Автоматизированная система управления защитой технологического оборудования от коррозии

А.А. Гриднева

АВТОМА ТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЗАЩИТОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТ КОРРОЗИИ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ»

~П настоящее время в промышленности все большее

-И-М применение находят автоматизированные системы управления технологическими процессами. Особенно актуальным является применение автоматизированных систем управления на предприятиях, работающих с горючими материалами, а значит с высокой степенью взрыво- и пожароопасности. Основанием для разработки и введения такой системы стало несовершенство процесса измерения скорости коррозии и борьбы с ней, а также высокая степень пожароопасности для персонала, проводящего обслуживание систем.

До применения автоматизированной системы процесс измерения скорости коррозии происходил следующим образом. В трубу, в которой находится вещество, ставились купоны (металлические пластины-образцы), которые было необходимо доставать для измерения каждый месяц. Измерялся вес пластин до и после установки в трубу и тем самым рассчитывалась скорость коррозии. Затем рассчитывалось необходимое количество реагентов для подачи в трубы и на насосах вручную устанавливалось положение лимба (механический дозатор), который регулирует размер камеры насоса. Частота хода поршня была фиксированной - 50 Гц.

Важным пунктом в системе является количество расходуемых реагентов: ингибиторов и нейтрализаторов. Нейтрализатор

применяют для удаления накипи с труб, а также для увеличения уровня pH (смягчает воду). Ингибитор служит для замедления химической реакции коррозии металла, образуя защитную пленку на внутренней поверхности трубы. Если будет подано недостаточное количество реагентов, то коррозия оборудования будет продолжаться и приведет в дальнейшем к аварийным

ситуациям. Это повлечет дополнительные экономические издержки, так же как и перерасход реагентов из-за их высокой стоимости.

Ввиду с этим была разработана «Автоматизированная система защиты технологического оборудования от коррозии», которая уменьшает участие человека в сложных процессах замера купонов, ручного управления насосами и расчета необходимого количества реагентов, тем самым снижая человеческий фактор в работе системы.

Техническое задание на разработку системы

Разрабатываемая автоматизированная система управления (АСУ) защиты технологического оборудования от коррозии предназначена для реализации функций коррозионного мониторинга на установке АВТ (атмосферно-вакуумной трубчатки).

Данная автоматизированная система относится к информационно- управляющей системе, предназначенной для приема и обработки поступающей информации от параметрических датчиков контроля, установленных на технологическом оборудовании, с последующим управлением дозировочными насосами в режиме реального времени.

Цели создания системы:

- сбор и обработка аналоговых сигналов уровня 4-20 мА;

- управление дозирующими насосами через преобразователь частоты (ПЧ) в соответствии с заданным алгоритмом;

- сбор и обработка цифровых сигналов от датчиков по интерфейсу RS485;

- регулирование заданного технологического параметра;

- отображение текущих параметров технологического процесса в виде значений или графиков на дисплее;

- формирование команд блокировки при выходе определенных параметров за допустимые значения;

- повышение эффективности оперативного управления технологическими процессами по сравнению с традиционными системами управления;

- обеспечение условий и повышение культуры труда технологического персонала за счет представляемого системой сервиса;

- уменьшение количества выполняемых технологическим персоналом операций за счет их автоматизации;

- накопление и сохранение полученной информации;

- безопасность.

Применение современных микропроцессорных технических и программных средств в случае необходимости должно

обеспечивать развитие системы и ее интеграцию в

производственную информационную сеть.

Система должна иметь аппаратную и программную диагностику исправности входных каналов устройств связи с объектом (УСО), а также сигнализацию и сохранение результатов диагностики.

Система должна допускать расширение объема

информационных задач и задач управления.

В случае выхода из строя датчика или линии связи в контурах регулирования значение параметра «замораживается» и положение исполнительного механизма должно оставаться в состоянии «до неисправности», о чем оператору представляется соответствующая информация.

В целях предотвращения срабатывания блокировок во время пуско-наладочных и ремонтных работ программой должно быть предусмотрено отключение оператором блокирующих воздействий с последующей регистрацией действий оператора.

Связь между контроллерами должна осуществляться с помощью сети ETHERNET.

В системе должна быть предусмотрена диагностика микропроцессорных средств, выполняемая в режиме реального времени автоматически или по желанию оператора-технолога и указывающая на неисправность.

