Локальные системы автоматического регулирования станции перекачки нефти

Дипломная работа для МТИ. Пояснительная записка 65 страниц, 6 таблиц, 11 рисунков, Антиплагиат по etxt 83%. Презентация 10 слайдов. Доклад. ...

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЧ
1.1 Классификация методов регулирования технологического процесса
1.2 Методы расчета параметров регулятора
1.3 Исполнение современных средств регулирования
ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТАНЦИИ
2.1 Анализ объекта автоматизации
2.2 Разработка структурной и функциональной схем
2.3 Расчет параметров регуляторов
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
3.1 Выбор оборудования для систем регулирования
3.2 Разработка принципиальной схемы системы
3.3 Разработка инструкции оператора
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

В ходе работы будет проведено проектирование систем автоматического управления станции перекачки нефти. Разработанные системы обеспечат поддержание давления и уровня жидкости в сепараторе, обеспечивающем отделение газа от жидкости, поступающие со скважин. Точное поддержание заданных параметров обеспечит лучшую сепарацию и сократит расходы на персонал, поскольку управление параметрами сепарации осуществляется в настоящее время вручную.

Конфигурирование ПЧ для управления конкретным двигателем осуществляется введением значений настроечных параметров программы-прошивки с передней панели, либо посредством программы при подключении преобразователя частоты к компьютеру.В состав ПО входят программные компоненты следующих устройств системы:программируемого логического контроллера (ПЛК);панели оператора;преобразователя частоты (ПЧ).Структура ПО представлена на рисунке 5.Рисунок 5 – Структура ПО Основными режимами работы являются автоматический и ручной.Автоматический режим работы осуществляется под управлением ПЛК. Автоматический режим обеспечивает выполнение следующих функций:управление работой насосных агрегатов;плавный пуск и плавный останов насосных агрегатов;чередование насосных агрегатов с заданным интервалом времени;автоматическое поддержание заданного давления;при неисправности работающего насосного агрегата переход на резервный;определение неисправности преобразователя частоты (с отображением на пульте управления), определение неисправности по создаваемому перепаду давления (показания датчиков входа и выхода);защита от сухого хода по отсутствию давления на входе, либо, при неисправности датчика входа, по сигналу ЭКМ. Останов агрегатов при пониженном давлении на входе и пуск при восстановлении давления на входе.Ручной режим работы осуществляется под управлением оператора с панели. Ручной режим обеспечивает выполнение следующих функций:прямое включение/выключение каждого насосного агрегата;возможность кратковременного (не более 5 секунд, интервал между включениями не менее 15 мин) пуска в ручном режиме резервного насосного агрегата при работающем основном.В соответствии с разработанной ранее структурой устройства, рассмотрим функциональную схему. Устройство должно принимать сигналы управления от оператора с помощью кнопок, установленных на панели управления и пульте управления, а также, на автоматизированном рабочем месте оператора. После получения сигнала управления, устройство должно выполнить соответствующий алгоритм. Так же, в каждый момент времени, устройство должно выводить информацию о текущем состоянии.Проектируемое устройство распределено по уровням иерархии следующим образом:- на первом уровне формируются сигналы о состоянии объектов управления, реализуются управляющие воздействия;- на втором уровне реализуются функции автоматического регулирования, дистанционного, логического управления и технологических защит.Вся система управления должна состоять из трех иерархических уровней.В 1-й (нижний) уровень входит:-датчики измеряемых аналоговых и дискретных сигналов;-исполнительные устройства, включающие в себя регулирующую арматуру и контакторы срабатывания выключателей;Во 2-ой (средний) уровень системы входит программируемый логический контроллер (ПЛК) для автоматического сбора и обработки измеряемых параметров.В 3-й (верхний) уровень системы входит:- операторская станция с экраном дисплея и функциональной клавиатурой.