ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.                Описание АСУТП

АСУТП С-600 имеет четырёхуровневую структуру (см. приложение).

К первому уровню системы относятся устройства КИП и А – датчики, преобразователи, исполнительные устройства, средства визуальной и звуковой сигнализации.

Ко второму уровню относятся – резервированные контроллеры РСУ – АРМ9/10 и АРМ11/12, резервированные контроллеры ПАЗ – LM13/14 и FSC15/16. При отказе 2-го уровня системы (АРМ операторов, серверов), ПЛК обеспечивает безопасное ведение технологического процесса и его противоаварийную защиту.

Третий уровень системы включает – резервированный сервер АСУТП Experion TPS, инженерные станции (FLEX), АРМ операторов, АРМ начальника смены с принтером отчётов, сервер исторических данных PHD.

Четвёртый уровень – это уровень управления производством, основывается на внутризаводской информационной сети (PIN), к которой подключены рабочие станции инженерно-технического и административного персонала, сервер исторических данных PHD.

АСУТП имеет гибкую модульную структуру, позволяющую производить функциональное расширение, увеличение производительности, частичную модернизацию и замену компонентов без остановки работы всей системы. Всё оборудование АСУТП выпускается серийно, имеет утверждения типа средств измерений, сертификаты Госстандарта России и разрешения на применение Ростехнадзора. АСУТП обеспечивает получение результатов по измерительным каналам с нормируемой точностью. Аппаратура, входящая в состав измерительного канала (чувствительные элементы, блоки преобразования и т. д.) имеет сертификаты утверждения типа средств измерений Госстандарта России. Система TPS базируется на стандартах интерфейса ОРС (OLE – Связывание и Встраивание Объектов – для управления процессами), обеспечивая тем самым эффективный обмен информацией между компонентами системы и приложениями.

Компоненты систем автоматизации РСУ и ПАЗ монтируются в линейные шкафы RITAL TS8 800*2000*600 двухстороннего обслуживания с одностворчатыми дверями. Питание АСУТП в здании операторной осуществляется от резервированных источников питания, размещённых в линейных шкафах RITAL (для контроллеров РСУ – 24V) и в МСС (для контроллеров ПАЗ–110V).

Для совместной работы в составе АСУТП контроллеры РСУ С300 и ПАЗ С300 соединены в отказоустойчивую сеть Fault Tolerant Ethernet (FTE). Отказоустойчивая сеть FTE является управляющей сетью системы Experion Process Knowledge. Для реализации сети FTE используется единая логическая сеть на резервированных кабелях. Сеть FTE прозрачна для приложений высокого уровня и не требует дополнительного конфигурирования программного обеспечения. FTE использует стандартные коммутаторы Cisco с системным программным обеспечением Cisco. Загрузка конфигурационных файлов, поставляемых с системой

Experion, конфигурирует коммутаторы. Связь между компонентами 2-го и серверами 3-го уровня осуществляется по отказоустойчивой FTE сети с древовидной топологией, построенной на оптических и электрических линиях связи. Для организации оптического канала связи между помещениями операторной и операторной «Петрофак», применяется многомодовый волоконно-оптический кабель с волокнами 50/125 мкм и управляемые коммутаторы Ethernet Cisco Catalyst. Активные сетевые компоненты сети FTE располагаются в сетевых шкафах. В системе используются стандартные и/или унифицированные протоколы связи и обмена информацией.

Резервированный сервер АСУТП Experion TPS строится на базе двух компьютеров повышенной надёжности с SCISI-RAID и резервированными источниками питания с возможностью «горячей» замены жёстких дисков и источников питания.

2.                Состав КТС

Сеть LCN (локальная сеть управления)

Сеть LCN объединяет устройства высокого уровня не подключённых к процессу: GUS, НМ, АМ, NIM. Поскольку эти устройства являются локальными по отношению к сети управления, они считаются элементами сети LCN. Вся информация в сети LCN передаётся со скоростью 5 миллионов бит в секунду.

US-станция (станция пользователя)

Вся информация, поступающая от устройств, подсистем может быть увидена и использована на US-станции. US-станция осуществляет индикацию и обработку сигнализации от процесса и системы, вывод на дисплей и распечатку архивных данных и средних значений, контроль и изменение состояния оборудования системы, находящегося в центральном пункте управления и в зоне процесса, загрузку модулей системы оперативными программами и базами данных с исторического модуля, гибких дисков. Кроме того, в функции US входит построение базы данных процесса, мне­мосхем. Разработка, компилирование программ на языке CL, загрузка рабочих программ, диагностика проблем в модулях LCN, UCN и в связанных с процессом устройствах.

