышать выходное давление). Вместо гидрозатвора в ГРП могут применять другие сбросные устройства, например предохранительный сбросной клапан (ПСК). Таким образом, выходное давление газа контролируется предохранительным запорным клапаном (ПЗК) и предохранительным сбросным клапаном (ПСК).

Рис. 2. Схема оборудования ГРП (ГРУ)

1 — гидрозатвор; 2 — кран к гидрозатвору; 3 — задвижка на байпасе; 4 — импульсная трубка конечного давления; 5 — продувочная свеча; б — обводная линия (байпас); 7 — регулятор давления; 8 — предохранительно-запорный клапан; 9 — импульсные трубки до и после фильтра; 10- кран на байпасе; 11 -дифференциальный манометр для замера перепада давления на фильтре; 12 — расходомер; 13 — регистрирующий манометр входного давления; 14 — диафрагма; 15 — показывающий манометр выходного давления; 16 — регистрирующий манометр выходного давления; 17 – входная задвижка; 18 — фильтр; 19 — выходная задвижка.

С помощью предохранительного запорного клапана выполняется контроль верхнего и нижнего пределов давления газа, а ПСК — только верхний. При этом изначально срабатывает ПСК, а затем – ПЗК. По этой причине ПСК настраивают на меньшее давление, превышающее в пределе регулируемое на 15 %, а ПЗК настраивают на давление, превышающее регулируемое в пределе на 25

Входная информация

Входной информацией в данной системе автоматического регулирования будут являться:

• Расход газа 0-20000

Информация с первичных преобразователей будет поступать на измерительные преобразователи, которые будут преобразовывать её в унифицированный токовый сигнал 4..20мА. Преимущества использования именно этого вида сигнала очевидны: меньшая подверженность внутренним и внешним влияниям, и возможность без проблем диагностировать обрыв линии связи. Важно, чтобы информация от всех приборов выдавалась в одинаковой форме, чтобы не усложнять её обработку в управляющем устройстве.

Выходная информация

Выходной информацией в данной системе автоматического регулирования будут являться управляющие сигналы, поступающие на исполнительные механизмы. А также информация, поступающая с контроллера на системы визуализации или операторские станции. Так же как и входные данные, выходная информация должна быть представлена в унифицированном виде. В данной системе будет использован токовый сигнал 4..20мА. Информация, отправляемая на визуализацию должна содержать в себе данные о технологических параметрах, которые удобнее всего представить в виде трендов, на которых обслуживающий персонал сможет зарегистрировать отклонение действующего значения параметра от уставки, а также данные о внештатных ситуациях, таких как выход значения параметра за верхнюю или нижнюю границу, превышение скорости изменения сигнала, и т.д.

1.3 Технические требования к САУ

Система регулирования должна отвечать следующим основным требованиям:

• устойчивости;

• обеспечения необходимого качества регулирования;

• многофункциональности;

• обслуживаемости;

• способности к восстановлению после отказов;

• функционирования в непрерывном режиме с остановками на техническое обслуживание;

• система должна отвечать всем необходимым промышленным стандартам по безопасности эксплуатирования САУ.

В системе должна быть предусмотрена зашита информации от воздействия следующих факторов:

• аварий в системе электропитания и кратковременных резких изменений напряжения питания с помощью источников бесперебойного питания;

• несанкционированных действий пользователя путем программной защиты,

• хранения эталона ПО и нормативно-справочной информации на резервных носителях,

• периодического копирования информации на резервных носителях и сверке её с эталоном,

• своевременной замене эталона и его защите от несанкционированного доступа организационными мерами.

Комплекс технических средств должен состоять из типовых и унифицированных узлов и стандартных устройств, датчики и преобразователи информации должны иметь унифицированные выходные сигналы.

В системе должна быть предусмотрена возможность ручного ввода данных, характеризующих процесс.

Система должна являться открытой и допускать возможность функционального расширения с учетом перспектив развития и адаптации к изменяющимся технологическим условиям.

Прямые показатели качества объекта управления имеют следующие значения:

• Xст ? 0,7 кПа

• Xд ? 15 кПа

• tрег ? 520 c

1.4 Анализ известных вариантов САУ

Первый вариант системы был введен в эксплуатацию с момента постройки газо-распределительной станции, в 60х годах XX века (рисунок 3). Управление и контроль над технологическим процессом осуществлялся вручную, все сигналы с приборов, установленных «по месту» приходили на контрольный щит КИПиА. В системе использовались отсечные клапаны, что не давало возможности оперативно реагировать на задание по регулированию расхода газа.

Рис3. – Функциональная схема первого варианта САР

Таблица 1 – спецификация оборудования для первого варианта системы

Поз. Наименование Количество Примечание

1а Дифманометр 1шт

2а Манометр пневматический 1шт

3а ТСПТ-100 1шт

4а Пневматический регулятор ш4501 1шт

1б Прибор аналоговый А542 1шт

SQб Прибор контроля пневматический регистрирующий ПКР2 2шт

3б Прибор регистрирующий Диск-250 1шт

SQа Пневморегулятор отсечного клапана 2шт

Сигналы с датчиков поступают на вторичные преобразователи, расположенные на щите КИПиА в здании газораспределительной станции. Оператор следит за расходом, давлением и температурой газа по приборам установленным «по месту». Регулирование расхода газа производится в ручную с помощью управления отсечным клапаном, который может находиться в двух режимах: полностью открыт – максимальный расход азота; полностью закрыт.

Второй вариант системы (рисунок 4). В ходе реконструкции газораспределительной станции в 90х годах XX века было установлено новое оборудование, что позволило управлять технологическим процессом в автоматическом режиме, контролировать параметры посредствам плк и отображать ход процесса на АРМ оператора.

Рис.4 — Функциональная схема второго варианта САР

Таблица 2 – Спецификация оборудования для второго варианта системы

Поз. Наименование Количество Примечание

1а Вихревой расходомер-счетчик газа 1шт

2а Sitrans – P 1шт

3а ТСП 9201 1шт

4а Пневматический регулятор 1шт

1б ПЛК Siemens S7-200 1шт

SQ2 Пневморегулятор отсечного клапана 2шт

Принцип действия САР заключается в следующем: сигналы с датчиков, расположенных по месту и в шкафу КИПиА поступают в центральный программируемый логический контроллер (UYAIRС). ПЛК обрабатывает полученные сигналы, а так же вырабатывает сигналы, поступающие в систему визуализации, и отображаются в виде числовых значений на автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора. Оператор следит за значением температуры, давления и расхода газа. В зависимости от задания имеется возможность производить регулирование расхода газа с помощью управления положением отсечного клапана в автоматическом режиме.

2. Расчётная часть

2.1 Составление функциональной схемы САУ и выбор принципиальных схем элементов её неизменяемой части

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функциональную структуру и объем автоматизации агрегатов промышленного объекта.

При составлении функциональной схемы в первую очередь разрабатываются следующие основные вопросы:

• получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

• непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им;

• контроль и регистрация технологических параметров процесса и состояния технологического оборудования;

• стабилизация технологических параметров процесса.

Разработанная САР построена на базе предыдущего варианта системы. Основным отличием этого варианта является наличие регулирующего клапана. Функциональная схема разработанной САР представлена на рисунке 5.

Рис.5 — Функциональная схема разработанной САР

Таблица 3 – Спецификация оборудования для разрабатываемой системы

Поз. Наименование Количество Примечание

1а Sitrans – P500 DS III 1шт

2а Yokogawa EJA-130A 1шт

3а ТСМ Метран-203 1шт

4а Sipart PS2 1шт

1б ПЛК Siemens 416-2 1шт

SQ2 Пневморегулятор отсечного клапана 2шт

5а Регулирующий клапан КМР ЛГ 1шт

Принцип действия САР заключается в следующем: сигналы с датчиков установленных по месту и на щите автоматики поступают в программируемый логический контроллер (UYAIRС). Контроллер, в свою очередь вырабатывает управляющие сигналы для контроля параметров технологического процесса. Оператор имеет возможность в автоматическом режиме контролировать расход газа, задавать необходимые параметры для корректного протекания технологического процесса, а все остальные операции за него выполнит система автоматики, выставит в необходимое положение ИМ (позиционер) через РО (регулирующий клапан). Значения основных показателей работы газораспределительной станции выводятся на экраны мониторов системы визуализации в автоматическом режиме.

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

Для перехода к математической модели системы представим функциональную схему в более простом виде (рисунок 6).

Рис.6 – Упрощенная функциональная схема

В данной АСУ в качестве пульта управления (ПУ) используется персональный компьютер с установленной на нем системой визуализации WinCC, которая позволяет, как следить за технологическим процессом, так и вносить необходимые коррективы в работу САУ. Исполнительным механизмом (ИМ) в системе является электропневматический позиционер Sipart PS2, это позволяет с достаточной точностью отрабатывать сигнал, поступающий с контроллера. В качестве регулирующего органа (РО) используется регулирующий клапан КМР ЛГ. Объект регулирования (ОР) – это трубопровод с газом. Измерительными устройствами (ИУ) в системе является датчик расхода газа Sitrans P500 DS III, совместно с Annubar 3051SFA ProBar.

Функционирование схемы заключается в следующем: сигнал с датчиков температуры и давления поступает на контроллер. В ПЛК происходит сравнение полученных значений с заданными, и вычисляется расход азота, с помощью математической модели. В случае рассогласования контроллер вырабатывает управляющий сигнал на исполнительный механизм, который в свою очередь воздействует на регулирующий орган, тем самым изменяя положение регулирующего клапана. Таким образом, система приходит к требуемому состоянию.

2.3 Выбор измерительно-преобразовательных элементов

Для измерения избыточного давления азота используются измерительный преобразователь избыточного давления Yokogawa EJA-130A.

Для измерения используется датчик расхода давления Sitrans P500 серии DS III, совместно с расходомером Annubar 3095МFA Mass ProBar.

Измерительный преобразователь избыточного давления Yokogawa EJA-130A.

Для измерения давлений используются датчики давления Yokogawa двух моделей EJХ530A-DAS8N-019DF/QR и EJХ530A-DBS8N-019DF/QR, которые отличаются только диапазоном измерения.

Технические характеристики:

• Погрешность измерений ± 0,1% шкалы

• Стабильность измерения ± 0,1% от ВПИ (верхний предел измерения) в течение 1 года

• Пределы измерения (таблица 4)

Таблица 4 – Пределы измерения

Капсула Диапазон измерения, МПа Диапазон перенастройки шкалы, МПа

A -100…200 кПа 0-8…0-200 кПа

B -1…2 0-0,04…0-2

C -0,1…10 0-0,2…0-10

D -0,1…50 0-1…0-50

• Выходной сигнал

o 4…20 мА с функцией цифровой связи по BRAIN.

o Реле сигнализации (опционально)

o Выходной сигнал программно может быть задан линейным, v или произвольно сегментно линеризован.

• Время отклика 90 мсек

• Температура процесса -40…120 °С

• Температура окружающей среды

o -30…80 °С

• Питание 10,5…42 В постоянного тока

• Материал, контактирующий со средой

o нержавеющая сталь 316L SST

• Конструктивное исполнение:

o стандартное: IP67

• Внесен в ГОСРЕЕСТР

• Межпроверочный интервал — 5 лет.

Для измерения температуры используются термометры сопротивления медные фирмы «Метран» — ТСМ Метран-203. Они предназначены для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры.

Технические характеристики:

• Количество чувствительных элементов: 1, 2.

• Класс допуска: В или С.

• Схема соединений:

o 2-х, 3-х, 4-х-проводная — для одного чувствительного элемента;

o 2-х, 3-х-проводная — для двух чувствительных элементов.

• Диапазон измеряемых температур: -50…150°С (для класса допуска В), -50…180°С (для класса допуска С).

• Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65 по ГОСТ 14254.

• Масса: от 0,2 до 1,3 кг в зависимости от длины монтажной части.

• Климатическое исполнение: У1.1 по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от $45° до 60°С; Т3

• по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от $10° до 45°С с относительной влажностью до 98% при

• температуре 35°С.

• Поверка: не реже одного раза в 2 года.

• Средний срок службы: не менее 5 лет.

• Гарантийный срок эксплуатации: 18 месяцев с момента ввода в эксплуатацию.

Датчик расхода давления Sitrans P500 серии DS III

Измеряемая величина: избыточное давление агрессивных и не агрессивных газов, пара и жидкостей.

Интервалы измерения: 0,01 … 400 бар

Возможность параметрирования с помощью клавиш управления или через интерфейс PROFIBUS.

Обширная функциональность обеспечивающая точное согласование

измерительного преобразователя давления с потребностями установки.

1. Подключение к процессу 2. Табличка точки измерения3. Типовая табличка

4. Подвод с кабельным вводом 5. Пластиковая крышка для доступа к клавишам

управления 6. Съемная крышка со смотровым стеклом 7. Цифровой индикатор

8. Стопорный винт

Рис.7 — Sitrans P DS III, вид прибора спереди

Технические характеристики:

Вход

Измеряемая величина избыточное давление

Ном. диапазон измерения макс. доп. рабочее давление

• 1 бар 6 бар

• 4 бар 10 бар

• 16 бар 32бар

• 63 бар 100бар

• 160 бар 250 бар

• 400 бар 500 бар

Нижняя граница измерения

• изм. ячейка с наполнителем из силиконового масла 30 мбар абс.

Верхняя граница измерения 100 % от ном. диапазона измерения

(при измерении кислорода иинертной жидкости макс. 160 бар)

Выход цифровой сигнал PROFIBUS-PA

Физика шины IEC 61158-2

Точность измерения

Погрешность измерения ( включая гистерезис и повторяемость)

• линейная характеристика ? 0,075 %

Воздействие внешней температуры

• при -10 … +60 °C ? 0,3 %

• при -40…-10 °C и +60…+85 °C ? 0,25 % / 10 K

Условия использования

Класс защиты (по EN 60529) IP65

Температура измеряемого вещества

• измеряемая ячейка с силиконовым маслом -40 … +100 °C

• измеряемая ячейка с инертной жидкостью -20 … +100 °C

• в комбинации с пылевзрывозащитой -20 … +60 °C

Питание UH питание из шины

Отдельное напряжение питания 24 V не требуется

Напряжение шины

• не Ex 9 … 32 V

• в искробезопасном режиме 9 … 24 V

• главный ток (макс.) 12,5 мА

• макс. ток при ошибке 15,5 мА

На рисунке 8 приведен принцип работы электроники измерительного преобразователя избыточного давления Sitrans P DS III.

1. сенсор измерительной ячейки 2. измерительный усилитель 3. АЦП

4. микроконтроллер 5. разделение потенциалов 6. энергонезависимая память

7. интерфейс ProfiBus-PA 8. клавиши управления 9. цифровой индикатор

10. источник питания 11.соеженитель DP/PA для Link 12. шина Master

Pe – входная величина.

Рис 8. – принцип работы электроники измерительного преобразователя избыточного давления Sitrans P DS III

Расходомер Annubar 3051SFA ProBar представлен на рисунке 9.

Рис.9 — Annubar 3051SFA ProBar

Технические характеристики Annubar 3051SFA ProBar:

Опорная погрешность системы

• Составляет ±0.90% для измерения объемного расхода жидкостей

• Составляет ±1.4% для измерения объемного расхода газов и паров

Воспроизводимость ±0.1%

Перенастраиваемость диапазона 8 : 1

Размер трубопровода

Сенсор размера 1

• от 2 до 8 дюймов (от 50 до 200 мм)

Сенсор размера 2

• от 6 до 36 дюймов (от 150 до 900 мм)

Сенсор размера 3

• от 12 до 72 дюймов (от 300 до 1800 мм)

Обработка поверхности сенсора Annubar

Передняя поверхность сенсора Annubar специально текстурирована для задач с высокими числами Рейнольдса. Текстура обеспечивает турбулентность на передней поверхности сенсора. Увеличение турбулентности дает более предсказуемое и воспроизводимое разделение потока на краю сенсора.