Описание системы

Функционально систему автоматизированного коррозионного мониторинга можно представить на рис. 1.

В состав структурной схемы входят (по стрелке справа налево): купон и датчик, блок оперативного контроля, модуль управления, блок управления дозирующими насосами, дозирующий насос, форсунка и АРМ.

Схема работает следующим образом: С датчиков контроля параметрические сигналы поступают на блок оперативного

контроля, с которого после преобразования входящих сигналов поступающие данные передаются на модуль управления и автоматизации (ПЧ). Вся поступающая информация накапливается на ПК АРМ и выводится на монитор (или принтер) в

1“=1_ _1

= = = =

Блок

»правления ДН Модуль управления

Ч 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г

Блок оперативного контроля

Рис. 1

качестве основных параметров, влияющих на протекание коррозионных процессов.

В зависимости от показаний датчиков модуль управления в автоматическом режиме осуществляет регулирование подачу ингибитора (нейтрализатора) через блок управления дозирующими насосами (ДН). Доза подаваемого ингибитора (нейтрализатора) меняется в автоматическом режиме (или при участии оператора) и зависит от показаний датчиков.

Накапливаемый в ПК банк данных в любое время может извлекаться специалистами для последующего анализа и корректировки при антикоррозионных мероприятиях. Для корректировки показаний датчиков коррозии в системе предусмотрены образцы свидетели (купоны), которые устанавливаются около датчиков коррозии.

Реализация АСУ в SCADA системе «Статус-4»

Система мониторинга будет реализована в SCADA системе «Статус-4», организованной на базе операционной системы QNX. Преимущество ОС QNX перед ОС Windows очевидно для разрабатываемой системы управления. ОС QNX - система жесткого реального времени, т.е. не допускает задержек реакции системы, так как это может привести к потере актуальности результатов, авариям и катастрофам, большим финансовым проблемам, что особенно важно для разрабатываемой системы.

Система «Статус-4» - это многозадачный, многопользовательский пакет программного обеспечения -SCADA, для проектирования, технологического

программирования и реализации исполнения программ управления АСУ ТП в реальном времени.

«Статус-4» позволяет:

• создавать собственную базу данных из стандартных типов объектов;

• может обрабатывать «сырые данные», поступающие от модулей УСО в конкретном узле, владеющим данной переменной, включая фильтрацию, линеаризацию, звуковые сигналы, аварии и т.д.;

• создавать наборы трендов реального времени;

• вести наблюдение за состояниями аппаратуры контроллеров.

Главная панель SCADA системы представлена на рис. 2.

і Прием Репери Д Ннешды Трендьісіриіі йол Собьи^арии Реиірьі Отладка Ым Прочее... И НІ I

Рис. 2

На главной панели окна SCADA системы представлены вкладки:

• Проект - содержит информацию о текущем проекте и позволяет останавливать, запускать систему;

• Регистрация - вход в систему регистрации/раз-регистрации пользователей;

• Мнемосхемы - вход в систему выбора мнемосхем;

• Тренды/История - вход в систему просмотра трендов и истории;

• Сводка - содержит информацию о состоянии объектов системы;

• События/Аварии - содержит информацию о состоянии системы;

• Редакторы - вход в редакторы системы;

• Отладка - запуск режима эмуляции;

• Служебные - функции для служебного пользования;

• Прочее - дополнительный набор утилит системы;

• Справка - вызов данной справки.

Основными редакторами, используемыми при создании проекта, будут: редактор базы объектов, редактор мнемосхем, редактор языка технологического программирования ^СО^.

Применяя вышеперечисленные редакторы, была создана главная мнемосхема, отображающая технологический процесс на установке АВТ.

На рис. 3 (главной мнемосхеме) можно увидеть структурную схему работы всей установки.