GUS-станции (глобальные станции пользователя)

GUS-станция – современный интерфейс человек-машина, поддерживающий динамические реалистичные мнемосхемы, помогающие оператору быстро и надёжно реагировать на изменение ситуации. Эти мнемосхемы реализуются в среде, работающей в многооконном режиме, поэтому операторы имеют возможность переходить от одной мнемосхемы к другой, а также от одного приложения к другому, путём обычного для Windows курсора, либо нажатием запрограммированной кнопки на интегрированной клавиатуре. GUS-станции разработаны на базе стандартов оборудования Microsof (промышленные компьютеры повышенной надёжности Workstation T5400 TOWER с одним 21” TFT монитором). Как основное устройство среды Windows NT в системе Total Plant Solution, глобальная станция пользователя является двойной процессорной системой с двумя процессорами (один из процессоров поддерживает связь с NT, другой – с LCN), подсоединяется непосредственно к информационной сети завода и к локальной сети управления (LCN) реального времени компании Honeywell. Подключение к LCN осуществляется через плату процессора локальной сети управления (LCNP), блока доступа к LCN (MAU) и кабеля MAU. GUS-станции являются единым «окном» к технологическому процессу, информация передаётся через пользовательский интерфейс Native Windows, группируются в единую консоль и имеют 3 основных набора функций:

– для оператора процесса – осуществляют мониторинг и управление процессом, располагают разнообразием информативных стандартных дисплеев;

– функции инженера – обеспечивают интегрированную инженерную среду для конфигурирования системы, создания базы данных, дисплеев и рапортов. Эти функции включают следующие опции:

– Display Builder (графический редактор построителя мнемосхем);

– Safe View (несколько важных экранов на одном мониторе);

– Display Translator (транслятор мнемосхем);

– Point Builder (построитель точек);

– TPS DDE (извлечение данных, параметров точек из сети LCN в GUS-станцию);

– File Transfer (передача данных из сети LCN в ОС Windows).

– для обслуживающего персонала – отслеживают работу системы и диагностируют те проблемы, которые не диагностируются самой системой.

Рис 2.1. Мнемосхема секции С-600 на GUS-станции

Исторический модуль (НМ16)

НМ16 – является инструментом хранения и быстрого доступа к данным LCN, обеспечивает хранение пользовательских мнемосхем, копий архивных баз данных и системных программ. События фиксируются по времени и записываются в хронологическом порядке в специальных журналах событий как в моментально снятых показаниях в режиме реального времени, так и в усреднённых значениях. Максимальный объём данных составляет 999 часов.

NIM10/11 (резервируемый модуль сетевого интерфейса)

NIM10/11 – является транслятором и осуществляет связь между сетями UCN и LCN, преобразует данные и протокол в LCN и UCN, направляет события из UCN в LCN для сигнализации. Компонентами NIM являются блок питания, печатные платы К4LCN-4  (плата памяти) и EPNI (это процессор связи NIM c данными UCN), 2 платы адаптера входов/выходов.

Сеть UCN (универсальная сеть управления)

Сеть UCN – 5-мегабитовая универсальная сеть управления с эстафетным доступом, осуществляет сбор данных с «поля», обеспечивает связь между контроллерами управления и контроллерами ПАЗ по магистральному коаксиальному кабелю типа RG-11 с протоколом автоматизации производства (МАР), с резервированием по кабелям UCNA и UCNB. Число подключаемых модулей может составлять максимум 64. Кабель типа RG-6 используется для соединительных кабелей, к  разъёмам подключаются ответвления длиной от 5 до 50 метров. Устройства UCN передают данные по обоим кабелям (UCNA и UCNB), а принимают или «слушают» данные только по одному. Приём данных в сети автоматически переключается с одного кабеля на другой каждые 5 минут. Для обеспечения правильного функционирования сети на все свободные порты разъёмов должны быть установлены заглушки, соответствующие волновому сопротивлению кабелей – 75 Ом. Сеть UCN представляет собой высокоскоростную и высоконадёжную сеть управления процессом. UCN поддерживает связь от точки к точке, которая позволяет высокопроизводительным менеджерам процесса (АРМ) легко обмениваться данными, что облегчает реализацию сложных схем управления  с использованием нескольких АРМ или других устройств UCN. АРМ – гибкое устройство сбора данных и управления. АРМ состоит из модулей ввода/вывода,  процессора управления, который выполняет функции регулирования, логического и программного управления, обеспечивает двустороннюю связь с Modbus-совместимыми подсистемами. На задней панели стоек АРМ находятся не резервируемые терминальные панели (платы FTA), к которым подключаются полевые кабеля измерительных и исполнительных устройств. Пользователь сам конфигурирует количество и типы функций управления. АРМ полностью совместим с интеллектуальными датчиками (на базе микропроцессоров). Конфигурирование и настройка системы под конкретный объект управления производится в человеко-машинной интерактивной среде.