Указанные характеристики определены в предположении

• Нестабильность плотности ± 2.2%

• Измерен внутренний диаметр трубопровода

• Электроника настроена на оптимальную точность

Температурный диапазон для электроники

Температура окружающей среды

• от -40 до 185°F (от -40 до 85°С)

• с интегральным ЖК дисплеем: от -4 до 175°F (от -20 до 80°С)

При хранении

• от -50 до 230°F (от -46 до 110°С)

• с интегральным ЖК дисплеем: от -40 до 185°F (от -40 до 85°С)

Диапазон давления(1)

Интегральный монтаж электроники

• До 600# ANSI (1440 psig при 100°F (99 бар при 38°С))

Выносный монтаж электроники

• До 2500# ANSI (6000 psig при 100°F (413 бар при 38°С))

Источник электропитания

Для аналогового датчика с выходом 4-20 мА

• Для работы датчика требуется внешний источник питания. Стандартный аналоговый датчик (4-20 мА) может работать при напряжении питания от 10.5 до 42.4 В для постоянного тока без внешней нагрузки.

Для датчика FOUNDATION Fieldbus

• Для работы датчика требуется внешний источник питания. Датчик может работать при напряжении питания на клеммах датчика от 9.0 до 32 В пост. тока.

Время прогрева

Заявленные характеристики обеспечиваются через 2.0 секунды после включения питания

Демпфирование

Время реакции аналогового выходного сигнала на ступенчатое изменение расхода устанавливается пользователем от 0 до 60 секунд. Запрограммированное значение демпфирования добавляется ко времени отклика модуля сенсора.

Ограничение нагрузки представлено на рисунке 10.

Максимальное сопротивление контура определяется напряжением используемого внешнего источника питания:

Rмакс =43.5?(Uисточника питания – 10.5)

Рис.10 – Ограничение нагрузки

Для коммуникации по протоколу HART требуется сопротивление контура не менее 250 Ом

Предел статического давления

• Диапазон 1А: Заявленные характеристики гарантируются при статическом давлении от 0.5 до 2000 psig (от 0.03 до 138 бар)

• Диапазоны 2А и 3А: Заявленные характеристики гарантируются при статическом давлении от 0.5 до 3626 psig (от 0.03 до 250 бар).

Для измерения температуры используются термометры сопротивления медные фирмы «Метран» — ТСМ Метран-203. Они предназначены для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры.

Технические характеристики:

• Количество чувствительных элементов: 1, 2.

• Класс допуска: В или С.

• Схема соединений:

o 2-х, 3-х, 4-х-проводная — для одного чувствительного элемента;

o 2-х, 3-х-проводная — для двух чувствительных элементов.

• Диапазон измеряемых температур: -50…150°С (для класса допуска В), -50…180°С (для класса допуска С).

• Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65 по ГОСТ 14254.

• Масса: от 0,2 до 1,3 кг в зависимости от длины монтажной части.

• Климатическое исполнение: У1.1 по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от $45° до 60°С; Т3

• по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от $10° до 45°С с относительной влажностью до 98% при

• температуре 35°С.

• Поверка: не реже одного раза в 2 года.

• Средний срок службы: не менее 5 лет.

• Гарантийный срок эксплуатации: 18 месяцев с момента ввода в эксплуатацию.

2.4 Выбор исполнительных устройств

В качестве исполнительного механизма используется пневмоэлектрический позиционер Sipart PS2, представленный на рисунке 11.

Рис.11 — Позиционер Sipart PS2

Электропневматические позиционеры SIPART PS2 применяются для регулировки позиции вентилей и клапанов на пневматических поступательных и поворотных приводах. Электропневматический позиционер устанавливает на приводе позицию вентиля, соответствующую заданной величине. Через дополнительные функциональные входы можно запустить блокировку или позицию безопасности клапана. Для этого в основном приборе имеется стандартный двоичный вход.

Особенности

Позиционеры SIPART PS2 отличаются от обычных приборов рядом решающих преимуществ, а именно:

• простой монтаж и автоматический ввод в эксплуатацию (автоматическая компенсация нулевой точки и интервала)

• простое управление

o управление на месте (ручной режим) и конфигурирование прибора через три клавиши управления и удобный, двухстрочный ЖК-дисплей

o программирование через SIMATIC PDM; очень высокое качество регулирования благодаря адаптации Online

• пренебрежительно малый расход воздуха в стационарном режиме

• функция «герметизации» (обеспечивает макс. перестановочное усилие на седле вентиля)

• множество функций может быть активировано простым конфигурированием ( например, характеристики и ограничения)

• обширные функции диагностики для вентиля или привода

• только один вариант прибора для поступательных и поворотных приводов

• не чувствительны к вибрациям благодаря малой подвижной массе

Позиционер SIPART PS2 является цифровым полевым прибором с микроконтроллером с высокой степенью интеграции.

Он состоит из следующих компонентов:

• корпус с крышкой

• печатная плата с соответствующей электроникой и коммуникацией через HART или с электроникой для коммуникации согласно

o спецификации PROFIBUS PA, IEC 61158-2; питание из шины, или

o спецификации Foundation Fieldbus (FF), IEC 61158-2, питание из шины

• система сбора информации о рабочем ходе исполнительного органа

• контактная площадка с винтовыми клеммами

• пневматический вентильный блок с предварительным пьезоуправлением вентилями.

Модуль Iy:

• позиционное квитирование в качестве двухпроводного сигнала 4 to 20 mA.

Модуль тревоги (3 выхода, 1 вход):

• сообщение двух предельных величин рабочего хода исполнительного органа или установочного угла через двоичные сигналы. Обе предельные величины могут устанавливаться независимо друг от друга в качестве максимальной или минимальной величины.

• сообщение о помехе, если в автоматическом режиме не достигается заданная позиция исполнительного органа и возникает помеха в работе прибора

• второй двоичный вход для сигналов сообщения или для включения реакций безопасности или для блокировки/функции сообщения позиции безопасности.

У ly -и у модуля тревоги, а также у SIA-модуля все сигналы сообщения гальванически отделены друг от друга и от основного прибора. Выходы оборудованы системой автоматический сигнализации ошибок.

Сигнализация предельного значения через сигнализаторы конечных положений (модуль SIA)

Посредством легко монтируемого модуля возможна дополнительная сигнализация двух предельных значений как сигнала NAMUR (DIN 19 234) с помощью сигнализаторов конечного положения. На модуле дополнительно установлен выход сигнализации неисправностей (см. модуль тревоги).

Корпус из нерж. стали (VA) для сложных внешних условий

Для использования в особо агрессивном окружении (например, оффшорный режим и хлорные установки) SIPART PS2 поставляется в корпусе из стали VA. Функциональность приборов идентична базовым приборам.

Раздельная установка системы сбора информации о рабочем ходе исполнительного органа и блока регулятора

С помощью SIPART PS2 со всеми вариантами корпуса может быть реализована раздельная установка системы сбора информации о рабочем ходе исполнительного органа и блока регулировки. При этом регистрация угла подачи или поворота осуществляется непосредственно на приводе. Блок регулятора в этом случае может быть установлен на некотором расстоянии, например, на монтажной трубе и т.п. и соединяется с системой сбора информации о рабочем ходе исполнительного органа через электрическое кабельное соединение, а с приводом через одну или две пневматические линии. Такая конечная установка часто имеет смысл в том случае, когда внешние условия на арматуре превышают предельные значения для позиционера.

• сенсор NCS

• внешняя система сбора информации о ходе исполнительного органа C73451-A430-D87

• обычный потенциометр (сопротивление 10 k?)

Функции

Электропневматический позиционер SIPART PS2 кардинально отличается от обычно работающих приборов.

Принцип работы

Сравнение заданной и действительной величин позиции привода осуществляется электронно в микроконтроллере. При фиксации микроконтроллером отклонения регулируемой величины он управляет пьезовентилями по методу 5-ти позиционного выключателя, через которые происходит дозировка воздуха в камеры пневматического привода.

В соответствии с величиной и направлением рассогласования (отклонение заданное значение w — управляющее воздействие x) микроконтроллер подает на соответствующий пьезовентиль электрическую управляющую команду. Пьезовентиль преобразует управляющую команду в пневматическое приращение управляющего воздействия.

При этом позиционер в зоне большого рассогласования (зона быстрого хода) подает непрерывный сигнал; в пределах зоны среднего рассогласования (зона меделенного хода) он подает последовательности импульсов, а в пределах зоны очень маленького рассогласования (адаптивная или настраиваемая мертвая зона) он не подает перестановочных импульсов.

Позиционер SIPART PS2 с помощью навесного блока для поступательных и поворотных приводов устанавливается на соответствующий пневматический привод.

Поступательные или поворотные движения исполнительного привода фиксируются навесным блоком и через вал и беззазорную зубчатую передачу передается на высококачественный потенциометр.

Угловая погрешность ползунка при установке на поступательные приводы автоматически исправляется.

При подсоединении в двухпроводную схему SIPART PS2 получает свою вспомогательную энергию из 4 до 20мА сигнала заданной величины. Также и в режиме с PROFIBUS (SIPART PS2 PA) электрическая подача вспомогательной энергии осуществляется через двухпроводный шинный сигнал. Это же относится и к варианту с Foundation Fieldbus.

Пневматический вентильный блок с предварительным пьезоуправлением вентилями

Пьезовентиль может подавать очень короткие перестановочные импульсы. Благодаря этому достигается высокая точность перестановки. Элементом предварительного управления является пьзопреобразователь, он включает главный пневматический блок управления. Вентильный блок характеризуется очень длительным сроком службы.

Управление на месте

Управление на месте осуществляется через встроенный ЖКД и три клавиши управления. Нажатием кнопки можно переключаться между автоматическим, ручным и режимом конфигурирования.

В ручном режиме возможна перестановка привода во всем диапазоне.

Управление и наблюдение с помощью коммуникационной программы SIMATIC PDM

Коммуникационное программное обеспечение SIMATIC PDM обеспечивает возможность удобного дистанционного управления и наблюдения через РС или ноутбук. Кроме этого с помощью этой программы можно конфигурировать позиционер. На основепроцессуальных и сравнительных данных вычисляются параметры, которые могут давать важные указания для технического обслуживания и диагностики ошибок всей арматуры.

Для коммуникации как через интерфейс HART, так и для PROFIBUS-PA-интерфейса поставляется программа SIMATIC PDM.

При работе SIPART PS2 через интерфейс HART подключение осуществляется через вставляемый в интерфейс PC-COM модем HART напрямую через 2-х проводный кабель на позиционер SIPART PS2. Необходимые для коммуникации по HART-протоколу сигналы накладываются на сигнал тока по частотно-коммутационному методу (Frequence Shift Keying, FSK).

Автоматический ввод в эксплуатацию

Благодаря простому меню конфигурирования возможно быстрое согласование SIPART PS2 с арматурой и компенсация через автоматическую функцию ввода в эксплуатацию.

При инициализации микроконтроллер вычисляет нулевую точку, конечную величину, направление действия и скорость перестановки привода. Исходя из этого он определяет минимальную длительность импульса и мертвую зону и тем самым оптимизирует регулирование.

Обширные диагностические функции

SIPART PS2 (6DR5…) имеет различные функции контроля, благодяря чему возможна регистрация и сигнализация изменений на приводе и вентиле в том случае, когда они выходят за устанавливаемую предельную величину. Эта информация может содержать важные указания по диагностике привода и вентиля. К получаемым и контролируемым параметрам измерения, предельные величины которых могут частично устанавливаться, среди прочего относятся:

• интеграл работы

• количество смены направлений

• счетчик тревог

• адаптивная мертвая зона

• конечная упорная позиция вентиля (например, износ седла вентиля)

• часы эксплуатации (также и по температурным и установочным диапазонам), а также мин/макс. температура

• циклы коммутации пьезовентилей

• время установки вентиля

• негерметичности привода

Конфигурирование

Для позиционера SIPART PS2 в режиме конфигурирования при необходимости, например, могут быть структурированы следующие установки:

• диапазон входного тока 0 до 20 мА или 4 до 20 мА

• растущая или падающая характеристика на входе заданного значения

• ограничение скорости перестановки (рампа заданного значения)

• режим Split-range; возможность установки начального и конечного значения

• порог срабатывания (мертвая зона); адаптивная или фиксированная

• направление действия; растущее или падающее выходное давление при растущем заданном значении

• пределы (начальное и конечное значение) диапазона регулирования

• предельные значения (тревоги) позиции исполнительного элемента; мин. и макс. значение

• автоматическая герметизация (с устанавливаемым порогом срабатывания)

• согласование хода в соответствии с характеристикой вентиля

• функция двоичных входов

функция выхода сигнализации ошибок и т.п.

На рисунке 12 приведена схема работы электропневматического позиционера.

Рис. 12 — схема работы электропневматического позиционера

Вместо старого отсечного клапана будем использовать клапан малогабаритныq регулирующий КМР (рисунок 13).

Рис.13 — клапан регулирующий КМР

Основные черты

• Упругое металлическое уплотнение, образующееся под действием момента, обеспечивает полную герметичность в соответствии с API 598 и/или API 6D.

• Четвертьоборотная конструкция с отсутствием трения достигается геометрией

тройного смещения, которая полностью устраняет любое трение седла об уплотнение при повороте диска на 90 градусов.

• Наличие встроенного седла с защитным покрытием Stellite® в стандартном исполнении позволяет применять заслонку в широком диапазоне применений, продлить срок ее эксплуатации и снизить время на обслуживание.

• Цельный литой корпус с межфланцевым расстоянием в соответствии с ISO 5752,

API 609 и ASME B16.10 обеспечивает взаимозаменяемость с шиберными затворами, шаровыми и пробковыми кранами.

• Полностью металлическая конструкция и уплотнения, а также полная герметичность делают эту заслонку пожаробезопасной.

• Длинные закаленные подшипники, имеющие в стандартном исполнении усиленные, штампованные, гибкие, съемные, графитовые протекторы обеспечивают дополнительную надежность.

• Встроенные указатели положения на штоке и на верхнем фланце обеспечивают точное отображение положение диска в соответствии с API 609.

• Встроенные индикаторы положения на штоке и фланец с верхней установкой,

обеспечивают верное отображение положения диска.

Технические характеристики

Стандарты конструкции : ASME B16.34, API 609, DIN 3840

Отверстия фланцев : ASME B16.5, ASME B16.47, ISO 7005, DIN 2501

Размеры (мм) : 80 to 2800 (3” to 112”)

Фланцы : ISO 5752, EN 558, ASME B16.10, API 609

Температурный диапазон : от -254°C до + 815°C

Общее применение

Клапан КМР нашел успешное применение в следующих промышленностях: нефтегазовая, платформы на морском шельфе, нефтеперерабатывающие заводы, нефтяные базы и транспорт нефтепродуктов, хранилища и перевозка сжиженного природного газа, химические и нефтехимические заводы, электростанции, районные котельные, целлюлозно-бумажная промышленность, металлургические заводы, сахарные заводы. Помимо этого регулирующий клапан имеет длительный опыт в установке клапанов для применения со следующими средами: пар (насыщенный и сухой), геотермальный пар, углеводороды, водород, кислород, криогенные жидкости, горячие газы, сера (отходящие газы), химические растворители, хлорированные растворители, факельный газ.

Данный клапан будет работать совместно с электропневматическим позиционером. Ниже приведена схема совместной работы (рисунок 15).

Рис15. — схема совместной работы регулирующего клапана и электропневматического позиционера

Метод работы

Интеллектуальный позиционер и пневматический исполнительный механизм 2 образуют контур управления со значением уставки w (с ведущего контроллера или системы управления), выходным давлением y и положением x исполнительного механизма на клапане 3.

Шина

Версия Fieldbus

Рис.16 – схема управления АСР.

2.5 Математическое описание САУ и выбор автоматического управляющего устройства

2.5.1 Определение математической модели объекта

Объект управления на структурной схеме САУ представляется в виде соединения двух звеньев: апериодического и звена чистого запаздывания (рисунок 17).