Таблица 1

Таблица элементов

Элемент Назначение

Е-38 Бочка с нейтрализатором

Е-22 Бочка с ингибитором коррозии

Н-60 Основной насос, подающий нейтрализатор

Н-60а Резервный насос, подающий нейтрализатор

Н-60б Основной насос, подающий нейтрализатор

Н-41 Основной насос, подающий ингибитор

Н-41а Резервный насос, подающий ингибитор

Н-41б Основной насос, подающий ингибитор

К-1 Резервуар для отстаивания нефти

К-2 Резервуар для отстаивания нефти

Е-1 Резервуар разделения нефти на составляющие

Е-3 Резервуар разделения нефти на составляющие

Элемент Назначение

дЕ4 Регулятор уровня pH, управляющий насосом Н-60б

дЕ5 Регулятор уровня pH, управляющий насосом Н-60

ВЕ2 Регулятор скорости коррозии, управляющий насосом Н-41

ВЕЗ Регулятор скорости коррозии, управляющий насосом Н-41б

Т */* Охладители

Механический дозатор на насосе

Символ насоса

<-----------

Расход реагента

Рис. 4. Насос

Описание насосов и их регулирование

Изображение насоса на видеокадре автоматизированного рабочего места показано на рис. 4. Цвет символа насоса изменяется в зависимости от сигналов «работа» и «авария» на ПЧ. Символ насоса имеет следующие цвета:

^ серый - нет сигнала «работа»;

^ зеленый - есть сигнал «работа»;

^ красный - есть сигнал «авария».

^ мигает зеленый - есть сигнал «пуск», ждёт прихода сигнала «работа»;

^ мигает белый - есть сигнал «стоп», ждёт ухода сигнала «работа»;

^ мигает зеленый-красный - есть сигнал «пуск», не пришел через время, установленное в программе, сигнал «работа»;

^ мигает белый-красный - есть сигнал «стоп», не ушел через время сигнала «работа»; Рядом с изображением насоса на видеокадре сигнализируется расход реагента насосом. Изменяется подача реагента насосом ПЧ с помощью регуляторов коррозии и pH.

Также в изображении насоса присутствует поле с названием «Лимб». Оно предназначено для ввода оператором значения, выставленного на физическом переключателе, находящемся на насосе.

Описание регуляторов

Основной задачей управления в системе является управление дозирующими насосами с помощью частотного преобразователя (ЧП). Для этого используются 2 типа регуляторов. Выбор закона регулирования является основным звеном в процессе

Описание регуляторов рН

Вызов основной панели управления

Вызов подробной панели регулятора

Сигнализация выбора автоматического или ручного режима регулирования

<-------------

Входной сигнал

Рис. 5. Вид регулятора рН на мнемосхемах

проектирования системы автоматического регулирования. Синтез оптимального регулятора, дающего максимальные показатели качества регулирования, представляет собой достаточно сложную задачу. Во многих случаях можно обойтись ПИД-реулятором. Насосы, подающие нейтрализатор, регулируются по ПИД-закону, а насосы, подающие ингибитор коррозии, регулируются логическим регулятором. Каждый из регуляторов может работать в двух режимах управления: ручном и автоматическом. В ручном режиме панель «оторвана» от управления выбранным регулятором и значение подачи (выход на насос в %) задаётся оператором вручную в поле «Подача». Если выбран автоматический режим, то подача осуществляется регулятором по ранее заданным параметрам.

Описание работы ПИД - регулятора

ПИД - регулятор предназначен для поддержания заданного оптимального значения уровня параметра (для данной установки уровня ^ pH) в системе за счет изменения другого параметра (количества подаваемого нейтрализатора).

^______Изображение регулятора на мнемосхеме содержит:

• Вызов двух панелей управления регулятором (основной и подробной).

• Значение входа регулятора в реальных физических единицах.

_____• Сигнализация выбора автоматического режима для

регулирования. Если на изображении регулятора горят буквы «АВТ», то это означает, что выбран автоматический режим.

^ Рис. 6. Панель управления регуляторарН

Имя регулятора

Задание

Входной сигнал Ручной выход

Выход на клапан

Кнопка выбора режима РУЧ/АВТ

В том случае если горят буквы «РУЧ», регулятор находится в ручном режиме управления. Изображение основной панели регулятора рН показано на рис. 6.

На основной панели регулятора рН находятся:

Имя регулятора.

- Окно для задания уставки регулятора для работы в автоматическом режиме (З).

- Показания значения входа регулятора (Вх).

- Окно для изменения в ручном режиме выхода на клапан регулятора (В).

- Показания от датчика положения значения выхода (Д).

- Кнопка выбора режима регулирования: Ручное/Автомат. Если на отжатой кнопке надпись «РУЧНОЕ», регулятор находится в ручном режиме регулирования. При нажатии на кнопку появляется надпись «АВТОМАТ», и регулятор переводится в автоматический режим управления.

Внешний вид подробной панели регулятора рН показан на рис. 7.

Для вызова подробной панели регулятора необходимо нажать на кнопку с надписью «П».

