СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ АГРЕГАТАМИ
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF PROCESS UNITS

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области автоматизации технологических процессов в нефтяной, газовой, химической, энергетической и других отраслях промышленности.
Уровень техники
При создании технологических агрегатов, функционирующих в составе технологических процессов, важной задачей является повышение надежности и долговечности их работы и снижение трудозатрат.
Большинство применяемых в настоящее время систем автоматического управления (САУ) имеют централизованную структуру, в которой функции управления реализуются в центральном устройстве управления (центральном процессоре), получающем информацию от датчиков и формирующем команды, управляющие исполнительными механизмами. Такие централизованные САУ требуется размещать в выделенном месте (отдельном блок-контейнере, блок-боксе, аппаратной и т.д.), которое расположено на удалении от автоматизируемого технологического оборудования.
Удаленное размещение предусматривает соединение САУ и технологического оборудования с помощью множества кабельных линий с использованием большого числа промежуточных клеммных коробок, кабельных вводов и другого вспомогательного оборудования, а, следовательно, необходимость выполнения значительного объема работ по прокладке кабельных линий непосредственно на эксплуатационной площадке.
Наличие большого количества протяженных кабельных линий и соединений оказывает негативное влияние на надежность работы технологического оборудования, так как существует возможность сбоя (отказа) в работе любого из элементов.
Завершение проектов автоматизации для централизованных САУ возможно только после завершения конструирования технологического оборудования, а само проектирование требует высоких трудозатрат.
Кроме того, следует отметить, что одним из существенных недостатков централизованных САУ является полная остановка работы оборудования при отказе центрального устройства управления.
Указанное выше исполнение САУ с центральным блоком управления раскрыто, например, в следующих патентах.
RU2660216C1 «Система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом (ГПА) КВАНТ-Р» (МПК F04D27/00, дата публ. 05.07.2018), в котором САУ содержит блок управления, включающий контроллер с микропроцессорным модулем и связанный посредством физических линий связи с датчиками (давления, температуры, частоты вращения), исполнительными механизмами, крановой обвязкой и сигнализаторами;
CN202381311U1 «Automatic control system based on condensate pump of 9F-level gas-steam combined unit» (МПК F04B49/00, дата публ. 15.08.2012), согласно которому САУ содержит центральный блок регулирования уровня воды;
RU23639U1 «Газоперекачивающий агрегат» (МПК E04H5/02, дата публ. 27.06.2002), содержащий блок автоматического управления технологическими процессами, который расположен в отдельном взрывобезопасном помещении;
AM1151A2 «Система автоматического управления технологическим процессом измельчения руды с замкнутым циклом» (МПК B02C 25/00, опубл. 26.09.2002) раскрывает систему управления технологическим процессом измельчения руды: при помощи датчика количества продукта, возвращаемого в мельницу из классификатора, сравнивающего устройства и усилителя фиксируется каждое изменение количества возвращаемого в мельницу продукта, эти данные для производства новых измерений передаются датчикам гранулометрического состава измельчаемой руды, количества полезных составляющих и гранулометрического состава на входе и выходе классификатора. По результатам измерений вычислительный блок определяет оптимизированные значения регулируемых параметров и передает их в блоки управления, в результате расширяются эксплуатационные возможности, повышается точность управления и технологичность.
Из UA4943U (МПК C22B 34/12, опубл. 15.02.2005) известна система автоматического управления технологическим процессом восстановления тетрахлорида титана магнием, которая содержит системы весоизмерения загруженного магния и дихлорида магния, которые сливают, систему учета поданного в аппарат тетрахлорида титана, который содержит дозаторы подачи тетрахлорида титана, программно-вычислительные и оперативно запоминающие устройства, устройство для перемещения сливного ковша для дихлорида магния, блоки и программное обеспечение.
UA73051U (МПК G05B13/04, опубл. 10.09.2012) раскрывает систему автоматизации процессов координации подсистем комплекса сахарного завода с использованием ситуационного управления содержит в своем составе классификатор, базу знаний, решатель, анализатор. Дополнительно содержит координатор, который в режиме реального времени решает задачу координации по принципу прогнозирования взаимодействий, координатор в явном виде определяет момент времени и действия координации.
В настоящее время разработаны также системы автоматизации с распределенной структурой. Например, известен агрегатно-цеховой комплекс «РИУС-КВАНТ» (патент RU66447U1, МПК F04D27/00, дата публ. 10.09.2007). В состав комплекса входит ГПА с САУ, содержащей блок логических контроллеров, устройства ввода-вывода сигналов, соединенных с соответствующими датчиками и исполнительными механизмами технологических блоков ГПА. Все САУ комплекса «РИУС-КВАНТ», включая и САУ ГПА, установлены на промышленной площадке цеха, непосредственно у своего технологического объекта управления и соединены проводными линиями связи (кабельными линиями) с датчиками и исполнительными механизмами. Однако несмотря на то, что в данном техническом решении протяженность кабельных линий сокращена за счет размещения САУ на площадке цеха рядом с технологическим объектом управления, общая протяженность комплекта кабелей остается значительной, что снижает надежность работы агрегата. Кроме того, САУ расположена в индивидуальном блок-боксе, что увеличивает массогабаритные характеристики агрегата в целом.
Известно техническое решение из патента RU79155U1 «Агрегатно-цеховой комплекс контроля и управления компрессорным цехом АГАТ-РИУС-КЦ» (МПК F04D27/00, дата публ. 20.12.2008), согласно которому на промышленной площадке цеха размещены газоперекачивающие агрегаты, управляемые распределенными САУ, каждая из которых размещена на площадке цеха рядом со своим технологическим объектом в своем отдельном контейнере.
В отношении данного технического решения так же, как и в отношении рассмотренного выше патента RU66447U1, следует отметить, что, несмотря на размещение систем управления вблизи своих объектов управления, протяженность проводных линий остается значительной, что негативно влияет на надежность работы оборудования, а размещение каждой САУ в индивидуальном контейнере увеличивает массогабаритные характеристики оборудования.
Прототипом заявляемого технического решения является распределенная система управления, выполнение которой раскрыто в патенте RU133883U1 «Распределенная САУ газоперекачивающим агрегатом» (МПК F04D27/00, дата публ. 27.10.2013). Применение этой САУ обеспечивает полную заводскую готовность отдельных технологических блоков агрегата, снижение массогабаритных характеристик, а также повышение надежности работы агрегата за счет минимизации протяженности кабельных линий: распределенная система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом включает агрегатные интеллектуальные станции, панель резервного управления, устройство распределения электропитания, блок экстренного останова, блок защиты агрегата, блок связи, агрегатные интеллектуальные станции установлены непосредственно на конструктивные элементы технологических узлов газоперекачивающего агрегата, при этом они содержат контроллеры, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, оборудование для связи с другими устройствами системы по цифровым оптическим, проводным или беспроводным линиям, размещенные в универсальных электротехнических шкафах, агрегатные интеллектуальные станции могут быть выполнены в виде взрывозащищенного корпуса с защитой вида Exd, агрегатные интеллектуальные станции могут быть дополнительно оснащены промежуточной клеммной коробкой, в которой расположены клеммы для подключения внешних кабелей, технологические узлы газоперекачивающего агрегата, имеющие аварийные параметры и исполнительные механизмы, критичные для работы газоперекачивающего агрегата в установившихся режимах, оснащают не менее чем двумя агрегатными интеллектуальными станциями. В качестве недостатков указанного прототипа необходимо отметить, что АИС представляет собой проектно-компонуемое изделие, т.е. АИС не являются универсальными изделиями, и для каждого технологического блока требуется индивидуальная разработка одной или нескольких агрегатных интеллектуальных станций.
Раскрытие сущности изобретения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции технологических блоков, обеспечивающее повышение надежности их функционирования, а также сокращение временных и материальных затрат на проектирование, изготовление, испытания и ввод в эксплуатацию технологических блоков.
Для достижения указанного технического результата предлагается система автоматического управления технологическими агрегатами, в которой, в отличие от прототипа, используются не проектно-компонуемые, а универсальные средства автоматизации ограниченной номенклатуры.
Указанная система автоматического управления технологическими агрегатами может применяться как для автоматизации отдельных законченных технологических агрегатов, так и для комплексных технологических агрегатов, состоящих из совокупности технологических блоков.
Отличительной особенностью предлагаемой системы автоматического управления технологическими агрегатами является то, что разработчик агрегата на этапе разработки конструкторской документации на технологические блоки устанавливает элементы системы в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов в любом удобном месте соответствующего технологического блока.
Как и в прототипе, агрегат включает функционально законченные технологические блоки (узлы) с размещенными на них датчиками и исполнительными механизмами. Для достижения технического результата в каждый технологический блок агрегата встраивается универсальный вычислительный модуль (универсальная агрегатная интеллектуальная станция, АИС), реализующий алгоритм управления этим блоком, при этом данный вычислительный модуль связывается с источниками информации (датчиками) и исполнительными механизмами технологического блока с помощью узлов интерактивной сети (УИС).
АИС представляет собой электронное устройство ввода-вывода и обработки информации, конструктивно выполненное в виде модульного блока. К АИС подключены датчики и/или исполнительные механизмы, размещенные на том же технологическом блоке. Каждая АИС оснащена контроллером и обеспечивает реализацию локальных задач управления соответствующим технологическим блоком агрегата.
АИС, размещенные на разных технологических блоках, соединены между собой каналами информационного взаимодействия в распределенную локальную информационно-управляющую сеть, образуя одноранговую структуру без центрального устройства, которая реализует задачи комплексного управления агрегатом через информационно-алгоритмическое взаимодействие АИС между собой.
Обычно при автоматизации агрегатов, состоящих из нескольких технологических блоков, каждый технологический блок оснащается одной АИС и несколькими УИС, а взаимодействие АИС этих блоков для реализации комплексного алгоритма управления агрегатом без использования центрального устройства осуществляется через интерактивную сеть. В предлагаемой системе автоматического управления технологическими агрегатами для информационного взаимодействия между АИС и УИС используются двухпроводные линии электропитания и защищенный радиоканал с помехоустойчивым кодированием.
В системе используется УИС двух типов – УИС-1 и УИС-2.
УИС-1 осуществляет прием сигнала от датчика, его первичную обработку, преобразование в цифровой код и передачу этого кода в АИС по каналам информационного взаимодействия.
УИС-2 по аналогичным каналам информационного взаимодействия принимает от АИС цифровой код и выполняет его преобразование в необходимую для управления исполнительным механизмом форму.
АИС принимает информацию от всех УИС-1, установленных на технологическом блоке, выполняет её обработку в соответствии с алгоритмами управления, формирует команды управления исполнительными механизмами и передает их во все УИС-2 данного технологического блока.
Краткое описание чертежей
Структура системы автоматического управления технологическими агрегатами приведена на фиг. 1.
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 – агрегатные интеллектуальные станции (АИС);
2 – узлы интерактивной сети УИС-1;
3 – узлы интерактивной сети УИС-2;
4 – двухпроводные линии электропитания;
5 – радиоканал;
6 – канал информационного взаимодействия АИС;
7 – датчики;
8 – исполнительные механизмы.
Осуществление изобретения
Заявляемая система автоматического управления работает следующим образом.
В общем случае технологический агрегат состоит из нескольких функционально законченных технологических блоков. При автоматизации с использованием описанной системы автоматического управления технологическими агрегатами каждый технологический блок оснащается одной или несколькими АИС (1) и необходимым числом УИС-1 (2) и УИС-2 (3) по количеству датчиков (7) и исполнительных механизмов (8). Сигналы от датчиков подступают на УИС-1, преобразуются в цифровой код и передаются в АИС по каналам обмена информации – двухпроводным линиям электропитания (4) и радиоканалу (5). Если для реализации алгоритма управления технологическим блоком необходима информация от других технологических блоков, эта информация принимается АИС данного технологического блока от других АИС по каналу информационного взаимодействия АИС (6). АИС технологического блока осуществляет обработку информации, полученной от УИС-1 этого технологического блока и АИС других технологических блоков в соответствии с алгоритмом управления, и формирует управляющие воздействия, которые передаются на УИС-2 соответствующего технологического блока. Реализация алгоритмов управления технологическим агрегатом на этом завершена.
Таким образом, предлагаемая система автоматического управления технологическими агрегатами за счет использования ограниченной номенклатуры универсальных технических средств не требует проектирования под каждый конкретный технологический агрегат, что упрощает конструкцию технологических агрегатов и приводит к повышению надежности их функционирования.