Информация с датчиков поступает на контроллер ПЛК. ПЛК обрабатывает полученные данные по алгоритму и вырабатывает управляющие воздействия, которые поступают обратно на первый уровень на исполнительные устройства.На третьем уровне происходит контроль за работой устройства и ввод управляющих воздействий. Панель оператора и АРМ взаимодействуют с ПЛК контроллером через отказоустойчивую вычислительную сеть. Данные о состоянии технологического процесса выводятся на мнемосхемы и позволяют оператору и диспетчеру контролировать технологический процесс.АРМ оператора осуществляет архивацию данных поступающих на проектируемое устройство, а также выходных управляющих воздействий.Проектируемое устройство должно принимать информацию с аналоговых и дискретных датчиков, для этого в составе устройства должен быть модуль приема дискретных сигналов и модуль приема аналоговых сигналов. Устройство должно выдавать управляющие воздействия, посредством выдачи аналоговых и дискретных сигналов, для этого в составе устройства должен быть модуль выдачи дискретных сигналов и модуль выдачи аналоговых сигналов.Для взаимодействия с устройствами третьего уровня, панелью оператора и АРМ, в составе устройства должен быть модуль взаимодействия с промышленной сетью Ethernet.Для выполнения алгоритма, проектируемое устройство должно уметь процессорный модуль, который будет содержать программу и выполнять алгоритм.Для обеспечения работоспособности в высокой готовности, проектируемое устройство должно содержать резервированный источник питания. Для большей надежности, резервированный источник должен быть запитан от двух линий, основной и резервной. Для выбора одной из линий, потребуется модуль автоматического выбора питающей линии.Устройство будет работать в условиях промышленного цеха с температурой от 5 до 30 градусов цельсия, поэтому для надежной работы потребуется климатический модуль, защищающий проектируемое устройство от перегрева.Алгоритм работы насосной станцией предназначен для:- управления работой двух асинхронных электродвигателей в составе насосных агрегатов (далее – НА), отключения электродвигателей при значениях текущих контролируемых параметров выше или ниже заданных;- поддержания заданного давления в напорном трубопроводе путем регулирования частоты вращения электродвигателя;- чередования работающих НА с целью выравнивания времени наработки.Для реализации вышеуказанных целей алгоритм обеспечивает выполнение следующих задач:- автоматическое управление технологическими процессами транспортировки нефти, а также контроля энергообеспечения этих процессов;- регистрация параметров работы технических средств и действий операторов;- отображение информации в удобном для персонала виде.Описание логики алгоритма выполнено в виде блок-схемы и представлено в приложении 1. Описание работы системы в автоматическом режиме и действия системы при аварии представлены в виде таблиц в приложениях 2 и 3 соответственно.2.3 Расчет параметров регуляторовЭлектродвигатель представляет собой апериодическое звено первого порядка. Как известно из теории автоматического управления, для управления объектами подобного рода наиболее оптимально подходят ПИД-регуляторы, обеспечивающие наивысшее быстродействие и точность поддержания регулируемой величины на заданном уровне. Поэтому в качестве регулятора используется ПИД-блок контроллера, обеспечивающий поддержание давления в напорном трубопроводе на заданном уровне по показаниям установленного на нем датчика. [10]Функциональная схема ПИД-регулятора представлена на рисунке 6. Рисунок 6 – Функциональная схема ПИД-регулятораКак видно из формул (1) и (2), составляющие части ПИД-регулятора обеспечивают выработку управляющего воздействия, направленного на уменьшения ошибки и пропорционального следующим параметрам рассогласования:пропорциональная – величине;интегральная – величине и длительности;дифференциальная – величине и скорости изменения. Рассчитаем приближенную кривую разгона уровня воды в приемном резервуаре. Площадь бака:Sоб=Sбп+Sбэ, (9)где Sбп – площадь прямоугольной части бака,Sбэ – площадь эллипсовидной части бака.Sбп=a∙b, (10)где а –длина прямоугольной части барабана,b- ширина барабана.Sбп=5∙1,6=6 м2Sбэ=π∙a∙b, (11)где a и b – длинны большой и малой полуосей эллипса.Sбэ=3,14∙0,7∙0,4 м2.Soб = 6,9 м2.Определим изменение уровня в баке за час∆H=∆GSоб, (12)где ΔG- расход за час, Sоб – площадь бака.[13]∆H=2,76,9=0,39 м/ч. Определим расход за секунду:∆H=0,393600=10,8∙10-5 м/сТранспортное запаздывание примем 8 секунд, обусловленное временем прохождения воды по трубопроводу до бака с момента открытия задвижки:τтр=8с.Строим кривую разгона h1(t) (рисунок 7). Рисунок 7 - Экспериментальная кривая разгона по уровнюИзменение уровня оценивалось при изменении подачи нефти в бак с помощью регулирующего органа, что позволяет учесть характеристики регулирующего органа при снятии кривой разгона объекта.Анализируя кривую разгона, видим, что объект является астатическим с транспортным запаздыванием. [14]сек. – комплексное запаздывание объекта, равное сумме транспортного запаздывания и переходного. Точка пересечения касательной с осью H есть изменение выходной величины за время запаздывания yτ=0,85 [%].Определим приближенную динамическую модель технологического объекта управления (ТОУ). [19]Передаточная функция будет иметь вид: (13)Это интегратор с запаздыванием, где - скорость нарастания переходного процесса, Va=yτx∙τоб=0,085 %С∙1(14)где х- входная величина, х=1Передаточная функция приближенной динамической модели ТОУWоб=0,85p∙e-8∙p(15)ОпределимХарактер изменения нагрузки плавный, статическая ошибка не допускается. Рассчитаем параметры настройки регулятора на 10% перерегулирование. Согласно заданной степени затухания воспользуемся номограммой, рисунок 8(б). [19]Номограммы для определения оптимальных параметров настройки ПИ-регулятора астатических объектов.Рассчитаем переходный процесс по управлению. Возмущающим воздействием по управлению является изменение положения задатчика.Передаточная функция системы регулирования по управлению имеет вид:(16)WзамYp=Kоб∙1T1∙p∙e-τТр∙Kрег∙1+1TИЗ∙p1+Kоб∙1T1∙p∙e-τТр∙Kрег∙1+1TИЗ∙p(17)Рисунок 8 - Номограммы для определения оптимальных настроек регулятораДля определения разделим функцию на р и выполним обратное преобразование Лапласа. Построим переходный процесс рисунок 9.Рисунок 9 - Переходный процесс по управлениюОпределим зону пятипроцентного отклонения. [18](18)Определим время регулирования . Это время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения будет меньше наперед заданной величины . Обычно ее принимают не более 5%. Таким образом время регулирования определяется быстродействием переходного процесса.[c.]Перерегулированием называется максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения, в %.[23](19)Колебательность характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время регулирования , она равна 1.Так как используем ПИ-регулятор, то статическая ошибка , степень затухания Рассчитаем переходный процесс по возмущению. Представим замкнутую систему регулирования. Передаточная функция системы регулирования по отклонению имеет вид:(20)t=0,0.5…300 [c.](21)Для определения разделим функцию на р и выполним обратное преобразование Лапласа.(22)Построим переходный процесс, рисунок 10. Определим зону пятипроцентного отклонения(23)Рисунок 10 - Переходный процесс по возмущениюПоказатели качества регулирования по возмущению: Определим время регулирования . Это время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения будет меньше наперед заданной величины . Обычно ее принимают не более 5%. Таким образом время регулирования определяется быстродействием переходного процесса. [16][c.]Перерегулированием называется максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения, в %.(24) [%]Колебательность характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время регулирования она равна 1.Так как используем ПИ-регулятор, то статическая ошибка Степень затухания(25)В ходе расчетов регулятора была определена передаточная функция объекта, построен переходный процесс по возмущению . Анализ переходного процесса показал хорошее качество регулирования по каналу возмущения. Предложенная методика может быть использована в процессе настройки системы регулирования уровня в баке. 2.4 Выводы по второй главеВ результате обследования станции перекачки нефти был выявлен ряд проблем:1. Отсутствие автоматизированного управления на станции, как следствие, необходимость постоянного нахождения персонала на участке; 2. Низкое время реакции на команды диспетчера по переключению задвижек;3. Контроль давления в трубопроводах осуществляется вручную с периодичностью раз в час.ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ3.1 Выбор оборудования для систем регулирования3.1.2 Выбор средств измерения давленияДля измерения давления газа Рд необходимо выбрать датчик с пределом основной допускаемой погрешности не ниже 0,1 и диапазоном измерения 0-10 МПа. Выбор проводился между RosemountCDS-3151GP, Метран-150CG и YokogawaEJX110A. Характеристики датчиков давления сведены в таблицу 1.Таблица 1 -Характеристики датчиковНаименование характеристикиЗначениеДатчикCDS-3151GPМетран-150CGEJX110AВыходной сигнал, мА4-204-204-20Предел допускаемой основной погрешности, %0,040,10,075Пределы измерений0 – 10 МПа0-10 МПа0,4 - 16МПаМежповерочный интервал3 года2год3 годаВнешнее магнитное поле напряженностью 400 А/мНе более ±1%Не 12-36более ±1%Не более ±1%Напряжение питания, В12-3612-3612-36Сопротивление изоляции, МОмНе менее 20Не менее 20Не менее 20Потребляемая мощность, ВА0,811Срок службы датчикаДо 12 летДо 10 летДо 12 летДля измерения давления и перепада давления были выбраны датчики Метран-150CG, так как наряду с наименьшей стоимостью обладают рядом преимуществ:применимые вещества: жидкость, газ или пар;температурные пределы: средняя температура среды: -40~300°C, температура хранения: -40~85°C, температура окружающей среды: -40~85°C; относительная влажность: 0~100%; отклонение объема: менее 0,16 см3; демпфирование: регулируемая постоянная времени 0,2 ~32,0 сек; время включения: три секунды, без предварительного прогрева;эффект температуры окружающей среды: ±0.25% /55 °C ВГД (верхняя граница диапазона) для нулевой погрешности; общая температурная погрешность нуля и шкалы составляет ± 0,15%; эффект вибрации: менее чем ±0.05% ВГД.3.1.2 Выбор средств измерения уровня жидкостиДля измерения уровня жидкости в баке выберем самый простой, ультразвуковой датчик с пределом основной допускаемой погрешности не ниже 0,5%. Характеристики датчиков давления сведены в таблицу 2.Таблица 2 - Таблица сравнения датчиков уровняНаименование Диапазон измерения, м Температура средыПогрешность Диапазон давления, МПа ИзмеряемойОкружающейRosemount 31010,3-8-20..70-20..70±0,5% -0,025...0,3 Rosemount 21100,3-8-40..150-40..80±0,5% от -0,1 до 10 Rosemount 21300,5-5-70..260-40..80±0,5% от -0,1 до 10 Mobrey0,2-5-100..400-60..80±0,5% от -0,1 до 20 Выберем ультразвуковой уровнемер Rosemount 3101. Он предназначен для обеспечения непрерывного измерения уровня жидкости и расстояния до поверхности жидкости в резервуарах, хранилищах, сточных ямах, демпферных резервуарах. Особенности:недорогое и надежное решение для обеспечения непрерывного измерения уровня;простой ввод в эксплуатацию и использование;отсутствие подвижных частей и частей, контактирующих со средой;отсутствие необходимости в калибровке;минимальное время простоев;наличие встроенного дисплея и кнопок для конфигурирования в стандартной комплектации.3.1.3 Выбор исполнительных элементовВыбор исполнительных элементов для управления шаровыми кранами обвязки проводился между МЭП-25000/100-50-00К и AumaMatic. Характеристики датчиков сведены в таблицу 3.Таблица 3 - Характеристики МЭП-25000/100-50-00К и AumaMaticНаименование характеристикиЗначениеИММЭПAumaMaticНоминальный крутящий момент, Нм2500030000Номинальное время полного хода выходного вала, с10010Номинальный полный ход штока, мм50-Напряжение питания, В380380Частота, Гц5050Потребляемая мощность, Вт200100Габариты, мм3l0/380/5502l0/500/350Температура окружающей среды, °С-50...+50-50...+70Срок службы, летНе менее 1520 летВ качестве запорно-регулирующей аппаратуры были выбраны электроприводы AumaMatic с блоками электронного управления. К их преимуществам можно отнести:защита от перегрузки по крутящему моменту;контроль температуры электродвигателя в сочетании с термовыключателем в электроприводе;электроники привода и блока управления от перенапряжений до 4кВ;высокая вибрационная прочность (1г для 10…200Гц).3.2 Разработка принципиальной схемы системыБлоки реле служат для управления пусковой аппаратурой насосов объекта автоматизации. По сигналам телеуправления шкафа автоматики реле коммутируют/разрывают внешние силовые цепи переменного тока с силой тока до 20 А.