Рис.17 – Структурная схема объекта управления

Кривой разгона ОР называется кривая изменения во времени выходной величины в переходном процессе вызванным однократным изменением входной величины. Кривая разгона объекта управления взята из технической литературы [1] и представлена на рисунке 17 и 17.1

Рис.18 – Кривая разгона ОР

Рис.17.1 — Кривая разгона объекта регулирования

• Кo =2,4

• ?з = 11,6 с

Подставив динамические параметры в структурную схему объекта управления получим математическую модель ОУ(рисунок 18):

Рис.18 – Математическая модель объекта управления

2.5.2 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ представляется в виде соединения трех звеньев (рисунок 19).

Рис.19 – Структурная схема автоматического регулятора

Усилительное звено показывает коэффициент усиления Кр, который для разрабатываемой системы имеет следующее значение:

Исполнительным механизмом в автоматизированной системе управления является электропневматический позиционер Sipart PS2, передаточная функция которого имеет следующий вид:

Закон регулирования для ПИ регулятора в общем виде описывается следующим выражением:

Ти = 0,7*Т0

Ти = 92,96 с.

Подставив значения закон регулирования примет следующий вид:

2.5.3 Выбор закона автоматического управления в общем виде

Максимальный, в условиях эксплуатаций коэффициент передачи объекта

управления

Кo =2,4

Постоянную времени объекта управления

Т0=132,8 с

Запаздывание

?з=11,6 с

Величину максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе

эксплуатаций объекта управления

ув=15%

Основные показатели качества переходного процесса

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины

ХД < 15 кПа

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

Хст < 0,7 кПа

Допустимое время регулирования

tрег < 520 c

По этим величинам рассчитываем следующее

Величину, обратную относительному времени запаздывания находим по формуле

подставив значения, получим

Допустимое относительное время регулирования находим по формуле

Допустимый динамический коэффициент регулирования находим по формуле

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины находим по формуле

подставив в эту формулу значения, получим

выразим эту величину в процентах:

Большинство автоматизированных металлургических процессов в САУ с регулятором непрерывного действия протекают успешно, если в системе имеет место один из треx типовых процессов регулирования:

— Апериодический

— С 20% перерегулированием

— С min интегральной квадратичной ошибкой

По значению tз/T0 выбираем тип регулятора.

Значению = 0,048 соответствует релейный тип регулятора

Так как показатель колебательности М принадлежит промежутку 1.3<М<1.8, то выбираем процесс с 20% перерегулированием.

Рис.20 – Динамические коэффициенты регулирования на статических объектах при 20% перерегулировании.

1 – И-регулятор;

2 – П-регулятор;

3 – ПИ-регулятор;

4 – ПИД-регулятор.

Пользуясь графиком зависимости от ?з/Т0 (рисунок 21) при выбранном оптимальном процессе, определяем, что 0,806 при 1/Z0=0,048 могут обеспечить И, П, ПИ, ПИД – регуляторы.

Рис.21 – Остаточное отклонение на статических объектах:

1 – апериодический процесс;

2 – процесс с 20%-ным перерегулированием;

3 – процесс с min .

?xст=0,15 oC

По значению определяю величину фактического остаточного отклонения:

Подставив значения, получим

xст= 0,15*2,4*15=5,4oC

Так как допустимое значение , следовательно П-регулятор не подходит.

Рис.22 – Проверка регуляторов по времени регулирования

1 – И-регулятор;

2 – П-регулятор;

3 – ПИ-регулятор;

4 – ПИД-регулятор.

Определим, каким будет время регулирования для ПИ-регулятора. Оно должно быть меньше (tрег)доп.

(tрег)доп = 520 с

Для определения tр воспользуемся графиком зависимости tрег/? = f(?/t) (рисунок 6) для процесса с 20% перерегулированием

tрег = 12*11,6=139,2 с

tрег < (tрег)доп следовательно, процесс с 20% перерегулированием может быть реализован в САУ ПИ-регулятором.

Приближенное определение настроек регулятора произведем по следующим

формулам

Коэффициент усиления регулятора найдем по формуле

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле

Ти = 0,7*Т0 (10)

Ти = 92,96 с.

2.5.4 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

Основным устройством любой системы автоматического управления является управляющее устройство. В разработанной системе в качестве управляющего устройства используется программируемый логический контроллер (ПЛК). Выбор контроллера осуществляется на основе тех задач, которые будут решаться с помощью разработанной системы.

Для автоматизированной системы аммиачной установки будем использовать контроллер фирмы Siemens. Выбор контроллера данной фирмы обусловлен полной совместимостью с остальным оборудованием в системе. Фирма Siemens выпускает контроллеры различных серий, но основные используемые это контроллеры серий S7-200, S7-300, S7-400.

Эта система относится к среднему классу сложности, но из-за того, что система в будущем будет расширена, то контроллеры S7-200 и S7-300 не подойдут, так как не будет обеспечена должная работоспособность системы.

Контроллеры серии S7-400 являются достаточно мощными и используются для систем выполняющих задачи высокой сложности, имеющих несколько контуров управления и требующих очень высокой производительности.

Особенности:

• модульный программируемый контроллер для решения сложных задач автоматического управления;

• широкий спектр модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи;

• использование распределенных структур ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации;

• «горячая» замена модулей;

• удобная конструкция и работа с естественным охлаждением;

• свободное наращивание функциональных возможностей при модернизации системы управления;

• высокая мощность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

2.5.5 Определение математической модели САУ, исследованные на устойчивость

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления и автоматического регулятора определенным образом взаимодействующих друг с другом.

Структурная схема САУ изображена на рисунке 23.

Рис.23 – Структурная схема САУ

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид

(11)

(12)

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид

(13)

Подставим значения

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид

(14)

Подставим значения

Передаточная функция замкнутой САР представлена на рисунке 25.

Рис.24 – Структурная схема САР

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид

(15)

Подставим значения

Основным назначением автоматической системы регулирования является поддержание заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону. При отклонении в данный момент времени регулируемого параметра от заданного значения, что может произойти или в результате появления возмущающих воздействии на систему или при изменении заданного значения регулируемой величины, автоматический регулятор воздействует на систему таким образом, чтобы ликвидировать это отклонение. В системе возникает переходный процесс, определяемый её динамическими свойствами.

Если после окончания переходного процесса система снова приходит в первоначальное или в другое равновесное состояние, то такую систему называют устойчивой.

Если при тех же условиях или возникают со все возрастающей амплитудой, или происходит монотонное увеличение отклонения регулируемой величины от её заданного значения, то систему называют неустойчивой.

Для того, чтобы определить, устойчива или неустойчива система, необходимо изучить её поведение при малых отклонениях от равновесного состояния.

Если при этом система стремиться вернуться к равновесному состоянию, то она устойчива. Если в системе возникают силы, которые стремятся увеличить отклонение системы от равновесного состояния, система неустойчива.

Системы в которых одной и той же входной величине(воздействию, выводящему систему из равновесного состояния) соответствует множество значений выходной величины, называют нейтрально-устойчивыми.

Различают 2 вида устойчивости систем:

1) устойчивость в малом.

2) устойчивость в большом.

Система устойчива в малом, если она устойчива при определенных значениях параметров и условии работы системы, т.е. такая устойчивость оценивается с помощью линейных дифференциальных уравнений.

Система устойчива в большом это устойчивость без ограничений. Устойчивость определяется по нелинейным дифференциальным уравнениям.

Математически устойчивость системы можно описать следующим образом:

где – переходный процесс системы.

– собственные колебания системы.

– вынужденные колебания системы.

Системы будет устойчива, если после снятия возмущающего воздействия собственные колебания системы стремятся к нулю, т.е.

C помощью критериев устойчивости можно судить об устойчивости системы непосредственно по коэффициентам характеристического уравнения без вычисления его корней.

Частотные критерии в большинстве случаев используются в качестве графоаналитических критериев.

Отличительной чертой большинства частотных критериев является то, что они позволяют судить об устойчивости замкнутой системы по частотным характеристикам замкнутой системы.

Так как устойчивость системы можно оценить с помощью линейных дифференциальных уравнений русский учёный Ляпунов вывел теоремы устойчивости системы на основании корней характеристического уравнения.

Теоремы Ляпунова:

1) Если все корни характеристического уравнения имеют отрицательную действительную часть, т.е. расположены в левой части комплексной полуплоскости, то система будет устойчивая.

2) Если хотя бы один из корней характеристического уравнения имеет положительную действительную часть, т.е. находиться в правой полуплоскости, то система будет неустойчивая.

3) Если хотя бы один из корней имеет действительную часть равную нулю, то система находиться на грани устойчивости.

Необходимым условием устойчивости системы является требование, заключающееся в том, чтобы все коэффициенты ее характеристического уравнения были положительными. Это условие является необходимым, но недостаточным. Уже для системы выше второго порядка только положительность коэффициентов еще не гарантирует устойчивость системы. Необходимые и достаточные условия устойчивости системы определяются с помощью критерия устойчивости Рауса-Гурвица, критерия Михайлова и амплитудно-фазного критерия Найквиста.

Критерий Михайлова

Критерий устойчивости основан на связи между характером переходного процесса, возникающего при нарушении равновесия системы, и амплитудой и фазой вынужденных выходных колебаний, которые возникают под воздействием гармонического входного сигнала.

Для определения устойчивости по Михайлову необходимо в характеристическом уравнении замкнутой системы заменить оператор на и тогда получим следующую функцию:

Все слагаемые этой функции, содержащие в четной степени, будут являться действительной частью характеристического уравнения, а слагаемые нечетной степени – мнимой частью.

Если изменять частоту ? от 0 до +?, то вектор А(j?) опишет на комплексной плоскости кривую, которая называется годографом Михайлова.

Для того чтобы автоматическая система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части действительной оси, при изменении частоты от 0 до +?, обходил против часовой стрелки n-квадрантов, поворачиваясь на угол n*?/2 не обращаясь в нуль, где n-степень характеристического уравнения.

Для построения годографа Михайлова необходимо из передаточной функции замкнутой системы выделить характеристическое уравнение. Передаточная функция замкнутой системы определяется по следующему уравнения:

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид:

Заменив в левой части характеристического уравнения на и выделив действительную и мнимую части, получим для комплексной частотной характеристической функции Михайлова следующее выражение:

После приведения подобных членов получим:

) (16)

(17)

Действительная часть характеристического уравнения:

Мнимая часть характеристического уравнения:

В компьютер подставляем следующие значения.

Результаты расчета сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Результаты вычислений

? Re(?) Im(?)

0 10,2 0

0,000 10,19996 0,084565

0,006 10,07386 4,720754

0,008 9,975615 6,131324

0,010 9,849136 7,458246

0,015 9,408504 10,40118

0,020 8,787794 12,79336

0,025 7,98319 14,61502

0,030 6,989805 15,84660

0,040 4,411847 16,46275

0,050 0,99387 14,49188

0,060 -3,34030 9,790990

0,070 -8,68222 2,225656

0,080 -15,137 -8,32843

Рис.25 — Годограф Михайлова

Вывод:

Данная система автоматического регулирования будет устойчива, так как

годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части вещественной

оси при изменении частоты ? от 0 до +?, обходит против часовой стрелки 3

квадранта, поворачиваясь на угол 3?/2 не обращаясь в нуль.

Критерий Найквиста

Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой автоматической системы управления по расположению АФК разомкнутой системы.

Устойчивость системы по Найквисту определяется на оснований АФК разомкнутой системы.

Если разомкнутая система устойчива, то для её устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, что бы АФК разомкнутой системы не охватывало критическую точку с координатами [-1;j0].

Если разомкнутая система не устойчива, то для её устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, что бы АФК разомкнутой системы охватывало критическую точку с координатами [-1;j0] против часовой стрелки К/2 раз, где К – число корней правой полуплоскости. Устойчивость разомкнутой системы определяется на основании характеристического уравнения разомкнутой системы Ляпунова или Рауса-Гурвица.

Расчет действительной Re(?) и мнимой Im(?) части для построения АФК производил на компьютере. Результаты вычислений сведены в таблицу 5.

Согласно формуле:

(18)

Заменим оператор р на j?:

Пусть

Тогда

-действительная часть АФК разомкнутой системы

— мнимая часть АФК разомкнутой

системы

В компьютер подставляем следующие значения

Таблица 6. Результаты вычислений

? Re(?) Im(?)

0,06 -0,956 -1,385

0,07 -0,912 -1,112

0,08 -0,875 -0,900

0,09 -0,842 -0,729

0,1 -0,810 -0,586

0,12 -0,748 -0,362

0,15 -0,650 -0,121

0,17 -0,582 -0,004

0,2 -0,475 0,128

0,25 -0,295 0,254

0,3 -0,128 0,293

0,35 0,010 0,270

0,4 0,108 0,206

0,45 0,163 0,122

0,5 0,176 0,035

0,52 0,171 0,003

График АФК разомкнутой системы изображен на рисунке 25.

Рис.25 — АФК разомкнутой системы.

По графику АФК определяем запас устойчивости по модулю и по фазе. Запас устойчивости по фазе (?) должен укладываться в промежуток . Запас устойчивости по модулю (?Н) должен находиться в рамках 0,4-0,6.

По графику получаем следующие значения

?Н= 0,55

Вывод: Система автоматического управления с ПИ регулятором устойчива, так как АФК разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами [-1;j0] и имеет запас устойчивости, как по модулю, так и по фазе.

2.5.6 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

В данной системе используется программируемый логический контроллер фирмы Siemens — S7–400. В его состав входят:

• модуль ЦПУ S7 416-2

Такой модуль ЦПУ применяется для построения сложных систем автоматического управления со сложным алгоритмом обработки информации и интенсивным сетевым обменом данными. Сравнительная характеристика модулей ЦПУ серии S7–400 представлена в таблице 7.

Таблица 7 – Сравнительная характеристика модулей ЦПУ

• сигнальные модули SM331- 7KF02

Модули ввода(таблица 8) предназначены для приема аналоговых сигналов от датчиков

Таблица 8 – Сравнение модулей ввода аналоговых сигналов

SM332-5HF00

Модули вывода(таблица 9) предназначены для выдачи управляющего на исполнительный механизм

Таблица 9 – Сравнение модулей вывода аналоговых сигналов

• коммуникационные модули

Программируемые контроллеры Simatic S7-400 обладают мощными коммуникационными возможностями и способны работать в промышленных сетях Industrial Ethernet, Profibus, AS-Interface, поддерживать соединения через последовательные каналы связи на основе интерфейсов RS 232C, RS 422/485. Коммуникационные модули применяются для получения необходимого количества коммуникационных каналов. Большинство коммуникационных модулей оснащено встроенным микропроцессором и буферной памятью, что позволяет выполнять автономную обработку коммуникационных задач с минимальной нагрузкой ЦП контроллера.

CP443-1 Предназначен для подключения к сети Industrial Ethernet.

CP443-5 Предназначен для подключения к сети Profibus DP.

• станции распределенной периферии ET200M

SIMATIC ET 200M – это многофункциональная станция распределенного ввода-вывода, позволяющая использовать в своем составе сигнальные, функциональные и коммуникационные модули программируемого контроллера SIMATIC S7-300. Она может комплектоваться интерфейсными модулями для подключения к промышленным сетям PROFIBUS DP или PROFINET IO.

В сети PROFIBUS DP станция ET 200M выполняет функции стандартного ведомого DP устройства. Она способна поддерживать обмен данными с ведущим DP устройством со скоростью до 12 Мбит/с. В сети PROFINET IO ET 200M выполняет функции устройства ввода-вывода и способна поддерживать обмен данными с контроллером ввода-вывода со скоростью 10/100 Мбит/с.

В системах с ведущими сетевыми устройствами в виде программируемых контроллеров S7-300/ S7-400/ WinAC конфигурирование и обслуживание входов и выходов систем локального и распределенного ввода-вывода выполняется одними и теми же способами.

В таблице 10 представлена спецификация установленного оборудования.

Таблица 10 – Спецификация установленного оборудования

Наименование оборудования Кол-во, шт.