Сеть UCN ЕНПУ представляет из себя:

– 2 менеджера процесса (АРМ) – контроллеры управления технологическим процессом – (аналоговое регулирование) – АРМ9/10 и АРМ11/12;

– 2 контроллера по управлению блокировками (ПАЗ):

а) Logic Mаnаdger (LM13/14) – данные обрабатываются со скоростью 200 миллисекунд. Это программируемый логический контроллер (ПЛК) Honeywell 620-35 серии. Logic Mаnаdger представляет из себя набор плат, обеспечивающих связь ПЛК с UCN, отвечающих за связь в сети, обработку сигналов управления, обеспечивающих связь с интеллектуальными процессорами входов/выходов, резервную поддержку;

б) Специализированный контроллер противоаварийной защиты – Fail Safe Control (FSC15/16) – обеспечивает оптимальную безопасность;

– система баз данных Uniformance включающий в себя сервер сбора данных (PHD18).

Датчик расхода Prowirl 72F (Endress + Hauser)

Вихревой расходомер Prowirl 72F предназначен для измерения объемного расхода пара, газов и жидкостей в технологических процессах химической, нефтехимической, промышленности, энергетике, теплоснабжении и других отраслях.

Вихревые расходомеры работают по принципу вихревой дорожки Кармана. При обтекании потоком среды препятствия (призмы) на гранях призмы поочередно образуются завихрения потока. Эти завихрения вызывают местное понижение давления. Колебания давления вызванные завихрениями потока детектируются сенсором и преобразуются в электрические импульсы. Частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока.

Рис 2.2. Принцип вихревой дорожки Кармана

Рис. 2.3. Конструкция прибора Prowirl 72F

Благодаря внутреннему механическому балансу DSC сенсор (Differential Switched Capacitance) Prowirl 72F детектирует только пульсации давления, вызванные вихрями, и остается нечувствительным к влиянию механической вибрации трубопровода. DSC сенсор измеряет малые расходы сред с малой плотностью даже в условиях вибрации трубопровода. Поэтому Prowirl 72 сохраняет свой широкий динамический диапазон даже в сложных условиях эксплуатации. Вибрация при частоте до 500 Гц в любой оси не влияет на измерение. Благодаря своей конструкции, емкостной сенсор также отличается стойкостью к тепловому и гидравлическому удару в паровых линиях.

Датчик температуры 444RL (Rosemount)

444RL предназначен для использования с термометрами сопротивления платиновыми (ТСП) с сопротивлением температуры таяния льда 100 Ом.

Модель 444RL показывает непрерывную приспособливаемость к температурным режимам, разработаны как сменные и взаимозаменяемые  датчики. Размещение двойного купе разрешает электронике быть конструктивно изолированным от нуля и регулирования промежутка, терминалов датчика, и сигнала, телеграфирующего терминалы. Модель 444RL снабжена электрической изоляцией в передатчике для учета сигнала входа. Измерение температуры сы

рья  требует установки датчика  в трубу или резервуар, содержащий сырье. Температурные датчики типа RTDs производят электрические сигналы низкого уровня, пропорциональные измеренной температуре. Большая длина провода между датчиком и приемным устройством, может явиться причиной ошибок из-за шумов, если не приняты меры по помехозащите. Кроме того, введена дополнительная компенсация (для RTD входов) необходимая между датчиком и приемным устройством. Эти помехи могут быть устранены, путем  установки датчика вблизи от точки измерения. Модель 444 предлагает удобный, надежный и экономичный способ делать это. Температура приведена  к стандарту высокого уровня с унифицированным сигналом 4-20 мA, который передается в операторную по двум медным проводам. Rosemount Alphaline Модель 444 двухпроводной температурный передатчик используется, когда точка измерения отдалена от точки управления, считывающего или делающего запись пункта или пункта измерения, подвергнута состояниям окружающей среды, которые были бы вредны для незащищенного сигнала, обусловленного для оборудования. Когда передатчик связан с источником мощности, он передает сигнал пропорциональный температуре сырья, который независим от напряжения питания или сопротивления нагрузки передатчика. Этот  сигнал (4-20 мA) также использует передатчик, так что никакой другой источник питания не требуется, чтобы использовать петлю сигнала.