На панели присутствуют имя регулятора и его шкала.

Рис. 7. Подробная панель регулятора

На панели сигнализируются следующие параметры регулятора: 1 - установка задания; 2 -текущее задание; 3 - значение входа; 4 - ручной выход; 5 - выход; 6 - датчик положения.

Установка задания, вход и выход показаны на панели также в виде столбиков, изменяющих свой цвет при переходе границ сигнализации. В нормальном состоянии столбики зеленого цвета.

На панели присутствует кнопка:

7 - выбора режима АВТ /РУЧ;

Надписи на кнопке сообщают о режиме работы регулятора.

На панели осуществляется сигнализация:

8 - отказ регулятора; 9 - максимальная ошибка регулирования; 10 - достижение выходом верхнего установленного предела (100%); 11 - достижение выходом нижнего установленного предела (%).

Из панели основного регулятора осуществляется:

• Перевод регулятора в автоматический режим работы. Для этого необходимо нажать на кнопку с надписью «РУЧ».

Значение скорости коррозииу

оит = MIW

Рис. 8. Алгоритм работы логического регулятора

Аналогично осуществляется переход в ручной режим работы (отжимается кнопка с надписью

I.

Изменение уставки задания регулятору в окне задания (1).

• В ручном режиме работы изменение выхода в окне управления выходом (4).

Описание работы логического регулятора

Логический регулятор является ^-регулятором. Его применение обусловлено высокой продолжительностью переходных процессов и малым временем на НИОКР (научноисследовательские и опытно-конструкторские работы) по изучению процесса окисления металла при воздействии внешних факторов.

Алгоритм работы логического регулятора представлен на рис. 8. где D1=1% D4=0.02

D2=10% D5=0.1

D3=5% D6=0.005

D8=100% D7=0.15

MAX=100% МШ=задается технологами в процентах

OUT - подача SET - задание

Y - значение переменной скорости коррозии, пришедшее с датчика

Регуляторы ингибиторного мониторинга

у

Управление насосом Н 41 АВТ

Задание 0.09 ммЛ-

ход 0.5003 мм/г 1. к

Подача %

Настройка регулятора

Изображение регулятора на мнемосхеме.

Сигнализация износа датчика коррозии

Вызов подробной панели регулятора

Режим работы

\ Значение с выбранного датчика

Рис. 9. Регулятор ВЕ3

Рис. 10. Основная панель регулятора

коррозии Также в изображении регулятора ингибиторного

мониторинга предусмотрена сигнализация износа датчика коррозии. Если индикатор горит ровным зелёным цветом - датчик в нормальном рабочем состоянии, если индикатор начинает мигать красным - желтым - ресурс датчика выработан. Изображение основной панели регулятора подачи ингибитора показано на рис. 10.

На основной панели регулятора коррозии находятся:

Окно для задания установки регулятора для работы в автоматическом или ручном режиме (Задание).

Подача с регулятора (Подача) может задаваться вручную оператором только при работе регулятора в «РУЧНОМ» режиме.

Показания значения входа регулятора (Вход).

Значение поправочного коэффициента устанавливается и изменяется вручную в поле (К). Кнопка выбора режима регулирования: Ручное/Автомат. Если на отжатой кнопке надпись «РУЧНОЕ», регулятор находится в ручном режиме регулирования. При нажатии на кнопку появляется надпись «АВТОМАТ» и регулятор переводится в автоматический режим управления.

Кнопка выбора детальной настройки регулятора (Настройка регулятора). Отображает текущие настроечные коэффициенты регулятора (изменяется из базы).

Внешний вид подробной панели регулятора с установочными параметрами и описанием показан на рис. 11.

Сигнализация и управление ПЧ

Для получения информации и управления ПЧ (преобразователь частоты) на мнемосхеме коррозийного мониторинга необходимо вызвать панель ПЧ, нажав на кнопку с названием ПЧ. Внешний вид панели ПЧ показан на рис. 12.

Сигнализация

На панели ПЧ сигнализируются следующие параметры:

• «Готов» - готовность ПЧ к работе;

• «Авария» - аварийное состояние ПЧ;

Рис. 11. Подробная панель регулятора с установочными параметрами

X

пч зсг.г

регВЕ2 Выбор регВЕЗ

Поза [). %

Расход !. п/4

Н -41 Готов

ПУСК Авария

стоп Работа

• «Работа» - ПЧ (насос) работает.