Расходомер Annubar 3051SFA ProBar 1

Sitrans-P500 DS III 1

Yokogawa EJA-130A 1

Электропневматический позиционер Sipart PS2 1

ТСМ Метран-203 1

Регулирующий клапан КМР 1

ПЛК S7-400 1

2.6 Требования, предъявляемые к ПО АСУ ТПиП

ПО (программное обеспечение, далее ПО) должно базироваться на международных стандартах и отвечать следующим принципам:

• модульность построения всех составляющих;

• иерархичность собственно ПО и данных;

• эффективность (минимальные затраты ресурсов на создание и обслуживание ПО);

• простота интеграции (возможность расширения и модификации);

• гибкость (возможность внесения изменений и перенастройки);

• надежность (соответствие заданному алгоритму, отсутствие ложных действий), защита от несанкционированного доступа и разрушения как программ, так и данных;

• живучесть (выполнение возложенных функций в полном или частичном объемах при сбоях и отказах, восстановление после сбоев);

• унификация решений;

• простота и наглядность состава, структуры и исходных текстов программ.

Необходимо предусмотреть разделение ПО на базовое (фирменное), поставляемое разработчиком ПТК (программно-технический комплекс, далее ПТК), и прикладное (пользовательское), которое может разрабатываться как поставщиком ПТК, так и разработчиком АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом, далее АСУ ТП).

Должны быть предусмотрены меры по защите информации и недопущению внесения изменений в базовое ПО без привлечения разработчика ПТК. Должна иметься возможность задания паролей и установления границ санкционированного доступа при внесении изменений в прикладное ПО АСУ ТП. Фирменное ПО должно сопровождаться эксплуатационной документацией.

Программно-технические комплексы АСУ ТП совместно с другими техническими средствами, в состав которых могут входить и другие программные средства, должны способствовать:

• обеспечению эффективного управления процессами работы САР (система автоматического регулирования, далее САР);

• повышению безопасности работы автоматизируемого оборудования (систем автоматики, или отдельных технологических систем);

• эффективному управлению параметрами автоматизируемого оборудования;

• эффективному управлению экономичностью автоматизируемого оборудования;

• повышению надежности работы автоматизируемого оборудования;

• обеспечению эффективного участия автоматизируемого оборудования в управлении параметрами режима САР;

• повышению комфортности работы оперативного и обслуживающего персонала;

• информационному обеспечению производственно-технической деятельности эксплуатационного персонала;

• объективной оценке эффективности использования оборудования САР и действий персонала.

2.6.1 Требования к базовому(фирменному) программному обеспечению

Базовое ПО подразделяется на системное ПО и ПО инструментальных средств разработки, отладки и документирования САПР (система автоматизированного проектирования и разработки, далее САПР).

Системное ПО включает в себя:

• стандартные операционные системы;

• пакеты программной поддержки обмена данными;

• системы управления локальными и распределенными базами данных.

Программное обеспечение инструментальных средств разработки, отладки и документирования включает в себя:

• средства настройки базового ПО, диагностики и самодиагностики работоспособности ПТК;

• средства создания и отладки прикладного ПО.

Программное обеспечение инструментальных средств разработки, отладки, документирования и проектирования АСУ ТП (только в части ПТК) является неотъемлемой частью ПО ПТК. Инструментальные средства должны базироваться на действующих стандартах и обеспечивать решение наиболее сложных вопросов, связанных с автоматизацией процессов создания АСУ ТП и прикладных программ: прием и обработка сигналов, организация автоматического управления исполнительными устройствами, визуализация измеренных величин (в том числе в виде графиков, гистограмм и т.п.), ведение архивов и генерации отчетов. Результатом проектирования должны быть компоненты системы управления, полностью готовые к запуску.

Инструментальные средства должны, как правило, совмещать в себе функции разработки и тестирования.

Инструментальное ПО должно включать следующие программные средства:

• компоновки и генерации технических и программных средств ПТК;

• библиотеку программных модулей стандартных алгоритмов сбора и обработки технологической информации, управления, регулирования и технологических защит;

• автоматизированного формирования исполняемых программных модулей на основе технологических заданий, представленных в виде БД (база данных, далее БД) и технологических алгоритмов, разработанных с использованием технологических языков и библиотеки стандартных алгоритмов;

• пакеты программ создания фрагментов и их отдельных элементов;

• организации и обслуживания баз данных;

• проведения самодиагностики и тестирования аппаратуры и программного обеспечения;

• разработки и включения в состав математического обеспечения ПТК и АСУ ТП программ, написанных на универсальных языках программирования;

• средства разработки ПО (редакторы, линкеры, отладчики, трансляторы и т.п.);

• средства автоматизированного проектирования ПТК в составе АСУ ТП, включая средства автоматизированного распределения и расположения модулей УСО в контроллерах и распределения входных-выходных каналов ПТК по контроллерным шкафам и их клеммникам.

Комплект инструментального ПО должен содержать также следующий набор программ:

• редактор схем логического управления и технологических защит;

• редактор схем автоматического регулирования и программного управления;

• редактор видеограмм;

• редактор проектной документации на ПТК.

Инструментальные средства предназначены для максимального упрощения и облегчения процесса разработки и проектирования ПТК и АСУ ТП в целом.

Инструментальные средства, помимо перечисленных выше, должны также включать средства контроля и диагностики функционирования ПТК, а также его коррекции, модернизации и наладки на объекте.

Прикладное (пользовательское) программное обеспечение должно обеспечивать реализацию ПТК всех функций управления и обработки информации, включенных в техническое задание на конкретную АСУ ТП.

Все типовые задачи, оговоренные в настоящих ОТТ (общие технические требования, далее ОТТ), связанные со сбором, обработкой, передачей, хранением и представлением информации, а также с выдачей управляющих воздействий и информации на исполнительные и другие внешние устройства, должны программироваться на технологических языках или с помощью других программных средств, не требующих знаний в области применения универсальных языков программирования.

Должна предусматриваться возможность сохранения исходных пользовательских программ на магнитных носителях и при необходимости загрузки пользовательских программ через интерфейсные каналы в память контроллеров. Аналогичная возможность должна предусматриваться и для программного обеспечения верхнего уровня ПТК.

Должна предусматриваться (в случае необходимости) возможность подготовки, изменения или коррекции (в допустимых пределах, предусмотренных при создании АСУ ТП) пользовательских программ в процессе работы ПТК в составе АСУ ТП и технологического оборудования. При этом, как правило, должна быть исключена необходимость привлечения разработчиков или профессиональных программистов. Корректировка отдельных программ должна быть локальной и не должна требовать вмешательства в остальные программы. [2]

2.6.2 Требование и характеристика используемого системного ПО

В качестве базового ПО выбрано ПО фирмы Siemens SIMATIC Step7, так как объект

модернизации с точки зрения АСУ входит в одну единую систему управления ТП и находится под управлением ПЛК (программируемый логический контролер, далее ПЛК) фирмы SIEMENS S7-400, реализующего процесс управления различных подсистем. Для визуализации технологического процесса используется программный продукт фирмы SIEMENS Simatic WinCC Flexible.

STEP 7 – это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для конфигурирования аппаратуры и промышленных сетей, настройки параметров, программирования, диагностики и обслуживания систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7-300/S7-400/C7/WinAC. С помощью этой программы выполняется комплекс работ по созданию и обслуживанию систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров Simatic S7-300 и Simatic S7-400 фирмы Siemens. В первую очередь это работы по программированию контроллеров. Программируемый логический контроллер, ПЛК — это микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности. Принцип работы ПЛК заключается в обработке по прикладной программе пользователя данных с модулей входов (например, сигналов от подключенных датчиков) и последующей выдачей управляющих сигналов, посредством модулей выходов и модулей связи, обеспечивающих подключение исполнительных устройств. В основе работы лежит концепция проекта, под которым понимается комплексное решение задачи автоматизации, включая несколько взаимосвязанных контроллеров на базе физических микроконтроллеров, соединяющие их сети и системы человеко-машинного интерфейса. Работу с проектом в целом обеспечивает главная утилита Step 7 — Simatic Manager. Step 7 позволяет производить конфигурирование программируемых логических контроллеров и сетей (утилиты HWConfig и NetPro). В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование, что по сущности является настройкой оборудования. Утилиты конфигурирования позволяют осуществлять диагностику оборудования, обнаруживать аппаратные ошибки или неправильный монтаж оборудования. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на трех языках:

• LAD — язык релейно-контактной логики;

• FBD — язык функциональных блочных диаграмм;

• STL — язык списка инструкций.

В дополнение к трем основным языкам могут быть добавлены четыре дополнительные языка, поставляемые отдельно:

• SCL — структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

• GRAPH 7 — язык управления последовательными технологическими процессами;

• HiGraph 7 — язык управления на основе графа состояний системы;

• CFC — постоянные функциональные схемы. [3]

Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только отладку программного обеспечения, но и поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики.

При необходимости STEP 7 может дополняться инструментальными средствами проектирования, значительно упрощающими разработку сложных проектов. Для подключения программируемых контроллеров компьютер должен быть оснащен MPI картой (CP5611 или CP 5512), PC/MPI или USB/MPI адаптером и соединительным кабелем. STEP 7 содержит полный спектр инструментальных средств, необходимых для выполнения всех этапов разработки проекта, а также последующей эксплуатации системы управления:

• SIMATIC Manager — ядро пакета STEP 7, позволяющий выполнять управление всеми составными частями проекта, осуществлять быстрый поиск необходимых компонентов, производить запуск необходимых инструментальных средств;

• Symbol Editor — программа задания символьных имен, типов данных, ввода комментариев для глобальных переменных. Символьные имена доступны во всех приложениях;

• Hardware Configuration — для программного конфигурирования аппаратуры системы автоматизации и настройки параметров всех модулей. Выполняется автоматическая проверка корректности всех вводимых данных;

• Communication — для задания управляемой по времени циклической передачи данных между компонентами автоматизации через MPI или для событийно управляемой передачи данных через MPI, PROFIBUS или Industrial Ethernet;

• System diagnosis — предоставляет пользователю обзор состояния контроллера;

• Information functions — для быстрого обзора данных CPU и поведения написанной пользователем программы;

Системные требования для программного пакета SIMATIC Step7 представлены в таблице 11.

Таблица 11 – Системные требования SIMATIC Step7

Параметр Значение

Процессор

§ минимальный Pentium 4, 1,7ГГц, или совместимый

§ рекомендуемый Core 2 Duo, 2 ГГц, или совместимый

Объем ОЗУ

§ минимальный 1 Гб

§ рекомендуемый 2 Гб

Разрешение экрана:

§ минимальное 1024 ? 768 точек

§ рекомендуемое 1280 ? 1024 точек

Simatic WinCC Flexible — программное обеспечение для создания человеко-

машинного интерфейса, составная часть семейства систем автоматизации Simatic, производимых компанией Siemens AG.

Предназначено для решения комплекса задач человеко-машинного интерфейса: от разработки проекта отдельно взятой панели оператора до разработки мощных систем человеко-машинного интерфейса с архитектурой клиент/сервер. Оно объединяет в себе простоту работы с пакетом Simatic ProTool и широкие функциональные возможности Simatic WinCC.

Основные возможности WinCC

Визуализация техпроцесса (Graphic Designer) Визуализация через соответствующую Windows рабочую оболочку построена на параметрировании графических объектов, проектировании графических структур:

• Численные и алфавитно-цифровые поля ввода / вывода

• Статическое отображение текста и графики, векторная графика

• Динамическая графика из символьной библиотеки HMI

• Графика прямых, кривых линий; функция увеличения

• Зависимые от сигнала текстовые списки и списки графики

• Кнопки и выключатели для обслуживания процесса

• Редактируемые поля для значений процесса (сигналов)

• Аналоговое отображение, регуляторы

• Проектируемые композиции из основных объектов системы

• Графика стандартных форматов, например, BMP, JPEG, WMF

Тревоги и сообщения

• Сообщения от битов и аналоговых сигналов, а также телеграмма тревоги от Simatic S7

• Свободно определяемые классы сообщений для квитирования и отображения

Архивное хранение сообщений и значений процесса

• Архивное хранение в файлах CSV или ODBC базах данных

• Онлайн-оценка архивов по графикам кривых

• Оценка архивов сообщений через стандартные средства MS

Рецепты

• Создание и управление наборами данных для машин или производств

• Отображение набора данных через конфигурируемый графический объект

• Передача наборов данных к управлению

• Импорт и экспорт файлов CSV

Документация данных процесса

• Управляемая по времени или буферизованная выдача сообщения

• Свободный формат

Ориентированная на пользователя защита доступа

• Идентификация через определение пользователя и пароль

• Определенные групповые права пользователей

Открытая коммуникация между системами HMI

• OPC-Server

• Sm@rtAccess для коммуникации между системами HMI на основе Ethernet сетей через Intranet/Internet

Программа для ПЛК создается в Редакторе программ Simatic Manager Step7. Она может состоять из различных блоков.

1. Блоки ОВ1 – организационные блоки, блоки в которых находится код программы, но при этом они еще имеют ряд возможностей, таких как: автоматическое выполнение при внешнем или диагностическом прерывании, автоматическое выполнение при ошибках. Всего существует 122 блока ОВ.

2. Блоки FC – функциональные блоки, блоки в которых находится код и которые будучи вызваны из организационных блоков ОВ, всего лишь на всего его выполняют.

3. FB – тоже самое что и FC , но со встроенной памятью. На самом деле никакой памяти в нем конечно нет, просто он использует блок DB для хранения результатов выполнения кода, без участия пользователя

4. DB – блоки данных, по сути представляет из себя таблицу с описанием типов применяемых данных.

5. SFC, SFB – те же самые блоки с кодами подпрограмм, но предусмотрены они, для каких-либо конкретных, часто встречающихся задач. Не могут быть изменены, т.к. являются частью операционной системы CPU, но могут быть использованы для получения данных, например о времени, счетчиках часов и пр.

6. VAT – блоки для тестирования программы, в них создается список переменных, значение которых представляет интерес, после чего имеется возможность наблюдать их изменения или самому менять их значение.

7. UDT – блоки с пользовательскими типами данных. Если требуется тип данных, который не предусмотрен системой, можно его создать, сделав описание в блоке UDT.

И все эти блоки, кроме VAT редактируются с помощью LAD/FBD/STL редактора.

2.6.3 Требования и характеристики используемых операционных систем верхнего и нижнего уровней АСУ ТП

Операционные системы устройств верхнего уровня ПТК должны удовлетворять следующим требованиям:

• высокая производительность, поддержка многозадачного режима;

• высокая степень устойчивости и надежности;

• поддержка обменов информации по используемым в ПТК локальным сетям;

• удобный и понятный пользователю графический интерфейс, простота и эффективность использования;

• возможность работы с мультимедиа;

• возможность конфигурирования под конкретные условия использования.

На нижнем уровне ПТК должны использоваться высокопроизводительные операционные системы (ОС).

Операционные системы нижнего уровня должны обеспечивать:

• поддержку многозадачного или псевдомногозадачного режима;

• модульность, гибкую конфигурируемость, возможность 100%-го размещения в ПЗУ контроллера;

• малое время реакции, многоуровневую, основанную на приоритетах, обработку прерываний и присвоение меток времени зафиксированным событиям;

• развитые средства коммуникации (поддержка стандартных сетей, а также различных промышленных интерфейсов ввода-вывода);

• возможность (при необходимости) стыковки с техническими средствами сторонних разработчиков (по отдельной заявке заказчика).

Допускается использование ОС общего назначения в комплекте с приложениями, обеспечивающими реализацию свойств, характерных для мультизадачных систем реального времени.

В качестве ОС операторской станции в системе используется Microsoft Windows XP Professional.

Windows XP – операционная система семейства Windows NT корпорации Microsoft. В отличие от предыдущей системы Windows 2000 поставляется только в клиентском варианте. Архитектура системы показана на рисунке 26.

Рисунок 26 – Архитектура операционной системы

АРМ имеет следующие характеристики:

• монитор Sony HD 23”;

• клавиатура промышленного типа IP 68;

• процессор IntelCore2Duo E8500 3,16 ГГц;

• ОЗУ – 4 Гб;

• жесткий диск 500 Гб – Seagate Barracuda 7200.12, ST500DM002 ;

• видеокарта ATI Radeon X 1600.

В качестве ОС программируемого контроллера используется операционная система реального времени(ОСРВ) фирмы Siemens.

Отличительные особенности ОСРВ представлены в таблице 12.

Таблица 12 – Сравнение ОСРВ с ОС общего назначения

ОС реального времени ОС общего назначения

Основная задача Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами

На что ориентирована Обработка внешних событий Обработка действий пользователя

Как позиционируется Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию

Кому предназначена Квалифицированный разработчик Пользователь средней квалификации

Ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный, основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам, которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина, определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.

В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.

2.6.4 Требования и характеристика используемых пакетов программной поддержки обмена данными

Именное обозначение SIMATIC NET объединяет полностью все семейство коммуникационных продуктов и сетей фирмы Siemens для промышленной автоматизации. Различные сети удовлетворяют широкому кругу требований к эксплуатационным характеристикам применительно к различным задачам, которые стоят перед проектировщиком систем автоматизации:

• SIMATIC NET предоставляет решения, отвечающие запросам современной промышленной связи;

• SIMATIC NET занимает центральное место в системе автоматизации SIMATIC;

• SIMATIC NET обеспечивает однотипный интерфейс между системами и другими компонентами автоматизации;

• способ коммуникации SIMATIC NET полностью интегрируется в проект системы автоматизации благодаря использованию своей собственной технологии связи S7, которая легко интегрируется со всеми известными топологиями и видами сетей.

Коммуникационные сети семейства SIMATIC NET являются компонентами концепции TIA (Полностью интегрированная автоматизация) от Siemens. Шинные системы SIMATIC NET и их функции вписываются в пирамидообразную модель автоматизации (рисунок 27).

Рис.27 – Модель автоматизации SIMATIC NET

Сетевые решения систем автоматизации базируются на использовании общепризнанных стандартов организации обмена данными и обслуживания устройств децентрализованной периферии:

• Industrial Ethernet (IEEE 802-3 и IEEE 802.3u) — международный стандарт организации обмена данными на верхних уровнях через локальные или глобальные информационные сети.

• PROFINET (IEC 61158) — новый открытый коммуникационный стандарт, который существенно расширяет функциональные возможности обмена данными и охватывает большой спектр требований по использованию Ethernet в системах автоматизации.

• PROFIBUS (IEC 61158/EN 50170) — стандарт построения сетей полевого уровня.

• AS-Interface (EN 50295) — международный стандарт организации связи с датчиками.

• EIB (EN 50090, ANSI EIA 776) — сеть для автоматизации технических систем зданий и сооружений.

• SINAUT ST7 — организация распределенных систем мониторинга и управления процессом в распределенных конфигурациях на основе станций управления SIMATIC S7, с использованием сети WAN (Wide Area Network).

В используемой системе применяются два основных протокола передачи данных: Industrial Ethernet и PROFIBUS–DP.

Industrial Ethernet.

Эффективность работы современных промышленных производств во многом зависит от гибкости применяемых систем автоматизированного управления. Крупные промышленные установки требуют использования нескольких децентрализованных систем управления, связанных друг с другом сильной

информационной сетью, способной работать в сложных промышленных условиях. Одним из международных стандартов информационных сетей промышленного назначения, поддерживаемых концерном Siemens, является стандарт Industrial Ethernet (IEEE 802.3 — Ethernet).

Каналы связи и топологии сети

Сети Industrial Ethernet работают по принципу CSMA/CD (шина доступа с автоматическим определением коллизий) и позволяют использовать для передачи данных:

• Электрические каналы связи на основе витых пар (ITP — Industrial Twisted Pair) с двойным экранированием, IE FC TP кабелей для быстрого монтажа и ТР кордов.

• Оптические каналы связи на основе широкораспространенных пластиковых и стеклянных оптоволоконных кабелей.

В зависимости от состава компонентов на основе электрических и оптических каналов связи могут создаваться линейные, звездообразные и кольцевые сети. И, конечно, в составе одной сети допускается комбинированное использование электрических и оптических каналов связи.

К Industrial Ethernet могут подключаться:

• Контроллеры SIMATIC S7/ WinAC.

• Персональные и промышленные компьютеры.

• Средства визуализации SIMATIC HMI.

• Сертифицированные системы других производителей.

Техническая характеристика протокола Industrial Ethernet представлена в таблице 13.

Таблица 13 – Характеристики Industrial Ethernet

Максимальное количество узлов Не ограничивается, не более 1024 на один сегмент сети.

Скорость передачи 10/100/1000 Мбит/с.

Протяженность сети

• Электрическая сеть: 5 км

• Оптическая сеть: 150 км

• Коммутируемая сеть: в принципе неограничена

Топология

• Шина

• Дерево

• Резервированное кольцо

• Звезда

Среда передачи данных • Промышленная витая пара

• Триаксиальный кабель

• Волоконно-оптический (ВО) кабель

Рис.28 – Структура стандартной промышленной витой пары

Кабель для промышленных сетей Industrial Ethernet, 2x2x24 AWG (многопроволочные проводники) UTP, в двойной ПВХ-оболочке

IU2-C5e-P-I представлен на рисунке 30.

Рис.4 — кабель для промышленных сетей Industrial Ethernet

1 — Внешняя оболочка

2 — Внутренняя оболочка

3 — Витая пара patch

Неэкранированный кабель категории 5e для абонентских шнуров

состоит из 2 витых пар свитых вместе с силовыми элементами,

защищенных двойной оболочкой из ПВХ-компаунда. Кабель

предназначен для применения в рамках промышленных сетей

Industrial Ethernet. Кабель соответствует требованиям стандартов

ANSI/TIA/EIA-568-B.2 и ISO/IEC 11801; UL 1581 VW-1 и IEC 60332.1.

Технические характеристики промышленной витой пары приведены в таблице 14

Таблица 14 — технические характеристики промышленной витой пары

Технические характеристики

Диаметр проводника (жилы) 7х0,203 мм (24 AWG)

Диаметр проводника с оболочкой 0,97 мм

Диаметр внутренней оболочки 4,6 мм

Вес кабеля 43 кг/км

Внешний диаметр кабеля 5,9 мм

Рабочая температура -40°C – +70°C

Температура прокладки -40°C – +60°C

Растягивающее усилие 50 Н

Электрические характеристики

Максимальное сопротивление проводника постоянному току при 20°C 94 Ом/км

Минимальное сопротивление изоляции 5000 МОм*км

Фазовый сдвиг на частоте1-100 МГц 35 нс/100м

Волновое сопротивление на частоте 1-100 МГц 100±15 Ом

Задержка распространения на частоте 1 кГц 570 нс/100м

Электрическая прочность диэлектрика 700 В/1 мин

Емкостная асимметрия на частоте1 кГц 3,2 пФ/м при 1 кГц

Рис.29 – Структура стандартного волоконно-оптического кабеля для сети Industrial Ethernet.

Сеть Industrial Ethernet в разработанной системе показана на рисунке 30.

Рис.30 – Сеть Industrial Ethernet

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) — это открытая промышленная сеть полевого уровня, отвечающая требованиям стандартов IEC 61 158/EN 50170, предназначенная для построения систем распределенного ввода-вывода, а также организации обмена данными между системами автоматизации.

Стандарты IEC 61 158/EN 50 170 определяют характеристики каналов связи, методы доступа к сетям, а также информационные протоколы передачи данных и требования к интерфейсам. В соответствии с требованиями этих стандартов в сети PROFIBUS поддерживается три протокола передачи данных:

• PROFIBUS DP (Distributed Periphery – распределенная периферия) для обеспечения скоростного обмена данными с устройствами периферии (станции ввода-вывода, датчики, исполнительные устройства и т.д.).

• PROFIBUS PA (Process Automation – автоматизация процессов) для решения задач автоматизации непрерывных процессов и обмена данными с устройствами, расположенными в обычных и Ех-зонах (зонах повышенной опасности).

• PROFIBUS FMS (Field Bus Message Specification – протокол передачи определенных сообщений через шину полевого уровня) для обмена данными между интеллектуальными сетевыми приборами (контроллерами, компьютерами и т.д.).

Каналы связи и топологии сети

Для обмена данными в сети PROFIBUS могут использоваться следующие каналы связи и топологии:

• Электрические (RS 485) каналы связи, исполненные в виде 2-жильных экранированных кабелей. Сетевые узлы подключаются через специальные сетевые терминалы или разъемы. Сегменты сети объединяются через специальные устройства — повторители. Протяженность конкретной сети зависит от скорости передачи данных и может достигать длины в 1000 м (без повторителей) или 10 км (с повторителями). Обеспечивается возможность построения не только линейных, но и древовидных сетевых структур. На концах сегментов должны устанавливаться терминальные устройства — терминаторы.

• Оптические каналы связи на основе стандартных пластиковых, PCF или

стеклянных оптоволоконных кабелей. Кроме того, обеспечивается поддержка

линейных, звездообразных и кольцевых топологий сети. Объединение некоторых сегментов может производится с помощью модулей OLM (Optical Link Modules) или OBT (Optical Bus Terminal). Протяженность конкретной сети может достигать длины в 100 км (при использовании одномодового кабеля максимальное расстояние между двумя модулями OLM/Gxx-1300 составляет 15 км).

В одном сегменте сети допускается объединять до 32 сетевых приборов. Общее количество устройств в сети ProfiBus может достигать 126 штук. Скорость передачи данных в сети может быть от 9.6 Кбит/с до 12 Мбит/с.

К сети PROFIBUS могут быть подключены:

• Программируемые контроллеры SIMATIC S7/ WinAC, а также контроллеры других производителей.

• Персональные и промышленные компьютеры с помощью карт связи.

• Приборы и системы человеко-машинного интерфейса SIMATIC HMI.

• Станции распределенного ввода-вывода ЕТ 200

• Датчики и исполнительные устройства.

• Приводы и системы защиты электромоторов SIMOCOD.

• Системы числового программного управления SINUMERIK.

• Другие устройства, оснащенные интерфейсом PROFIBUS.

Обмен данными по PROFIBUS осуществляется либо с помощью недорогого медного кабеля (рисунок 31) или с помощью волоконно-оптического кабеля, не подверженного воздействию электромагнитных помех.

Рис.31 – Структура стандартного FC кабеля

Сеть PROFIBUS-DP в разработанной системе показана на рисунке 32.

Рис.32 – Сеть PROFIBUS-DP

2.6.5 Требование и характеристика используемой системы управления локальными и распределенными базами данных

Основные требования, предъявляемые к БД можно разделить на насколько групп.

Требования к базе данных:

• обеспечение средств доступа ко всем необходимым данным с использованием распределенных БД, средств репликаций данных, управления событиями в данных и процессах обработки транзакций;

• предложение единого интерфейса оператора для работы с разными функциям;

• применение методов компонентного проектирования предметных БД как для операционных БД, так и для исторических БД хранилищ данных, архивов документов, иных данных;

• динамическое администрирование фрагментами распределенной БД при изменении частоты их использования, при модификации их структуры и при изменении их размещения.

В качестве локальной СУБД используется Microsoft SQL Server 2008.

Microsoft SQL Server — система управления реляционными базами данных (СУБД), разработанная корпорацией Microsoft. Сервер баз данных Microsoft SQL Server в качестве языка запросов использует версию языка SQL, получившую название T-SQL. T-SQL позволяет использовать дополнительный синтаксис для хранимых процедур и обеспечивает поддержку транзакций (взаимодействие базы данных с управляющим приложением).

Для обеспечения доступа к данным Microsoft SQL Server поддерживает Open Database Connectivity (ODBC) — интерфейс взаимодействия приложений с СУБД. Версия SQL Server 2005 обеспечивает возможность подключения пользователей через веб-сервисы, использующие протокол SOAP. Это позволяет клиентским программам, не предназначенным для Windows, кроссплатформенно соединяться с SQL Server. Также SQL Server поддерживает зеркалирование и кластеризацию баз данных. Кластер сервера SQL — это совокупность одинаково конфигурированных

серверов; такая схема помогает распределить рабочую нагрузку между

несколькими серверами. Все сервера имеют одно виртуальное имя, и данные распределяются по IP-адресам машин кластера в течение рабочего цикла. Также в случае отказа или сбоя на одном из серверов кластера доступен автоматический перенос нагрузки на другой сервер.

SQL Server поддерживает избыточное дублирование данных по трем сценариям:

• Снимок

Производится «снимок» базы данных, который сервер отправляет получателям.

• История изменений

Все изменения базы данных непрерывно передаются пользователям.

• Синхронизация с другими серверами

Базы данных нескольких серверов синхронизируются между собой. Изменения всех баз данных происходят независимо друг от друга на каждом сервере, а при синхронизации происходит сверка данных. Данный тип дублирования предусматривает возможность разрешения противоречий между БД.

В MS SQL Server встроена поддержка .NET Framework. Благодаря этому хранимые процедуры БД могут быть написаны на любом языке платформы .NET, используя полный набор библиотек, доступных для .NET Framework. Однако, в отличие от других процессов, .NET Framework, будучи базисной системой для SQL Server 2005, выделяет дополнительную память и выстраивает средства управления SQL Server вместо того, чтобы использовать встроенные средства Windows. Это повышает производительность в сравнении с общими алгоритмами Windows, так как алгоритмы распределения ресурсов специально настроены для использования в структурах SQL Server.

Операционной системой сервера является Microsoft Windows Server 2008.

Особенности Windows Server 2008:

• Active Directory

С помощью Active Directory можно управлять удостоверениями и взаимоотношениями, формирующими сеть организации. Доменные службы Active Directory (AD DS) хранят данные каталогов и управляют взаимодействием между пользователями и доменами, в том числе входом в домен, проверкой подлинности и поиском в каталоге. Кроме того, интегрированные роли поддерживают средства и технологии управления удостоверениями и доступом, которые позволяют централизованно управлять технологиями и учетными данными и предоставлять доступ к устройствам, приложениям и данным только уполномоченным пользователям.

• Службы Терминалов

В Windows Server 2008 произошло значительное обновление Служб Терминалов (Terminal Services). Самое заметное усовершенствование, названное Terminal Services RemoteApp, позволяет опубликовать одно конкретное приложение, вместо всего рабочего стола.

Другая важная особенность, добавленная в Службы Терминалов — Terminal Services Gateway и Terminal Services Web Access. Terminal Services Gateway позволяет авторизованным компьютерам безопасно подключаться к Службам Терминалов или Удаленному Рабочему Столу из интернета, используя RDP через HTTPS без использования VPN. Для этого не требуется открывать дополнительный порт на межсетевом экране; трафик RDP туннелируется через HTTPS. Terminal Services Web Access позволяет администраторам обеспечивать доступ к службам терминалов через Web-интерфейс. При использовании TS Gateway и TS RemoteApp, передача данных происходит через HTTP(S) и удаленные приложения выглядят для пользователя так, как будто они запущены локально. Несколько приложений запускаются через один сеанс чтобы гарантировать отсутствие потребности в дополнительных лицензиях на пользователя.

Благодаря Terminal Services Easy Print администраторам нет необходимости устанавливать какие-либо драйверы для принтеров на сервер. При этом Easy Print Driver перенаправляет пользовательский интерфейс и все возможности исходного принтера. Помимо этого, он улучшает производительность при передаче заданий на печать за счет перевода заданий в формат XPS перед отправкой клиенту.

• Windows PowerShell

Windows Server 2008 — первая операционная система Windows, выпущенная со встроенным Windows PowerShell, расширяемой оболочкой с интерфейсом командной строки и сопутствующим языком сценариев, разработанным Microsoft. Язык сценариев PowerShell был разработан специально для выполнения административных задач, и может заменить собой потребность в cmd.exe и Windows Script Host.

• Hyper-V

Microsoft Hyper-V, кодовое имя Viridian, технология ранее известная как Виртуализация Windows Server (Windows Server Virtualization) — система виртуализации на основе гипервизора для x64-систем.

• Windows System Resource Manager

Диспетчер системных ресурсов Windows (Windows System Resource Manager) Административное средство WSRM, которое позволяет управлять ресурсами сервера с целью равномерного распределения рабочей нагрузки между ролями.

• Самовосстанавливающаяся NTFS

Если в предыдущих версиях Windows операционная система обнаруживала ошибки в файловой системе тома NTFS, она отмечала том как «грязный»; исправление ошибок на томе не могло быть выполнено немедленно. С самовосстанавливающейся NTFS вместо блокировки всего тома блокируются только поврежденные файлы/папки, остающиеся недоступными на время исправления. Благодаря этому больше нет необходимости перезагрузки сервера для исправления ошибок файловой системы.

Системные требования операционной системы Windows Server 2008 представлены в таблице 15.

Таблица 15 – Системные требования Windows Server 2008

Минимальные Рекомендуемые

Процессор 1 ГГц (x86) или 1.4 ГГц (x64) 2 ГГц и выше

ОЗУ 512 МБ ОЗУ (возможно ограничение производительности и некоторых возможностей) 2 ГБ ОЗУ и выше

§ Максимально (32-бит): 4 ГБ ОЗУ (Standard) или 64 ГБ ОЗУ (Enterprise и Datacenter)

§ Максимально (64-бит): 32 ГБ ОЗУ (Standard) или 2 Тб ОЗУ (Enterprise, Datacenter и в Itanium-Based системах)

Видеокарта и монитор Super VGA (800 x 600) Super VGA (800 x 600) и более высокое разрешение

Свободное место на жёстком диске 10 ГБ 40 ГБ и выше

Сервер с более чем 16 ГБ ОЗУ требует больше места для своп и dump файлов.

Другие приводы DVD-ROM

Прочие устройства клавиатура и мышь

2.6.6 Требование и характеристика используемого программного обеспечения инструментальных средств разработки, отладки и документирования

Программное обеспечение инструментальных средств разработки, отладки, документирования и проектирования АСУ ТП (только в части ПТК) является неотъемлемой частью ПО ПТК. Инструментальные средства должны базироваться на действующих стандартах и обеспечивать решение наиболее сложных вопросов, связанных с автоматизацией процессов создания АСУ ТП и прикладных программ: прием и обработка сигналов, организация автоматического управления исполнительными устройствами, визуализация измеренных величин (в том числе в виде графиков, гистограмм и т.п.), ведение архивов и генерации отчетов. Результатом проектирования должны быть компоненты системы управления, полностью готовые к запуску.

Инструментальные средства должны, как правило, совмещать в себе функции разработки и тестирования.

Инструментальное ПО должно включать следующие программные средства:

• компоновки и генерации технических и программных средств ПТК;

• библиотеку программных модулей стандартных алгоритмов сбора и обработки технологической информации, управления, регулирования и технологических защит;

• автоматизированного формирования исполняемых программных модулей на основе технологических заданий, представленных в виде БД и технологических алгоритмов, разработанных с использованием технологических языков и библиотеки стандартных алгоритмов;

• пакеты программ создания фрагментов и их отдельных элементов;

• организации и обслуживания баз данных;

• проведения самодиагностики и тестирования аппаратуры и программного обеспечения;

• разработки и включения в состав математического обеспечения ПТК и АСУ ТП программ, написанных на универсальных языках программирования;

• средства разработки ПО (редакторы, линкеры, отладчики, трансляторы и т.п.);

• средства автоматизированного проектирования ПТК в составе АСУ ТП, включая средства автоматизированного распределения и расположения модулей УСО в контроллерах и распределения входных-выходных каналов ПТК по контроллерным шкафам и их клеммникам.

Комплект инструментального ПО должен содержать также следующий набор программ:

• редактор схем логического управления и технологических защит;

• редактор схем автоматического регулирования и программного управления;

• редактор видеограмм;

• редактор проектной документации на ПТК.

Инструментальные средства предназначены для максимального упрощения и облегчения процесса разработки и проектирования ПТК и АСУ ТП в целом.

Инструментальные средства, помимо перечисленных выше, должны также включать средства контроля и диагностики функционирования ПТК, а также его коррекции, модернизации и наладки на объекте.

В разрабатываемой АСУ используется система визуализации WinCC Flexible.

SIMATIC WinCC предназначена для визуализации и управления процессами, производственными циклами, машинами и установками(рисунок 8). Благодаря мощному интерфейсу связи с процессом, особенно с семейством SIMATIC, и безопасному архивированию данных WinCC позволяет создавать высоконадежные решения для управления процессами.

Системные требования для WinCC Flexible представлены в таблице 16.

Таблица 16 – Системные требования Windows Server 2008

Операционная система Windows 2000 SP3, Windows XP Professional SP1

Для многоязыкового проектирования: Windows 2000 SP3 MUI, Windows XP Professional SP1 MUI

Процессор

• Минимум Pentium II, 233 MГц

• Рекомендовано >= Pentium III, 500 MГц

Графика

• Минимум VGA

• Рекомендовано SVGA

Разрешение

• Минимум 640 x 480

• Рекомендовано 1024 x 768 до 1600 x 1200

• Минимум 64 Mбайт

• Рекомендовано >= 128 Mбайт

Жесткий диск (свободная память) >= 100 Mбайт

CD-ROM Для инсталляции программного обеспечения

На рисунке 33 представлена визуализация процессов АСУ «Плавка» конверторного производства, общий вид маски «Газораспределительная станция».

Рис.33 – общий вид маски «Газораспределительная станция», в системе визуализации WinCC Flexible

Мощные функции конфигурирования WinCC обеспечивают большую гибкость и надежность функционирования, а также способствуют снижению затрат на инжиниринг и обучение. Система поддерживает дополнительные функции обслуживания и диагностики для связи с другими компонентами SIMATIC. Все средства разработки SIMATIC взаимодействуют друг с другом во время разработки. WinCC предлагает полный набор базовых функций для визуализации и управления процессом. Для этого у WinCC предусмотрен набор редакторов и интерфейсов, позволяющих настраивать необходимую функциональность.

WinCC последовательно придерживается технологий Microsoft, что гарантирует максимально возможную открытость и возможность интеграции. Элементы ActiveX дают возможность создания специализированных расширений для конкретных технологических или отраслевых областей. Взаимодействие с оборудованием и ПО разных производителей также не представляет проблем. Основной причиной этого является тот факт, что WinCC поддерживает OPC и, следовательно, может выступать в роли клиента или сервера OPC, и в дополнение к доступу к текущим значениям параметров техпроцесса поддерживает такие стандарты, как OPC HDA (Historical Data Access — доступ к историческим данным) и OPC Alarm & Events (сообщения и события). Также немаловажно использование Visual Basic for Applications (VBA) для настраиваемых расширений в графическом дизайнере WinCC и Visual Basic Scripting (VBS) в качестве легкого для изучения языка с открытой платформой исполнения. При желании профессиональные разработчики приложений также могут воспользоваться ANSI-C. Помимо этого с помощью открытого пакета разработки Open Development Kit (ODK) обеспечивается легкий доступ к API-интерфейсам.

В комплект поставки WinCC Flexible встроена эффективная, масштабируемая система Historian, основанная на Microsoft SQL Server 2005. Поэтому для пользователя доступны все возможности: высокопроизводительное архивирование текущих данных процесса, долговременное архивирование со сжатием данных, а также централизованное архивирование с целью формирования единой информационной платформы в масштабах компании, реализуемое с помощью опции «Центральный архивный сервер». Разнообразные клиенты и инструменты для обработки данных, открытые интерфейсы, специальные опции (Connectivity Pack, IndustrialDataBridge, Client Access Licenses) создают основу для эффективной интеграции ИТ и бизнеса.

Особенности WinCC:

Многоцелевая

• Решения для всех отраслей

• Поддержка множества языков

• Может быть интегрирована во все решения автоматизации

Все функции ЧМИ встроены

• Администрирование пользователей

• Управление и мониторинг

• Сигнализация, квитирование и архивирование событий

• Сбор, сжатие и архивирование параметров (включая резервное копирование)

• Документирование данных процесса и конфигурации

Конфигурирование производится просто и эффективно

• Визарды позволяют пользователю сконцентрироваться на решении своей задачи

• Для картинок поддерживается список перекрестных ссылок и обзорное представление свойств экрана

• Имеются средства для редактирования больших объемов данных

Универсальное масштабирование

• Расширение от простой однопользовательской системы до клиент-серверных конфигураций

• Повышение надежности при помощи резервирования серверов

• Визуализация через ВЕБ с помощью WinCC WebNavigator

Открытые стандарты для интеграции

• Эффективная база данных MS SQL Server 2005

• Возможность использования ActiveX элементов

• Visual Basic for Applications для индивидуальных расширений

• OLE for Process Control для межплатформенных коммуникаций

Интеллектуальная визуализация процессов с использованием Plant Intelligence

• Интегрированная высокопроизводительная система Historian на основе Microsoft SQL Server 2005

• Встроенные средства онлайн-анализа (statistical process control)

• Оптимизация производства с помощью различных опциональных пакетов

Расширения при помощи опциональных пакетов и дополнений

• Опции для масштабирования конфигураций

• Опции для повышения надежности

• Опции для интеграции ИТ и производства

• Опции для расширения SCADA

Часть концепции Totally Integrated Automation(TIA)

• Прямой доступ к тегам и сообщениям систем управления на основе SIMATIC

• Встроенные функции диагностики

Техническая характеристика ПО WinCC представлена в таблице 17.

Таблица 17 – Характеристика WinCC Flexible

Тип SIMATIC WinCC Flexible

Кол-во сообщений 50,000

§ Текст сообщений (кол-во символов) 10 x 256

§ Журнал сообщений > 500,000 сообщений

§ Кол-во значений процесса в сообщении 10

§ Постоянная нагрузка по сообщениям, макс. Центральный архивный сервер: 100/сек

Сервер/однопользовательская станция: 10/сек

§ Пиковая нагрузка, макс. Сервер/однопользовательская станция: 2,000/10 сек каждые 5 мин

Архивы

§ Кол-во архивных тегов Макс. 120,000 на сервер

§ Типы архивов Циклический архив с долговременным архивированием или без него

§ Формат хранения данных Microsoft SQL Server 2005

§ Кол-во значений в секунду, макс. Сервер/однопользовательская станция: 5,000/сек

Архивы пользователя

§ Кол-во архивов Произведение кол-ва полей и кол-ва записей не должно превышать 320,000

§ Записей данных на архив пользователя 65,536

§ Полей на архив пользователя 500

Графическая подсистема

§ Кол-во экранов Зависит от свободного места для хранения

§ Кол-во объектов на экран Зависит от свободного места для хранения

§ Ко-во управляемых полей на экране Зависит от свободного места для хранения

Теги 64 тысячи

Тренды

§ Кол-во окон трендов на экран 25

§ Ко-во трендов в окне 80

Управление пользователями

§ Групп пользователей 128

§ Кол-во пользователей 128

§ Кол-во уровней доступа 999

Отчеты

§ Печать поступающих сообщений

(одновременно) 1 на сервер/однопользовательскую станцию

§ Печать архива сообщений

(одновременно) 3

Продолжение таблицы 17

§ Отчеты пользователя Зависит от свободного места для хранения

§ Строк отчета на группу 66

Многопользовательская система

§ Кол-во серверов 12

§ Кол-во клиентов на сервер при использовании сервера в качестве рабочего места оператора 4

§ Кол-во клиентов на сервер в случае выделенного сервера (без оператора) 32 клиента + 3 Веб-клиента или

50 Веб-клиентов + 1 клиент

§ Кол-во клиентов на сервер при использовании сервера в качестве рабочего места оператора 4

2.6.7 Требование и характеристика используемых средств настройки базового ПО, диагностики и самодиагностики работоспособности ПЛК

WinCC/ProAgent предоставляет возможность точной диагностики ошибок процессов в машинах и установках(рисунок 36). Благодаря полной интеграции в мир диагностики ошибок процесса SIMATIC опция ProAgent предлагает согласованное решение на базе STEP 7,S7-PDIAG инструментальных средств проектирования S7-GRAPH, а также систем управления SIMATIC S7-300/-400 и WinAC. Система поддерживает все типы связи SIMATIC S7 Protocol Suite. Когда в процессе происходит нарушение или сбой, использование опции ProAgent в сочетании с инструментальными средствами проектирования S7-PDIAG/S7-GRAPH позволяет получить информацию о местонахождении ошибки и ее причине и помогает устранить ее. То есть WinCC/ProAgent является существенным компонентом комплексной системы автоматизации (TIA), который позволяет увеличить производительность системы и снизить затраты на обеспечение ее жизненного цикла при минимальных затратах при проектировании.

Основные преимущества:

• целенаправленное и быстрое диагностирование ошибок процесса в машинах и установках, управляемых и контролируемых с помощью SIMATIC S7 / WinAC и SIMATIC WinCC;

• сокращение времени простоев, увеличение работоспособности машин и установок;

• универсальная и стандартизованная концепция диагностики для различных компонентов SIMATIC, диагностика с помощью стандартных кадров изображений;

• отсутствие дополнительных затрат на конфигурирование для реализации функций диагностики благодаря автоматическому генерированию диагностических компонентов для контроллера и человеко-машинного интерфейса;

• разгрузка контроллера в отношении требуемой памяти и времени выполнения программы.

Возможно использование опции ProAgent в совокупности с различным аппаратным и программным обеспечением из категории продуктов человеко-машинного интерфейса SIMATIC: панели оператора и многофункциональные панели, ProTool/Pro и WinCC. ProAgent содержит стандартные кадры изображения, адаптируемые к требованиям диагностики ошибок процесса на установке или машине. Основу для этого составляет взаимодействие пакетов STEP 7 и ProAgent. В процессе конфигурирования данные, имеющие отношение к диагностике процесса, такие как символы, комментарии, тексты сообщений, сохраняются в стандартизованном виде в базе данных. В режиме исполнения стандартные кадры изображения заполняются данными, специфическими для процесса.

На рисунке 34 представлено окно диагностики модулей ПЛК SIEMENS S7-400.

Рис.34 – Окно диагностики модулей ПЛК

SIMATIC WinCC обращается к данным конфигурирования непосредственно и использует их в проекте WinCC. Итак, ProAgent и инструментальные средства проектирования S7 реализуют стандартизованную концепцию диагностики для SIMATIC S7. Таким образом, для обеспечения функций диагностики в системе WinCC дополнительного конфигурирования не требуется.

3 Организация и производство труда

3.1 Монтаж датчиков

Порядок установки с расходомера Yokogawa EJA-130A:

• выбор прямолинейного участка трубопровода для установки расходомера;

• нанесение разметки для монтажа расходомера;

• вырез участка трубопровода для установки расходомера;

• установка фланцев сварочным соединением;

• крепление расходомера между фланцами;

• монтаж кабеля и его маркировка;

• вывод кабеля в шкаф контроллера.

Место установки расходомера Annubar 3051SFA ProBar изображено на рисунке 35.

При установке на трубопроводе необходимо соблюдать следующие размеры:

• Минимальное свободное пространство во всех направлениях = 100 мм

• Требуемая длина кабеля: L + 150 мм

Рисунок 35 – Место установки датчика Yokogawa EJA-130A

Ориентация датчика изображена на рисунке 36.

Рисунок 36 – Ориентация датчика

Прибор может быть установлен на трубопроводе в любом положении, но в данной системе выбрана ориентация C для предотвращения перегрева электроники датчика. Ориентация B и D рекомендуется для низкотемпературных сред. В случае измерения жидкостей на вертикальных трубопроводах поток должен быть направлен вверх, для исключения работы на частично заполненном трубопроводе.

При любой ориентации стрелка на корпусе прибора всегда должна соответствовать направлению потока.

Расположение расходомера на прямом участке трубопровода показано на рисунке 37.