Шкаф силовой электроники предназначен для размещения в нём блока силового, а также вторичных приборов датчиков.Блок силовой обеспечивает подачу напряжения питания на электродвигатели регулирующих клапанов. Размещенные в нем автоматические выключатели обеспечивают отключение электродвигателей при превышении допустимого тока электродвигателя. Кроме того, по командам шкафа автоматики, они обесточивают электродвигатель при возникновении аварийных ситуаций приводов (редукторов) регулирующих клапанов (по сигналу аварии, генерируемым приводом).В Шкафу силовой электроники смонтированы двенадцать вторичных преобразователей БТВИ из состава датчиков измерения уровня ДУУ-4 фирмы «Альбатрос», девять преобразователей ПВС-4 из состава сигнализаторов уровня СУР-5 производства той же фирмы. Дополнительно в Шкафу силовой электроники смонтирован, блок питания датчиков контроля загазованности БПС-21М, блок обработки данных Vega-03, и вторичный блок массомера «Micro Motion».Вторичные преобразователи датчиков измерения уровня ДУУ-4 предназначены для приема сигналов от первичных датчиков, установленных на емкостях Б1…Б4, расходных емкостях реагентов, РВС-1…РВС-3, дренажной ёмкости, емкостях хранения реагента и формирования стандартных токовых сигналов 4...20 мА и для передачи их в шкаф автоматики. Преобразователи ПВС-4 формируют дискретный сигнал об аварийном уровне в буллитах Б1…Б4, конденсатосборнике, РВС-1…РВС-3, дренажной ёмкости.Блок обработки данных «Vega-03» обеспечивает прием информации от датчика расхода «Норд-2И», формирование стандартных токовых сигналов 4...20 мА текущего расхода жидкости и воды, соответствующих измеренным значениям. Измерения производятся по резервной линии на узле учета нефти. Дополнительно блок обработки данных «Vega-03» формирует импульсный сигнал накопительного расхода, который учитывается контроллером Шкафа автоматики.Вторичный блок массомера «Micro Motion» обеспечивает прием информации с первичного преобразователя, установленного на основной линии узла учета нефти. Вторичный блок формирует стандартный токовый сигнал 4...20 мА текущего расхода жидкости и два импульсных сигнала накопительного расходов нефти и жидкости, прошедших через первичный преобразователь. Токовый сигнал непосредственно передается для обработки в шкаф автоматики, импульсные сигналы учитываются контроллером Шкафа автоматики.Питание аппаратуры, установленной в Шкафу силовой электроники, осуществляется переменным напряжением 220В и постоянным напряжением 24В – в зависимости от технических требований на соответствующие приборы. Переменное напряжение поступает от АВР шкафа автоматики, постоянное напряжение поступает от резервированных источников питания, установленных в шкафу автоматики.Между компонентами системы предусмотрены следующие каналы обмена информацией:-Каналы обмена информацией (проводные линии связи) между датчиками объекта автоматизации, вторичными приборами в шкафу силовой электроники и шкафом автоматики.-Каналы обмена информацией (проводные линии связи) между блоками реле и шкафом автоматики.-Каналы обмена информацией (проводные линии связи) между датчиками системы загазованности и блоком питания БПС-21 из состава шкафа силовой электроники.-Каналы обмена информацией между шкафом автоматики и приборами по месту по интерфейсу RS-485 и CAN протокол (проводные линии связи).-Каналы обмена информацией (проводные линии связи) между шкафом автоматики и АРМ оператора.-Канал передачи информации между шкафом автоматики и диспетчерским пунктом.Каналы обмена информацией (проводные линии связи) между датчиками объекта автоматизации, вторичными приборами в шкафу силовой электроники и шкафом автоматики обеспечивают без потерь и искажений передачу:аналоговых сигналов 4...20 мА с напряжением постоянного тока от 14 до 24В по двухпроводной линии связи;аналоговых сигналов 4...20 мА с напряжением постоянного тока от 14 до 24В по четырёхпроводной линии связи;аналоговых сигналов от преобразователей сопротивления по трехпроводной линии связи.