Датчик давления FR-1151GP (Rosemount)

FR-1151GP – интеллектуальный датчик избыточного давления.

При работе датчика разделительные мембраны 1 (рис 2.4)через заполняющие масляные жидкости 4 передают рабочее давление на сенсорную мембрану 2, расположенную в центре чувствительного элемента 3 сенсорного модуля. Сенсорная мембрана действует как растянутая пружина, отклоняясь в ответ на разностное давление, приложенное к ней (в датчиках избыточного давления атмосферное давление прикладывается аналогичным образом со стороны низкого

давления). В датчиках абсолютного давления со стороны низкого давления поддерживается опорное давление. Смещение сенсорной мембраны (максимальное отклонение составляет 0,1 мм) пропорционально давлению. При изменении положения мембраны изменяется емкость между сенсорной мембраной и пластинами конденсатора.

Вариация емкости вызывает изменение частоты генератора. Изменение частоты с помощью демодулятора, усилителей и других функциональных элементов преобразуется в соответствующий выходной ток, напряжение или сигнал HART.

Конструктивные преимущества заключаются в проведении прямых электронных измерений с помощью полностью герметизированной сенсорной емкости ячейки, что позволяет значительно повысить точность и стабильность измерения давления.

Конструктивно снижены погрешности измерений, вызванные напряжением или крутящим моментом на фланцах и статическим давлением в трубопроводе.

Рис. 2.4. Функциональная схема датчика давления FR-1151GP

3.               

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

АСУТП С-600 ЕНПУ

Объёмы автоматизации

РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1.               

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

АСУТП С-600 ЕНПУ

Описание метода

Динамической характеристикой элемента называется зависимость изменения во времени выходной величины от входной в переходном режиме при том или ином законе изменения входной величины. Аналитически динамические характеристики выражаются обычно дифференциальными уравнениями, а графически в виде графиков (кривых), где по оси абсцисс отмечают время, а по оси ординат значения выходной величины.

Динамические характеристики элементов систем можно вычислить аналитически или оценить экспериментально. Аналитический метод основывается на физических и химических законах протекания процессов на технологических объектах. Экспериментальные методы позволяют оценить динамические характеристики элементов систем по статистическим данным, не рассматривая теорию этих процессов.

Для оценки динамических свойств объектов регулирования можно воспользоваться временными характеристиками, снятыми с действующих объектов. Временную характеристику снимают следующим образом. Перед экспериментом регулируемый объект приводят в равновесное состояние и обеспечивают постоянство всех входных и выходных величин. После стабилизации вводят скачкообразное возмущение, отмечая при этом время и величину его. Затем следят за изменением выходной величины, записывая ее значения до тех пор, пока выходная величина не примет нового установившегося значения ил пока не установится постоянная скорость ее изменения. На основании полученных данных строят кривую в координатах: выходная величина – время, которая и будет временной характеристикой объекта. Для снятия временной характеристики на объекте должны быть установлены приборы для измерения входной и выходной величин.

Одним из распространённых методов нахождения динамических характеристик объектов управления является метод Симою (метод площадей). Он позволяет рассчитать передаточную функцию (ПФ) объекта регулирования на основе экспериментальных кривых разгона. Метод основан на предположении, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.

Алгоритм метода можно упрощённо представить в виде:

1. Выдвижение гипотезы о виде ПФ исследуемого объекта по кривой разгона;

2. Разбиение времени на равносторонние интервалы и снятие значений регулируемой величины вначале каждого из них;

2. Преобразование кривой разгона в переходную функцию σ(t) (запись в приращениях и приведение к безразмерному виду);

3. Вычисление, так называемой, площади F₁, характеризующего динамические свойства исследуемого объекта;

4. Переход к относительному времени θ и преобразование переходной кривой в нормированную функцию 1 – σ(θ)

5. Расчёт площадей F₂, F₃, …, F_n по нормированной кривой (здесь n равно порядку знаменателя выбранного типа ПФ);

6. Определение коэффициентов ПФ по площадям F₁, F₂, …, F_n.