Рисунок 37 – Расположение на трубопроводе

где A – Впускная ветвь, B – Выпускная ветвь

1 – Сужение

2 – Расширение

3 – 90° колено или тройникT

4 – 2 x 90° колено, 3-трехмерное

5 – 2 x 90° колено

6 – Регулирующий клапан

На рисунке 38 показана схема подключения расходомера Yokogawa EJA-130A.

Рисунок 38 – Схема подключения расходомера Yokogawa EJA-130A

где a: — HART: Источник питания, выход по току

— PROFIBUS PA: 1 = PA+, 2 = PA–

— FOUNDATION Fieldbus: 1 = FF+, 2 = FF–

b: дополнительный выход по частоте

c: клемма заземления (важно для варианта раздельного исполнения)

Порядок установки датчиков давления Sitrans P500 серии DS III.

• нанесение разметки для монтажа датчика;

• сверление отверстия для отбора;

• установка фланца сварочным соединением;

• установка шарового крана;

• установка мембранного разделителя;

• установка датчика;

• монтаж кабеля и его маркировка;

• вывод кабеля в шкаф контроллера.

Рисунок 39 – монтажный чертеж измерительного преобразователя давления Sitrans-P DSIII

1. Подключение к микропроцессору: минусовая сторона 1/4-18NPT

2. Заглушки

3. Электрическое соединение

-резьбовое соединение M20x1.5

-резьбовое соединение 1/2-14NTP

-штекер PROFIBUS M12

4. Сторона электрического соединения

5. Сторона электроники, цифровой индикатор

6. Защитная крышка клавиш управления

9. Резьбовая крышка

Схема подключения датчика давления показана на рисунке 40.

Рисунок 40 – Подключение датчиков давления Sitrans-P DSIII

Порядок установки термометра сопротивления ТСМ Метран-203(рисунок 41):

• нанесение разметки для монтажа ТСМ;

• сверление отверстий для установки бобышки;

• приварка бобышки для ТСМ;

• установка через прокладку защитной гильзы;

• заливка трансформаторного масла в гильзу;

• вворачивание ТСМ в гильзу;

• монтаж кабеля и его маркировка;

• вывод кабеля от ТСМ в шкаф контроллера.

Рисунок 41 – ТСМ Метран-203

ТСМ Метран-203 подключается к контроллеру по 4-х проводной схеме (рисунок 42)

Рисунок 42 – 4-х проводная схема подключения

3.2 Маркировка труб и кабелей

Маркировка кабелей:

• позиция 11 (11-1,11-2,11-3,11-4) – кабель от ТСМ Метран-203 до ПЛК S7-400

• позиция 12 (12-1,12-2,12-3,12-4) – кабель от ТСМ Метран-203 до ПЛК S7-400

• позиция 13 (13-1,13-2,13-3,13-4) – кабель от ТСМ Метран-203 до ПЛК S7-400

• позиция 60 (60-1,60-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 61 (61-1,61-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 62 (62-1,62-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 63 (63-1,63-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 64 (64-1,64-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 65 (65-1,65-2) – кабель от Yokogawa EJA до ПЛК S7-400

• позиция 70 (70-1, 70-2) – кабель от OPTIFLUX 4000 до ПЛК S7-400

• позиция 71 (71-1, 71-2) – кабель от OPTIFLUX 4000 до ПЛК S7-400

• позиция 72 (72-1, 72-2) – кабель от OPTIFLUX 4000 до ПЛК S7-400

• позиция 73 (73-1, 73-2) – кабель от Sitrans-P DSIII 73 до ПЛК S7-400

• позиция 74 (74-1, 74-2) – кабель от Sitrans-P DSIII 73 до ПЛК S7-400

• позиция 75 (75-1, 75-2) – кабель от Sitrans-P DSIII 73 до ПЛК S7-400

• позиция 80 (80-1,80-2) – кабель от Sipart PS2 до ПЛК S7-400

• позиция 81 (81-1,81-2) – кабель от Sipart PS2 до ПЛК S7-400

• позиция 82 (82-1,82-2) – кабель от Sipart PS2 до ПЛК S7-400

• позиция 100 (100-1,100-2, 100-3, 100-4) – кабель от ПЛК S7-400 до КМР

• позиция 101 (101-1,101-2,101-3, 101-4) – кабель от ПЛК S7-400 до КМР

• позиция 102 (102-1,102-2,102-3, 102-4) – кабель от ПЛК S7-400 до КМР

3.3 Монтаж ПЛК

При установке ПЛК в шкаф необходимо не обходимо соблюдать представленные на рисунке 43 размеры зазоров. Для конструкций S7-400, размещенных на нескольких стойках, рисунок показывает размеры зазоров между отдельными стойками, а также между соседними элементами оборудования, кабельными каналами, по отношению к стенкам шкафов и т.д. Эти минимальные промежутки необходимы как при монтаже, так и во время работы:

• для установки и удаления модулей

• для установки и отсоединения фронтштекеров модулей

• для обеспечения воздушного потока, необходимого для охлаждения модулей во время работы

Рисунок 43– Необходимые зазоры при монтаже

Необходимо соединить стойку с местным заземлением(рисунок 44). Для этой цели в нижней части стойки слева предусмотрена шпилька с резьбой. Минимальное поперечное сечение проводника для соединения с местным заземлением: 10 мм2.

Если S7–400 монтируется на подвижном основании, то для соединения с местным заземлением должен использоваться гибкий провод.

Рисунок 44 – Заземление стойки

При монтаже S7–400 с несколькими стойками между отдельными стойками необходимо соблюдать дополнительные расстояния или установить вентиляторный узел или кабельный канал.

При монтаже модулей на стойках(таблица 18) необходимо соблюдать только два правила:

• Во всех стойках блок питания всегда должен вставляться с левого края (начиная со слота 1). В UR2–H со слота 1 в обоих сегментах.

• Принимающий IM в стойке расширения всегда должен вставляться с правого края. В UR2–H в слот 9 один на сегмент.

Таблица 18 – Использование модулей в различных стойках

Общий вид шкафа ПЛК и шкафа операторских станций представлен в приложении М.

3.4 Монтаж РО и ИМ

Порядок монтаж регулирующего клапана КМР ЛГ (рисунок 45):

• выбор прямого участка трубопровода для монтажа клапана;

• нанесение разметки для монтажа клапана;

• вырез участка трубопровода;

• установка фланцев сварочным соединением;

• крепление клапана между фланцами;

• монтаж кабеля и его маркировка;

• вывод кабеля в шкаф контроллера.

Рисунок 45– Положение регулирующего клапана КМР ЛГ.

3.5 Проверка датчиков и вторичных приборов

После установки Yokogawa EJA на трубопровод проверяется следующее:

1. Состояние прибора:

• Нет ли внешних повреждений (визуальный осмотр);

• Соответствует ли прибор спецификации на измерительную точку, включая давление и температуру процесса, окружающие температуры, диапазон измерения.

2. Монтаж:

• Соответствует ли стрелка на корпусе прибора реальному направлению потока в трубопроводе;

• Корректная маркировка измерительной точки (визуальный осмотр);

• Корректно ли выбрана ориентация сенсора, другими словами, соответствует ли она типу сенсора, свойствам среды (содержание газов или твердых примесей) и ее температуре.

3. Условия процесса / окружающие условия:

• Защищен ли прибор от влаги и прямого солнечного света.

3.6 Наладка программного обеспечения ПЛК

Наладка контроллера с помощью программного обеспечения производится непосредственно с рабочего места оператора.

На рабочей станции должна быть установлена операционная система Windows ХР.

Для работы с программным обеспечением контроллера необходимо установить на автоматизированное рабочие место программиста следующие программные продукты:

• пакет программ STEP 7;

• SOFTNETS7;

• CFCv6.0;

• D7-SYSv6.0.

Инструкции по установке данных приложений поставляются вместе с программным обеспечением.

Необходимо установить на рабочие станции следующие программные продукты:

• SIMATIC WinCC v6.2 SP2 с лицензией на 8192 переменных;

• SIMATIC WinCC/Server и WinCCAJserArchiv (опциональные пакеты) с лицензиями на каждый опциональный пакет.

Инструкции по установке данных приложений поставляются вместе с программным обеспечением.

3.7 Структура, функции и задачи служб эксплуатации

Участок службы технологической автоматики (СТА) подразделяется на два уровня автоматизации. Функциональными задачами уровня L1 являются: получение данных с контрольно-измерительных приборов и их визуализация на уровне L1, их преобразование и передача на уровень L2.

На втором уровне осуществляется визуализация и сбор информации по технологическому процессу, производится подготовка технологической информации по собранным данным и слежение за технологическим процессом в виде протоколирования и преобразование данных, поступающих с уровня L1.

Подготовленные данные с уровня L2 поступают на следующие уровни автоматизации технологического процесса, находящихся по всему производству

Структура управления сталеплавильного производства.

Рисунок 50. Структура управления ФосАгро газораспределительного цеха

Перечень основных служб цеха:

• технологическая служба,

• механическое подразделение,

• энергетическое подразделение,

• гидравлическое подразделение,

• электрики,

• служба технологической автоматики.

3.8 Кабельный журнал

Кабельный журнал представлен в таблице 19

Таблица 19 – кабельный журнал

Обозначение

кабеля Трасса Кабель

начало конец Марка Кол-во и сечение жил Длина, м

11 ТСМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 50

12 ТСМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 55

13 ТСМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 60

60 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 50

61 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 55

62 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 60

63 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 30

64 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 35

65 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 40

70 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 30

71 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 35

72 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 40

73 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 30

74 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 35

75 расходомер шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 40

80 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 30

81 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 35

82 датчик давления шкаф ПЛК КВВГЭ 2?1,0 40

100 ИМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 30

101 ИМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 35

102 ИМ шкаф ПЛК КВВГЭ 4?1,0 40

4 Экономика производства

4.1 Расчет затрат на модернизацию системы

К капитальным затратам относятся:

• затраты на демонтаж старого оборудования включая остаточную стоимость демонтированного оборудования;

• затраты на приобретение нового оборудования;

• затраты на монтаж оборудования включая затраты на инструмент, материалы и рабочую силу.

Затраты на демонтаж оборудования составляют:

Кд=Кт+Ки+Коф+Кпр+Кост-Клик , (19)

где Кд – затраты на демонтаж оборудования, руб;

Кт – трудовые затраты, руб;

Ки – затраты на инструмент, руб;

Коф – затраты на использование основных фондов, руб;

Кпр – прочие затраты на демонтаж, руб;

Кост – остаточная стоимость ликвидируемых основных фондов, руб;

Клик – ликвидационная стоимость основных фондов, руб.

Затраты на приобретение и монтаж оборудования можно найти по формуле:

Кпмо=Цо*(1+ктр+км+кф) , (20)

где Кпмо – затраты на приобретение и монтаж оборудования, руб;

Цо – цена приобретаемого оборудования, руб;

ктр – коэффициент транспортно–заготовительных расходов;

км – коэффициент, учитывающий затраты на монтаж и освоение;

кф – коэффициент, учитывающий затраты на сооружение фундамента.

Затраты на приобретение оборудования представлены в таблице 19.

Таблица 19 — Затраты на оборудование

Наименование оборудования Кол-во, шт. Цена, руб. Суммарная

стоимость, руб.

Расходомер Annubar 3051SFA ProBar

1 45000 45000

Датчик давления Yokogawa EJA-130A 1 55000 55000

Датчик давления Sitrans-P DS III 1 50000 60000

Электропневматический позиционер Sipart PS2 1 35000 25000

Регулирующий клапан КМР 1 300000 700000

Итого: 485000

В результате затраты на демонтаж составят:

Кд = 5000+1000+10000+30000-120000 = -74000 руб

Так как ликвидационная стоимость основных фондов достаточно велика, то затраты на демонтаж получаются отрицательными.

Коэффициент транспортно–заготовительных расходов равен 0,05. Коэффициент монтажа и освоения принимается 0,1. Коэффициент на сооружение фундамента от 0,4. Следовательно затраты на приобретение и монтаж оборудования составят:

Кпмо = 485000*(1+0,05+0,1+0,04) = 577150 руб

В результате капитальные затраты равны:

К= Кд +Кпмо , (21)

К = -74000 +577150 = 503150 руб

4.2 Расчет годовой экономии

Модернизация позволит уменьшить численность технологического персонала, поэтому расчет годовой экономии будет происходить по фонду заработной платы:

Эзп=КР*Зс*12*1,3 , (22)

где КР – количество высвобожденных рабочих, чел;

Зс – среднемесячная заработная плата, руб;

12 – число месяцев в году;

1,3– коэффициент, учитывающий единый социальный налог;

Эзп = 1*30000*12*1,3 = 468000 руб/год

4.3 Расчет годового экономического эффекта и срока окупаемости капитальных вложений

Годовой экономический эффект затратного мероприятия рассчитывается исходя из годовой экономии и суммы дополнительных эксплуатационных затрат.

Здоп = АМд + Тр + Рпр , (23)

где АМд – дополнительные амортизационные отчисления, руб/год;

Тр – дополнительные затраты на текущий ремонт, руб/год;

Рпр- прочие дополнительные эксплуатационные расходы, руб/год.

АМд = (На*К)/100 , (24)

где На – норма амортизационных отчислений 14,3 %;

К – дополнительные основные фонды, руб.

АМд = (14,3*503150)/100 = 71950 руб/год

Тр = (Нтр*К)/100 , (25)

где Нтр – норма амортизационных отчислений 6 %;

К – дополнительные основные фонды, руб.

Тр = (6*503150)/100 = 30189 руб/год

В результате дополнительные затраты будут равны:

Здоп = 71950 + 30189 = 102139 руб/год

Годовой экономический эффект определяется по формуле:

Эф = Эг – Здоп , (26)

где Эф – годовой экономический эффект, руб.;

Эг – годовая экономия от мероприятия, руб.;

Здоп – дополнительные эксплуатационные затраты за год, руб.

Эф = 468000 – 102139 = 365861 руб

Срок окупаемости – это время, за которое поступления от производственной деятельности предприятия покроют затраты на разработку и внедрение системы.

Срок окупаемости рассчитывается по формуле:

Ток =К / Эф , (27)

где К- капитальные затраты на внедрение САР, руб.;

Эф — экономический эффект от внедрения САР, руб

Ток =503150 /365861 = 1,4 года

4.4 Расчет экономической эффективности

Экономическая эффективность характеризует величину годового эффекта от одного рубля капитальных затрат и определяется по формуле:

Е=Эф/К , (28)

Е = 365861 /503150 = 0,73

Экономическая эффективность должна быть выше нормы, чтобы мероприятие считалось эффективным. Для средств вычислительной техники, ПО и средств автоматизации нормативная эффективность 0,33. Для разработанной системы экономическая эффективность составила 0,73 что выше нормы.

Исходя из того, что техническое мероприятие считается экономически эффективным, если срок окупаемости данного мероприятия не превышает трёх лет, то можно сказать, что разработка автоматизированной системы регулирования аммиачной установки является эффективной, так как срок окупаемости данного мероприятия составляет 1,4 года. Анализируя два, выше приведенных параметра сделаем вывод, что внедрение системы целесообразно. В таблице 20 приведены основные технико-экономические показатели.

Таблица 20 — Основные технико-экономические показатели

Показатель Значение

1 Капитальные затраты на разработку и внедрение

системы, руб. 503150

2 Годовые эксплуатационные расходы, руб/год. 102139

3 Годовой экономический эффект от внедрения

системы, руб/год. 365861

4 Экономическая эффективность 1,4

5 Срок окупаемости, лет. 0,73

5Безопасность жизнедеятельности

5.1 Организация рабочего места электромонтера по обслуживанию САУ, САР участка, оснащение инструментом и измерительной аппаратурой

Рабочее место электромонтера должно соответствовать «СНиП» (строительные нормы и правила) и быть выполнено в соответствии с проектом.

Электромонтер должен быть обеспечен всем инструментом, необходимым для выполнения данного вида работ (или владеть бирочной системой). Инструмент должен храниться в специально отведенных для этого местах в чистоте и порядке. Работник должен пользоваться только исправным инструментом и измерительной аппаратурой. На рабочем месте должны храниться запчасти, а электромонтер должен знать нормы расхода сырья, материалов, инструмента, энергоресурсов, используемых в работе. Работник должен иметь спецодежду, спецобувь, средства защиты.

Рабочее место должно быть оснащено регламентирующими документами по ведению технологических процессов (ведению работ), эксплуатации, ремонту и техническому обслуживанию закрепленного оборудования, инструмента и средств связи в части, касающейся исполнения обязанностей в соответствии с ДИ (должностными инструкциями).

Создание благоприятных условий труда позволяет значительно снизить влияние вредных производственных факторов на организм работника. С этой целью проводится комплекс специальных мероприятий: рациональное размещение оборудования; обеспечение требуемых параметров микроклимата помещения; организация рабочих мест; применение технических средств защиты; организация режима труда; выполнение санитарно-технических требований к помещениям.

• Требования к вентиляции, отоплению и кондиционированию воздуха:

Температура и влажность воздуха в помещении обеспечивается в соответствии с сезонным отоплением в домоуправлении. Системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха должны быть выполнены в соответствии с главой СНиП 11-33-75 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Кондиционирование воздуха должно обеспечивать автоматическое поддержание параметров микроклимата в необходимых пределах в течение всех сезонов года, очистку воздуха от пыли и вредных веществ.

• Требования к уровням шума и вибрации:

Допустимые уровни звукового давления, уровня звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах должны соответствовать требованиям “Санитарных норм допустимых уровней шума на рабочих местах”, №3223-85. Вибрация не должна превышать предельно допустимых величин, установленных нормами.

• Требования к освещению:

Осветительные установки должны обеспечивать равномерную освещенность с помощью преимущественно отраженного или рассеянного светораспределения. Источники света следует располагать таким образом, чтобы исключить попадания в глаза прямого света. Защитный угол арматуры, в такой конструкции равен 30o. Пульсация освещенности люминесцентных ламп не должна превышать 10%.

• Требования к цветовому оформлению помещения:

При цветовом оформлении помещения необходимо учитывать климатические особенности района, где расположено здание, и ориентацию окон помещений по сторонам света. В цветовой композиции интерьера помещения должны использоваться гармоничные цветовые сочетания.

5.2 Организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ с автоматизированной системой управления

Мероприятия, обеспечивающие безопасность разделяются на: организационные, технические, эксплуатационные и режимные.

К организационным мероприятиям относятся: обучение производственного персонала правилам безопасности, создание необходимых иллюстраций, плакатов.

К техническим мероприятиям относятся: соблюдение норм при сооружений зданий, выбор и монтаж электрооборудования и т.д.

Эксплуатационные мероприятия предусматривают правильную эксплуатацию производственных машин, оборудования и т.п. При обслуживании электроустановок используются основные и дополнительные средства защиты.

Режимными мероприятиями являются ограничение или полное запрещение открытого огня, производство газосварочных работ, курение в пожароопасных помещениях.

Наряд выдаётся оперативному персоналу непосредственно перед началом подготовки рабочего места (до начала работы бригады). Он выполняется в двух экземплярах, заполняется под копирку при соблюдении четкости и ясности записей в обоих экземплярах. Исправлений и перечеркиваний написанного текста не допускается.

Перед допуском к работе ответственный руководитель и производитель работ совместно с допускающим проверяют выполнение технических мероприятий по подготовке рабочего места. После проверки рабочих мест и инструктажа бригады ответственный руководитель работ должен расписаться в предназначенной строке на оборотной стороне наряда. В случае, когда ответственный руководитель не назначается, подготовку рабочего места проверяет производитель работ, который расписывается в наряде.

После проверки выполнения технических мероприятий производится допуск бригады, который заключается в том, что допускающий проверяет соответствие состава бригады и квалификации, включенных в нее лиц записи в наряде, объясняет бригаде, откуда снято напряжение, где наложены заземления, какие части ремонтируемого и соседних присоединений остались под напряжением и какие особые условия производства работ должны соблюдаться.

С момента допуска бригады к работам надзор за ней в целях предупреждения нарушений требований техники безопасности возлагается на производителя работ или наблюдающего. Производитель работ и наблюдающий должны все время находиться на месте работы по возможности на том участке, где выполняется наиболее ответственная работа.

При перерыве в работе на протяжении рабочего дня (на обед, по условиям производства работ) бригада удаляется из закрытого или открытого рабочего участка. Наряд остается на руках у производителя работ (наблюдающего).

Плакаты, ограждения и заземления остаются на месте. Ни один из членов бригады не имеет права войти после перерыва в закрытое или открытое РУ в отсутствие производителя работ или наблюдающего. Допуск бригады после такого перерыва оперативным персоналом не производится. Производитель работ сам указывает бригаде место работы.

После полного окончания работы рабочее место приводится в порядок, принимается ответственным руководителем, который после вывода бригады производителем работ расписывается в наряде об окончании работы и сдает его оперативному персоналу либо при отсутствии последнего оставляет в папке действующих нарядов.

Наряд может быть закрыт оперативным персоналом лишь после осмотра оборудования и места работы, проверки отсутствия людей, посторонних предметов, инструмента и при надлежащей чистоте.

К эксплуатации системы управления допускаются лица, имеющие разрешение для работы в электроустановках напряжением до 1000 В, изучившие техническое описание и инструкцию по технике безопасности. Работа в электроустановках проводится по нарядам или распоряжениям. Работа в цепях устройств автоматики производится по исполнительным схемам; работа без схем, по памяти, запрещается.

Перед началом работы:

• электромонтер по ремонту электрооборудования должен получить задание на работу от мастера;

• проверить наличие и исправность ручного инструмента, индивидуальных защитных средств;

• надеть и привести в порядок спецодежду;

• не приступать к работе, если условия ее выполнения противоречат инструкциям по технике безопасности или другим документам, регламентирующим безопасное проведение работ.

При обслуживании системы:

• шкафы управления системы подключают к контуру защитного заземления; снимать наложенные в электроустановках заземления, препятствующие проведению испытаний и накладывать их снова можно только по указанию лица, руководящего испытанием;

• шкафы жестко крепятся на месте эксплуатации, в противном случае, возможно, их опрокидывание при открывании поворотной рамы установленными в нее ячейками и источниками питания;

• чистка изоляции без снятия напряжения на токоведущих частях и вблизи них производится в шкафах с помощью специальных щеток или пылесосов, снабженных изолирующими штангами; при работе в шкафах, находящихся под напряжением, в разных концах машинного зала, к которым возможно случайное прикосновение вывешивают предупреждающие плакаты;

• использовать приборы с высоким входным сопротивлением для измерения логических сигналов разрешается только обученным лицам из электротехнического персонала; работать только в диэлектрических перчатках, стоя на диэлектрическом коврике, на отвертках должен быть изолирован стержень, с применением защитного щитка;

• все шкафы управления имеют аппараты защиты от токов короткого замыкания и других аварийных режимов, могущих привести к пожарам; плавкие вставки предохранителей должны быть калиброваны с указанием на клейме номинального тока вставки;

• напряжение питания фотодатчиков 220 В переменного тока является опасным и следует помнить о наличии этого напряжения на разъеме, выявление неисправностей у фотодатчиков, их устранение и наладку производятся в лабораторных условия; обслуживающий персонал фотодатчиков должен иметь квалификационную группу не ниже третьей по электробезопасности.

5.3 Общая характеристика безопасности цеха

Газорегуляторные пункты служат для дополнительной очистки газа от механических примесей, снижения давления газа после газораспределительной станции и поддержании его на заданном значении с последующей бесперебойной и безаварийной подачей потребителям.

В зависимости от избыточного давления газа на входе газорегуляторные пункты могут быть среднего (до 0,3 МПа) и высокого давления (0,3-1,2МПа). ГРП могут быть центральными (обслуживать группу потребителей) и объектовыми (обслуживать объекты одного потребителя).

На территории «ФосАгро» в зависимости от условий работы могут выделяться в рабочую среду: аммиак, цианистый водород, сероводород, пары пиридина, смолы фенолов, которые, в зависимости от концентрации их в рабочей среде, могут оказывать вредное воздействие на организм человека. Массовые концентрации вредных веществ, опасных для жизни представлены в таблице 21.

Таблица 21 — Массовые концентрации вредных веществ

Наименование Массовая концентрация вредных веществ на рабочей зоне не более, мг/м3 Класс опасности1 Воздействие на человека2

аммиак 20 IV Отр

оксид углерода 20 IV О, Отр

фенол 0,3 II Отр

нафталин 20 IV Отр

цианистый водород 0,3 I О, Отр

сероводород 20 II О, Отр

серная кислота 2 II Раздр, Ожог

щелочь 0,5 II Раздр, Ожог

где 1 — I — чрезвычайно опасные, II — высокоопасные, III — умеренноопасные, IV – малоопасные

2 — О – вещества с остронаправленным механизмом действия (отравления вызываются малыми концентрациями или за короткий промежуток времени), Отр – воздействие на человека отравляюще, Раздр – воздействие на человека раздражающе, Ожог – ожоги химические.

Опасность при работе в аммиачном отделении вызывают:

• высокая токсичность химических продуктов;

• применение в процессе работы водяного пара высокой температуры и давления;

• вращающиеся части механизмов (насосов и вентиляторов)

• электрический ток, используемый в электроприводах, освещении.

Для безопасной работы необходимо:

• строго соблюдать нормы технологического режима;

• не допускать потерь и разливов продуктов и реактивов;

• все аппараты, паропроводы и продуктопроводы, выделяющие тепло, должны быть изолированы;

• работы, связанные с отравлением парами химических продуктов должны выполнятся в соответствующей спецодежде и с применением защитных средств;

• строго следить за исправностью приборов КИП, автоматической, сигнализацией, обеспечить их бесперебойную и надежную работу;

• все бездействующие газовые аппараты и участки газопроводов, за исключением участков газопроводов для пропуска газа напрямую, должны быть отключены заглушками;

• при возникновении аварий на отдельных участках цеха, аппарата и т. д. действовать с планом ликвидации аварий.

Устранение воздействия на персонал опасных и вредных факторов производственной среды является одной из задач инженерной охраны труда. Эта задача решается с использованием специализированных методов — требований к устройству предприятий и цехов, к технологическим процессам и оборудованию, средствам индивидуальной защиты и к организации производства и труда в сталеплавильных цехах.

5.4 Противопожарные мероприятия, проводимые в цехе

Основные требования к пожарной безопасности:

• Территория цеха, дороги и подъезды должны содержаться в исправном состоянии, очищаться при снегопадах;

• не допускать загромождения подъездов к противопожарному оборудованию;

• смазочные материалы должны храниться в плотно закрытых емкостях на складе ГСМ;

• в кладовой цеха и на рабочих местах обтирочные материалы должны храниться в специальных ящиках с крышкой;

• запрещается курить в газоопасных местах, в скиповых ямах, в складах ГСМ и возле них;

• на участках должно храниться противопожарное оборудование и инвентарь: ящики с песком, ящики с глиной, огнетушители;

• во всех газоопасных помещениях должны находиться предупреждающие знаки;

• все газоопасные работы должны проводиться по наряд-допуску;

• должны быть предусмотрены пожарные выходы.

5.5 Экологические мероприятия по охране окружающей среды

Рабочий персонал оказывает прямое воздействие на окружающую среду. Путем четкого выполнения требований технологических инструкций он может ограничить воздействие. Специалисты собирают информацию об экологической деятельности предприятия. Рабочая группа подразделения анализирует информацию, выдвигает идеи, разрабатывает мероприятия, работая по принципу «кружков качества». Руководитель принимает решения по управлению качеством окружающей среды. Значительная доля сил и средств, расходуемых на защиту окружающей среды, связана с защитой воздушного бассейна.

Защита воздушного бассейна осуществляется по следующим основным направлениям:

• защита от так называемых “организованных” видимых загрязнений и выбросов в виде отходящих (из агрегата) газов и находящихся в их составе пыли, копоти, дыма через трубу или газоотсасывающие устройства;

• защита с так называемыми “неорганизованными” загрязнениями, выделяемыми в атмосферу в процессе перевозки, перемещения, складирования сыпучих материалов и металлошихты, а также в процессе транспортировки и перелива жидких чугуна, шлака, стали, ферросплавов и лигатуры;

• борьба с невидимыми загрязнениями токсического характера (которые иногда оказываются более вредными чем видимые).

Пылегазообразные выбросы предприятий черной металлургии составляют 10-15% от общих выбросов промышленности в целом по стране. В этих выбросах содержится пыль, SO2, CO, CO2, NOx, H2S, фенолы, сероуглероды, бензопирены. Наибольшее количество SO2 содержится в выбросах аглофабрик, энергетических установок, цехов и участков, связанных с производством чугуна.

Пыль, выделяющаяся из плавильных агрегатов, обычно называют плавильной пылью, а газы вместе с пылью – “выбросами” (иногда — “пылегазовыми потоками”).

Задачей защиты воздушной среды от вредных выбросов и выделений является обеспечение концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны, на территории предприятия, атмосфере населенных мест не выше предельно допустимых концентраций.

Эта цель достигается применением методов и средств:

• рациональное размещение источников вредных выбросов по отношению к рабочим местам;

• удаление вредных выделений от источника их образования по средством местной или общеобменной вытяжной вентиляции;

• применение средств очистки воздуха от вредных веществ;

• применение индивидуальных средств защиты органов дыхания человека.

Вывод

В данном дипломном проекте рассматривалась модернизация автоматизированной системы управления технологическим процессом регулирования давления природного газа.

Была поставлена задача усовершенствовать систему регулирования давления газа. Она была достигнута за счёт изменения состава технологического оборудования.

Проведенный расчет экономической эффективности говорит о том, что внедрение разработанной АСР целесообразно.

В дипломном проекте отражено описание объекта автоматизации. Технологические возможности нового оборудования позволяют провести последующую модернизацию АСР. Были предоставлены организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ с АСР, а также правила обслуживания системы.

Литература:

1) Технические характеристики и описание технологического процесса подачи природного газа. «ОАО ФосАгро» 2004г. Шишмерев В.Ю., М.: «Академия» 388с.

2) Оформление пояснительной записки курсовых и дипломных проектов в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105 – 95. Череповецкий металлургический колледж, 1999.

3) Котов К.И., Шершевер М.А. Автоматическое регулирование и регуляторы. Учебник для техникумов. – М.: Металлургия, 1987.- 384 с.

4) А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребник. Машины и агрегаты металлургических заводов. Том 1. Машины и агрегаты доменных цехов. Учебник для ВУЗов. – М.: Металлургия, 1976, — 415 с.

5) Глинков Г.М., Маковский В.А. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. Пособие по курсовому и дипломному проектированию М.: Металлургия 1970-412с.

6) Алиев Н.И., Казинский С.Б. Кабельные изделия. Справочник М.: ИП Радио СОФТ, 2002-244с

7) Алиев Н.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. Учебное пособие для ВУЗов – М.: Высшая школа 2000-225с.

8) Информационные технологии. Автоматизированные системы. Общие положения.

9) Аристова Н.Н., Корнеева Н.А., Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. – ПГТУ им.Баумана Н., 2004г.

10) Шишимарев В.Ю. Средства измерения Уч-к для ССУЗов – М.: «Академия», 2007г.

11) Попов И.И., Патрыка Т.Л. Операционные системы, среды и оболочки. Уч-к для ССУЗов – М.: «Форум инфра-м», 2004г.

12) Таненбаум Э. Современные операционные системы 2-е издание М.: Питер 2002-520с.

Приложение А – Функциональная схема САУ

Приложение Б – Математическое модель САУ

Приложение В – Годографы устойчивости

Приложение Г – Технико-экономические показатели

Показатель Значение

1 Капитальные затраты на разработку и внедрение

системы, руб. 503150

2 Годовые эксплуатационные расходы, руб/год. 102139

3 Годовой экономический эффект от внедрения

системы, руб/год. 365861

4 Экономическая эффективность 1,4

5 Срок окупаемости, лет. 0,73