На панели ПЧ в цифровом виде высвечиваются показания:

• подача реагентов в %;

• расход реагентов в л/ч (расчетная величина).

Управление

На панели ПЧ присутствуют кнопки для управления:

• «ПУСК» - запуск ПЧ (насоса);

• «СТОП» - остановка ПЧ (насоса);

ПЧ (насос) запускается кнопкой «ПУСК» при присутствии сигнала «ГОТОВ». После появления сигнала «работа» кнопка пуска автоматически сбрасывается.

Рис. 12. Панель ПЧ

X

пч эсе.г

реї ВЕ2 РУЧНОЙ рег ВЕЗ

Подача 8В. %

Иола Расход и. %

а. лАі

Н-41 б Готов

ПУСК Авария

СТОП Работа

Рис. 13. Панель сигнализации и управления ПЧ SC6.2 и SC7.2

ПЧ (насос) останавливается кнопкой «СТОП». После исчезновения сигнала «РАБОТА» кнопка стопа автоматически сбрасывается. Также на панели управления находятся кнопки выбора регулятора (взаимоисключающие), которые осуществляют работу насоса от выбранного регулятора.

С панелей управления ПЧ SC6.2 и ПЧ SC7.2 осуществляется управление по такому же алгоритму, как и с остальных панелей ПЧ, но логика работы с панелями ПЧ SC6.2 и ПЧ SC7.2 отлична от остальных панелей ПЧ.

Как видно из приведённого выше изображения,на панелях ПЧ SC6.2 и SC7.2 добавлены кнопки (взаимного исключения) выбора работы с регуляторами. Для панели ПЧ SC6.2 возможен режим работы с регуляторами ВЕ2 и ВЕ3, для панели SC7.2 - работа с регуляторами QE4 и QE5.

Также добавлена кнопка выбора режима работы панели «РУЧНОЙ/АВТОМАТ».

Описание технологической программы

работы подсистемы мониторинга

Программа управления написана на языке LCON, входящем в состав SCADA системы «Статус-4». Программа контроллера КУИ реализует сигнализацию и управление насосами с помощью ПЧ, регулирование подачей реагентов насосами, а также расчет расхода реагентов в зависимости от значения сигнала подачи ПЧ.

Управление насосом с помощью ПЧ.

Управление ПЧ возможно только в следующих ситуациях:

• наличие сигнала «Готов»;

• отсутствие сигнала «Авария».

Если нет любой из перечисленных ситуаций, то кнопки управления ПЧ автоматически сбрасываются.

Насос запускается кнопкой «Пуск», расположенной на ПЧ. Нажатие на кнопку «Пуск» формирует пятисекундный импульс на пуск насоса. После появления сигнала «Работа» на ПЧ кнопка пуска автоматически сбрасывается.

Насос останавливается кнопкой «Стоп», расположенной на ПЧ. Нажатие на кнопку «Стоп» формирует пятисекундный импульс на остановку насоса. После исчезновения сигнала «Работа» на ПЧ кнопка стопа автоматически сбрасывается.

Сигнализация состояния насоса.

Сигнализация состояний насоса осуществляется с помощью символа, изменяющего свой цвет. В программе осуществляется управление переменной, определяющей цвет символа насоса. Данная переменная принимает следующие значения:

0 -серый (нет сигнала «Работа»);

1 -зеленый (есть сигнал «Работа»);

2 -красный (сигнал «Авария»).

Регулирование.

Программа реализует включение в работу насосов и регуляторов, осуществляющих регулирование по ПИД-закону и логических регуляторов.

Расчет.

В программе рассчитывается расход реагентов, подаваемых насосами. Расчет осуществляется по следующей формуле:

F = Ъ*Р/100%,

где F - расход реагента (л/ч); Р - подача (%); Ъ - задаваемый максимальный расход (л/ч).

Максимальный расход задается в зависимости от положения переключателя на насосе (лимба). Переключатель имеет 16 положений. Программа разрешает выбор только одного положения переключателя.

Заключение

Проект позволил визуализировать представление о скорости коррозии в режиме реального времени, состоянии оборудования, оптимизировать работу персонала и рационализировать расход дорогостоящих реагентов, птш

— Коротко об авторе -------------------------------

Гриднева А.А. - студентка гр. АУ-04.

Руководитель: Певзнер Л.Д., проф., д.т.н. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru