СКАЧАТЬ:  atp-kurs.zip [2,27 Mb] (cкачиваний: 144)

1. РЕФЕРАТ

Курсовой проект по дисциплине: «Автоматизация технологических процессов и производств», на тему: «Установка комплексной подготовки нефти  НГДУ «Альметьевнефть».

Установка относится к управлению «Альметьевнефть»  ОАО «ТатНефть».

Согласно действующим ГОСТам, товарная нефть не должна содержать больше 1% воды и 40 мг/л хлористых солей. Поэтому добываемая нефть подвергается на нефтяном промысле обработке, заключающейся в обезвоживании и обессоливании. Такая обработка на промысле называется комплексной подготовкой нефти.

Рассматриваемая установка предназначена для обезвоживания, обессоливания и стабилизации нефти, получения ШФЛУ и прямогонного дистиллята. Установка состоит из блоков обессоливания и обезвоживания и блока стабилизации.

Работа включает в себя технологическое описание установки комплексной подготовки нефти, модель автоматизированной работы рассматриваемого блока, описание технических средств автоматизации каждого уровня.

Курсовой проект содержит:

расчётно-пояснительную записку, состоящую из введения, технологической, технической, экспериментально, расчётной и проектной части;

чертёж схемы автоматизации блока обезвоживания и обессоливания;

приложения: структурную схему УКПН, примеры  мнемосхем АРМ, трендов, спецификация схем автоматизации, таблицы применяемых клапанов.

2. ВВЕДЕНИЕ 

Нефть залегает вместе с пластовой  водой, содержащей различные минеральные соли, а также механические примеси. Количество воды в добываемой нефти постепенно увеличивается и может достигать 90% и более. При движении нефти  и воды по стволу скважины и трубопроводам происходит их взаимное смешивание, в результате чего образуется эмульсия (следует учитывать, что для образования эмульсии необходимо наличие в нефти особых  веществ – природных эмульгаторов: асфальтенов, смол, механических примесей и т.д.) В состав нефтей входят также различные газы органического (метан, этан, пропан, бутан) и неорганического (сероводород, углекислый газ, гелий) происхождения. Вода, соли, механические примеси загрязняют нефть и вызывают непроизводительную загрузку транспорта. Кроме затруднения в перекачке нефтяного сырья, возникает необходимость строить специальные сооружения для отстоя и хранения обводненной нефти. При транспорте загрязненной нефти засоряются транспортные коммуникации, оборудование, аппаратура, резервуары. Уменьшается полезная емкость трубопроводов и резервуаров. Соли и песок вызывают сильную эрозию металлических поверхностей. Особенно опасно содержание солей в сернистых нефтях – сероводород с хлористым водородом особо взрывоопасны. Согласно действующим ГОСТам, товарная нефть не должна содержать больше 1% воды и 40 мг/л хлористых солей. Поэтому добываемая нефть подвергается на нефтяном промысле обработке, заключающейся в обезвоживании и обессоливании, стабилизации (отделении от легких углеводородов). Такая обработка на промысле называется комплексной подготовкой нефти. Добываемую нефть необходимо подвергать обработке как можно раньше с момента образования эмульсии, не допуская ее старения.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

3.1 Описание технологической схемы УКПН  НГДУ «Альметьевнефть»

Структурная  технологическая  схема Северо-Альметьевской установки комплексной подготовки нефти ЦКППН-1 НГДУ «Альметьевнефть» представлена в приложении 2.

Сырая нефть с содержанием воды до 6%, солей 3 – 5 тыс.мг/л из буферных резервуаров по сырью (РВС-5000 м³  №4, 15, 17) насосами Н-1 №№ 1, 2 прокачивается через кожухотрубчатые теплообменники группы Т-1 №№ 1- 14, где нагревается за счет тепла стабильной нефти до 65˚С.

На прием насосов Н-1/1,2 блочной дозировки установкой БР-25 (на рисунке не показана) подается деэмульгатор из расчета до 20 г/ т подготовляемой нефти.

Подогретая нефтяная эмульсия поступает в горизонтальные отстойники ступени обезвоживания ГО №№ 1-8, где происходит отстой и отделение  от нефти воды и значительного количества растворенных в ней солей.

Для увеличения температуры нефтяной эмульсии схемой предусматривается  вариант подачи горячей нефти с температурой 150-170˚с после печей  ПБ-20 на прием горизонтальных отстойников.

Из отстойников ступени обезвоживания нефть поступает в шаровые отстойники обессоливания 2-ой и 3-ей ступени – ШО №№ 1,2,3,4, где происходит ее окончательное обезвоживание и обессоливание.

Перед ступенью обессоливания в нефть насосами Н-7,8 подается теплая пресная вода с температурой 30-35˚С  из системы циркуляционного водоснабжения в количестве 20-45 м³ /час. Выделившаяся в отстойниках ступеней обезвоживания и обессоливания, вода с температурой 50-60˚С, содержащая остаточный реагент, подается в сырую нефть перед технологическими резервуарами по сырью на САТП.

Обезвоженная и обессоленная до установленной кондиции нефть из отстойников ступени обессоливания поступает в буферную емкость Е-7/2, откуда насосом Н-3 №№ 1-3 прокачивается через теплообменники группы Т-2 №№ 1-8, печи ПБ-20 №№ 1,3 и поступает на стабилизационную колонну К-1.

Сверху стабилизационной колонны К-1 пары легких углеводородов поступают в аппараты воздушного охлаждения типа АВЗ и конденсаторы-холодильники кожухо-трубчатого типа, где охлаждаются до 45˚С, конденсируются и поступают в буферную емкость Е-4. В качестве холодного теплоносителя в конденсатор-холодильниках используется вода из системы циркуляционного водоснабжения.

Для поддержания температурного режима в колонне ШФЛУ из буферной емкости Е-4 насосами Н-6/2-4 подается на орошение колонны К-1, остаточное количество перекачивается в бензоемкости Е №1-5 на бензосклад.

Керосино-бензиновые фракции отбираются с 18 тарелки стабилизационной колонны при температуре 90-100 ˚С и поступают в конденсатор - холодильник кожухо-трубчатого типа. После охлаждения до температуры 20-35 ˚С дистиллят поступает в сепаратор Е-9 (горизонтальную емкость объемом 25 м³), где происходит отделение несконденсировавшихся газов и воды. Из сепаратора дистиллят под давлением до 4 кгс/см² транспортируется в емкости, находящиеся в дистиллятном хозяйстве ЦКПРС. Отсепарированный газ из сепаратора направляется в систему сбора газа 1 и 2 ступени сепарации САТП (Северо-Альметьевского товарного парка).

Стабильная нефть из нижней части колонны К-1 отводится под давлением колонны через теплообменники Т-1/1-14, где она отдает тепло нефти, идущей на подготовку и с температурой 30-45 ˚С поступает в технологические резервуары товарного парка.

Схемой предусматривается возможность работы установки без блока стабилизации. В этом случае обессоленная нефть насосом Н-3 прокачивается через печь ПБ-20, теплообменники Т-1/1-14 и с температурой 30-45^оС поступает в резервуары САТП по готовой нефти.

3.2 Основная характеристика оборудования используемого в подготовке нефти. 

Т-1 – теплообменник кожухотрубчатый ТП-1400-16; применяется для нагрева сырья и охлаждения готовой нефти.

ГО – горизонтальный отстойник объемом 200 м³, диаметром 3,4 м; применяется для обезвоживания нефти.

ШО – шаровые отстойники 2, 3 ступени  обессоливания объемом  600 м³ , диаметром 10,5 м.

Е –7/2 –буферная емкость объемом 32 м³.

Н-3 – насосы НК-560/335-180 (3 штуки). Служат для подачи нефти на колонну.

Т-2 –теплообменник ТП-1400-25 кожухотрубчатый; применяется для нагрева нефти поступающей в печь и охлаждения готовой нефти.

ПБ-20 – печь беспламенного горения теплопроизводительностью 20 млн. ккал/час; служит для нагрева нефти, поступающей на стабилизацию.

К-1 – колонна стабилизации; предназначена для отделения от нефти широкой фракции легких углеводородов методом ректификации и керосино - бензиновой фракции.

АВЗ – аппарат воздушного охлаждения; предназначен для охлаждения паров ШФЛУ.

Н-6 –НК 200/120-70 1шт., НК 65/35-125 2шт. – бензиновые насосы для подачи ШФЛУ на орошение колонны и для откачки ШФЛУ на бензосклад.

Е-4 –Буферная емкость для ШФЛУ.

Е-8,9 –горизонтальные емкости V-25 м³  и 100м³, в которых происходит отделение несконденсировавшихся газов и воды. 

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1. Иерархическая структура многоуровневой  автоматизированной системы контроля и управления

АСУ ТП Северо–Альметьевской УКПН реализована на программно-технических средствах системы RS3 фирмы Fisher-Rosemount. Система автоматизации RS3 – это распределенная система управления, объединяющая в единую индустриальную сеть различные интеллектуальные модули ввода-вывода, контроллеры и графическую станцию, базирующуюся на персональном компьютере. Эта станция позволяет представить измеряемые параметры и текущее состояние контролируемого объекта в графической форме, удобной для восприятия оператором. Все операции контроля и управления выполняются по мнемосхемам. Специфические отчеты и графики генерируются по запросу или автоматически через определенные промежутки времени.

 Взаимодействие с датчиками и  исполнительными устройствами осуществляется через аналоговые и цифровые модули позволяющие реализовывать функции ПИД - регулирования, а также дискретные сигналы, которые используются для контроля за состоянием запорной арматуры, пусковых схем электроприводов насосных агрегатов, различных сигнализаторов и т.д. В качестве большинства датчиков используют датчики давления и температуры фирмы Fisher- Rosemount, имеющие помимо аналогового выходного сигнала, цифровой сигнал по HART - протоколу обмена.

Система автоматизации «RS3» включает в себя:

1)     Консоли управления, состоящие из двух мониторов со специальными операторскими клавиатурами;

2)     Главный модуль электроники, содержащий основные электронные компоненты, платы ввода-вывода, модули памяти, программные модули;

3)     Распределенные модули УСО (устройства сопряжения с объектом).

Структурная схема управления приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема АСУТП САУКПН

ОС1/ИС1, ОС2/ИС2 –системная консоль – операторская станция с функциями инженерной станции; ИСЗ – инженерная станция по обслуживанию интеллектуальных приборов; УСО - устройство связи с объектом  (стойки с платами ввода-вывода); RNI- устройство связи по локальной сети Enternet.

Таким образом, можно отметить, что система обеспечивает два уровня оперативного управления установкой: нижний и верхний.

Нижний уровень обеспечивает автоматическое и по командам с верхнего уровня управление технологическим оборудованием, в том числе его защиту по заданным алгоритмам.

Верхний уровень обеспечивает автоматизированное (человеко–машинное) операторское управление технологическим оборудованием.

Структурно нижний уровень состоит из следующих подсистем:

• · Подсистема управления оборудованием площадки обезвоживания;
• · Подсистема управления оборудованием площадки стабилизации;
• · Подсистема управления оборудованием печей;
• · Подсистема управления оборудованием насосной и бензосклада.

Каждая подсистема нижнего уровня при потере связи с верхним уровнем обеспечивает работу в автономном режиме по заранее заданным параметрам и уставкам.

Верхний уровень системы реализован на базе двух операторских станций (ОС) – консолей, имеющих в своем составе дисплей, функциональную клавиатуру и принтер. Для обеспечения инженерных функций по конфигурированию и обслуживанию системы операторская станция переводится в режим инженерной станции (ИС). Доступность режима конфигурирования определяется соответствующим механическим ключом, вставляемым в операторскую станцию. Для обеспечения функций по конфигурированию и обслуживанию приборов с HART–интерфейсом предусмотрена отдельная инженерная станция инженера КИПиА.

Основное взаимодействие между оператором и технологическим процессом происходит посредством системной консоли. Системная консоль позволяет производить следующие действия

• · Конфигурировать рабочие характеристики консоли;
• · Выполнять конфигурирование установки;
• · Конфигурировать алармы, события и их списки;
• · Выполнять операции с диском и лентой;
• · Выполнять операции с модулями управления;
• · Проводить диагностику системы;
• · Создавать и конфигурировать мнемосхемы процесса;
• · Конфигурировать и генерировать отчеты процесса;
• · Создавать и просматривать файлы трендов.

Доступ к тем, или иным функциям строго разграничен и определяется физическим ключом. Информация о текущем пользователе отображается в правом нижнем углу экрана монитора. В системе существуют следующие уровни доступа:

• · Администратор системы;
• · Конфигуратор;
• · Оператор;
• · Гость (если ключ вообще не вставлен).

Система автоматизации RS3 обеспечивает функционирование технологического объекта в круглосуточном режиме. Отказы технических средств отдельных модулей системы не оказывают влияния на работоспособность всей системы в целом.

4.2. Цели, задачи  и основные функции АСУ ТП и ее подуровней 

Основными целями и задачами любой автоматизированной системы управления технологическими процессами в общем случае являются:

•  обеспечение безопасности работы технологического оборудования при заданном режиме;
•  сработка сигнализации при отклонении от заданных параметров работы технологического оборудования;
•  получение информации о параметрах технологического процесса в режиме реального времени.

Задачами автоматизации технологического процесса являются:

•  автоматическое поддержание уровня и давления в технологических аппаратах;
•  регулирование расхода водонефтяной эмульсии и промывочной воды;
•  подача заданного объема химических реагентов и защита от аварийных режимов.

Система RS 3 фирмы Fisher – Rosemount  обеспечивает оперативный контроль состояния объекта  управления, расчет технологических параметров и показателей, архивирование информации, расчет ТЭП, предупредительную сигнализацию отклонений технологических параметров от нормы, регулирование отдельных параметров технологического процесса, противоаварийную защиту технологического оборудования, дистанционное управление  исполнительными механизмами (ИМ), формирование и печать журнала аварийных и технологических  сообщений (ЖАТС), формирование и печать отчетных документов о работе технологического оборудования.

На нижнем уровне – уровне технологического оборудования – реализуются следующие основные функции:

-       сбор и обработка сигналов с датчиков;

-       автоматическое регулирование параметров технологического процесса и оборудования;

-       программно-логическое управление;

-       передача информации на верхний уровень и получение команд и данных с верхнего уровня.

На верхнем уровне – уровне автоматизированных рабочих мест – реализуются следующие функции:

-       формирование и отображение оперативной информации о текущих значениях параметров, состоянии оборудования и исполнительных устройств (ИУ);

-       предупредительная и предаварийная сигнализация, тренды;

-       дистанционное управление технологическим оборудованием и ИУ;

-       управление работой контуров регулирования;

-       ведение базы данных, архивов нарушений, событий, действий оператора, технологического журнала;

-       диагностика состояния технических средств и электрических цепей. 

4.3.  Комплекс технических средств АСУ ТП 

Для поддержания работы технологического процессов в УКПН необходимо постоянно отслеживать технологические параметры, такие как уровень, расход, давление, температура. Для этого в УКПН используется комплекс технических средств – датчиков, измерительных преобразователей, устройств связи, контроллеров, и технических средств высших уровней. Все показания с приборов нижнего уровня с помощью дистанционной передачи по каналам связи передаются в операторную УКПН. Рассмотрим перечень приборов, установленных на технологических объектах УКПН.

Таблица 1

Первичные датчики расхода, давления, уровня, температуры и клапана подключаются к модулям УСО по двухпроводной схеме. Используется стандартный токовый сигнал 4-20мА. Для преобразования токового сигнала в управляющий клапанами пневмосигнал используются электропневматические преобразователи. Таким образом, сигнал от первичных  приборов в виде тока 4-20мА поступают в модуль УСО, от УСО сигнал в цифровой форме поступает в главный модуль электроники, там расшифровывается и отображается на мониторах. Воздействие на регулирующие органы-клапана происходит в обратном порядке. Сигнал с клавиатуры оператора или по заданной программе регулирования поступает в главный модуль, с главного модуля в модуль управления УСО, от УСО в виде токового сигнала на электропневматический преобразователь, который в свою очередь управляет ходом штока клапана. 

4.4. Прикладное программное обеспечение верхнего уровня АСУ ТП 

 Верхний уровень системы реализован на базе двух операторных станций (ОС) – консолей, имеющих в своем составе дисплей (цветной монитор), объединенные платы видео/клавиатурного интерфейса, каркаса электроники с платами микропроцессора/интерфейса связи, функциональную клавиатуру и принтер.

Консоли фирмы Rosemount представляют пользователю интерфейс с системой управления Fisher- Rosemount  RS3. Эти станции позволяют отображать измеряемые параметры и текущее состояние контролируемого объекта в графической форме, удобной для восприятия оператором. Все операции контроля и управления выполняются по мнемосхемам. Оператор управляет процессом с помощью специальной функциональной клавиатуры.

Мнемосхемы процесса представляют собой графическое представление работы установки. На экране приводятся изображения основного технологического оборудования (аппаратов, емкостей, регулирующих клапанов, насосов и др.), данные о протекании процесса. Мнемосхемы позволяют оператору следить за процессом, управлять различными ИМ. Вызов и переход между отдельными мнемосхемами осуществляется с помощью клавиш в экранной области функциональной клавиатуры, или перелистыванием между отдельными мнемосхемами.

Под отделением производства понимается участок производства, изображенный на мнемосхеме с присвоенным ему номером. Всем параметрам, изображенным  на одной мнемосхеме, присваивается соответствующий номер отделения производства. Аварийные технологические события, возникающие в системе, сортируются в соответствии со своими номерами отделений производства. Мигающий световой сигнал рядом с кнопкой вызова мнемосхемы свидетельствует о возникновении нового, еще не подтвержденного аларма. После подтверждения оператором возникшего аларма световой сигнал горит ровным светом. Индикация пропадает только после пропадания аларма. 

Примеры мнемосхем процесса представлены в приложении 3.

Всю графическую информацию мнемосхемы можно разделить на две части: статическую и динамическую.

Статические элементы состоят из графического изображения упрощенной технологической схемы (эскизы фигур технологического оборудования и исполнительных механизмов, трубопроводов) и надписей. Динамические элементы состоят из изображения аналоговых и дискретных переменных, а также упрощенного изображения электрозадвижек, насосов, вентиляторов и др. (состояние этих дискретных элементов характеризуется цветом: открыто, включено – зеленым; закрыто, отключено – красным). Приведем пример некоторых мнемосхем. На рис.2 изображена мнемосхема площадки теплообменников.

Рис.2 Площадка теплообменников

На данной мнемосхеме отображаются данные процесса – это температура сырой и стабильной нефти до и после ТО, расход нефти, влажность, регулятор давления.

На рис.3 изображена площадка обезвоживания, на ней показаны 4 ШО, емкость для обессоленной нефти. Видно, что осуществляется регулирование уровня в ШО, в емкости Е-7/2.

Рис. 3 Площадка обезвоживания

В системе RS3 на каждой системной консоли накапливаются и хранятся данные процесса (по которым включено накопление). Для анализа сохраненных данных, они могут вызываться на экран консоли в графическом виде. Трендовая информация организована в виде файлов трендов, которые находятся на жестком диске консоли. Для файлов трендов определены характеристики по частоте и длительности записи данных, типам данных и др. Для вызова на экран группы трендов необходимо нажать клавишу «тренд группы» в области СТАТУС, часть ЭКРАН. Экран группы трендов представлен на рисунке 2.

На экране трендов самая новая информация выводится с правой стороны графика, а предшествующая – с левой. Перемещая визир по экрану графика можно наблюдать значения переменных в этот момент времени (показаны в нижней части экрана). Масштаб отображения графиков можно изменить путем прямого цифрового ввода. На экран по умолчания выводятся текущие значения переменных. Для изменения продолжительности выборки используется поле ВРЕМ ШКАЛА (минуты, часы, дни). Поле СТАРТ/КОНЕЦ обозначает время и дату, соответствующие самым новым или старым данным в окне трендов. Если ввести какое-либо время в этом поле, статус поля изменится на ИСТОРИЯ, и графики трендов не будут модифицироваться (формат времени – ЧЧ:ММ:СС, даты – ДД-ММ-ГГ).

Рис. 4 Вид экрана группы трендов

Кроме накопления параметров процесса в виде трендов в системе RS3 происходит сохранение данных в файлах отчетов. Отчеты – это предварительно сконфигурированные формы отображения информации, в которых выводятся соответствующие данные  системных переменных процессах. Отчеты могут формироваться по времени, алармам или событиям, а также по командам оператора. Для отчетов может быть сконфигурирована автоматическая распечатка, но их можно просто выводить на экран, и затем выборочно распечатывать. Доступ к отчетам можно получить, нажав клавишу ОТЧЕТ в области СТАТУС, часть ЭКРАН.

В ходе технологического процесса и в процессе работы системы возникают различные аварийные и предаварийные ситуации. Для информирования оператора используются АЛАРМЫ. Оповещение об алармах и событиях производятся с помощью цветовой сигнальной строки в нижней части экрана, подсветкой клавиши соответствующей мнемосхемой процесса в области ЭКРАНЫ, а также подсветкой соответсвующей клавиши в области АЛАРМЫ. Если аларм не подтвержден, то подсветка мигает, если аларм активен и подтвержден, то горит ровным светом, при пропадании аларма подсветка гаснет. При нажатии на клавишу ПОДТВЕРЖДЕНИЕ АЛАРМОВ в области алармов происходит квитирование активного аларма. Различают алармы критические, предупредительные, алармы оборудования и системные алармы.

Регистрация алармов на жесткий диск системной консоли происходит в соответствии с заданной конфигурацией. Список зарегистрированных алармов представляет собой ЭКРАН РЕГИСТРАЦИИ АЛАРМОВ, который выводится на экран с помощью специальной клавиши в области ЭКРАНЫ. На экран выводится время возникновения аларма, тэг блока с наименованием, тип аларма и значение параметра в физических единицах.

4.5. Объем автоматизации 

Площадка обезвоживания

Системой автоматизации СА УКПН НГДУ «АН» предусмотрено следующее:

• измерение расхода сырой нефти, поступающей из товарного парка производится прибором, установленным на щите с дистанционной передачей данных (FE-100a, FT-100б), и измерение расхода товарной нефти производится прибором, установленным на щите с дистанционной передачей данных (FE-101a, FT-101б);
• измерение и индикация давления в трубопроводе осуществляется, прибором, установленным по месту(PI-31; PI-30);
• измерение влажности сырой нефти, поступающей из товарного парка производится влагомером, установленным на щите с дистанционной передачей данных (МE-150a, МT-150б), измерение влажности товарной нефти(МE-152a, МT-152б);
• измерение температуры сырой и стабильной нефти,  подаваемой на ГО и идущей от печей производится прибором, установленным на щите (ТЕ-20-1а,б; ТЕ-20-2а,б);
• для измерения температуры нефти, проходящей через теплообменники стоят показывающие термометры в оправе (TI-1, TI-2).
• в ГО контролируются следующие параметры:

        клапан (1-121г) регулирует подачу СВ в дренаж;

  уровень раздела фаз  регулируется датчиком с дистанционной передачей   данных (LЕ-1-121а; LT-1-121б);

преобразователь электрического сигнала в пневматический, передает сигнал на клапан(LY-1-121в);

измерение давления в ГО манометром установленным по месту (PI-30);

• измерение давление перед ГО осуществляется прибором с дистанционной передачей данных (PT-1-120а), а регулирование - клапаном (1-120д);
• измерение расхода пресной воды, которая смешивается с СН - прибором, установленным на щите с дистанционной передачей данных (FE-122a, FT-122б) и регулирование расхода – клапаном(122д);

Блок обессоливания

Системой автоматизации печей предусмотрено следующее:

• для нормального функционирования бензонасосов предусмотрен контроль следующих параметров:

измерение температуры подшипников насоса и двигателя в 2 точках (ТЕ-1-25а…г);

предусмотрено автоматическое управление системой блокировки электродвигателя (NS 7/1-A1)  и ручной запуск насоса Н 7/1-SB1;

• в Е7/1 клапан 124г регулирует уровень технологической воды, датчик – реле уровня(LE-77а, LSA-77б) срабатывает по нижнему уровню в емкости;
• клапан (125д) с помощью первичного преобразователя (FE-125а) регулирует  расход пресной воды, которая подается в линию перед ШО;
• в ШО контролируются следующие параметры:

        клапан (1-126г) регулирует подачу СВ в дренаж;

  уровень раздела фаз  регулируется датчиком с дистанционной передачей   данных (LЕ-1-126а; LT-1-126б);

преобразователь электрического сигнала в пневматический, передает сигнал на клапан(LY-1-126в);

измерение давления в ГО манометром установленным по месту (PI-30);

• измерение влажности обезвоженной и обессоленной нефти производится влагомером, установленным на щите с дистанционной передачей данных (МE-157a, МT-157б);

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

5.1. Сущность экспериментального определения статических и динамических характеристик объектов регулирования 

Статической характеристикой элемента, независимо от его конструкции и назначения, называется зависимость выходной величины от входной в равновесных состояниях. Статическую характеристику можно представить в виде таблиц или графически. Статическая характеристика позволяет определить величину отклонения выходной величины при известном изменении величины на входе по достижении равновесного состояния.

Определить статическую характеристику можно аналитически (расчетным путем) и экспериментально. Для многих сложных объектов статические характеристики неизвестны, и их трудно найти аналитически. В этом случае прибегают к экспериментальному определению их на действующих объектах.

Экспериментальное определение статических характеристик заключается в создании ряда последовательных равновесных состояний объекта при соответствующих выходных и входных величинах. В этом случае орган, управляющий притоком или расходом энергии или материи в объекте (например, клапан или задвижка), вручную или дистанционно переводят из одного положения, соответствующего равновесному состоянию, в другое. При достижении нового равновесного состояния объекта записывают значения входных и выходных величин по показаниям измерительных приборов. По измеренным входным и выходным величинам можно составить таблицу и построить график статической характеристики.

Если по условиям эксплуатации изменять значения входных и выходных величин в широком диапазоне невозможно, то ограничиваются небольшим пределом выходных величин вблизи заданного значения регулируемого параметра, т. е. снимается рабочий участок статической характеристики, в пределах которого допустимы указанные выше изменения.

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. Очевидно, что графики динамических характеристик будут различными при разных законах изменения входной величины. Для определения динамических характеристик и сравнимости их друг с другом приняты типовые законы изменения входных величин, близкие к законам, возможным в реальных условиях работы систем. Часто таким законом является скачкообразное изменение входной величины, при котором входная величина изменяется мгновенно на какую-либо конечную величину.

Динамические характеристики элементов систем можно определять так же, как и статические – расчетным путем и экспериментально.

Для оценки динамических свойств объектов регулирования можно воспользоваться временными характеристиками, снятыми с действующих объектов. Такие характеристики можно снимать в тех случаях, когда имеется возможность приложить возмущение и оставить действовать в течение времени, достаточного для окончания переходного процесса, т. е. пока регулируемая величина не примет постоянного значения у устойчивых объектов или пока не установится постоянная скорость изменения выходной величины у нейтральных объектов. Регулируемые объекты часто имеют несколько каналов возмущения, тогда необходимо снять характеристики при всех возмущениях. Однако в ряде случаев можно ограничиться снятием характеристик для основных каналов. При снятии временных характеристик весьма существенным является определение величины возмущения. При выборе величин возмущения исходят из допустимых отклонений в ходе технологического процесса. Однако необходимо, чтобы искусственно вводимое возмущение значительно превосходило по величине те случайные возмущения, которые могут быть при снятии характеристик.

  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. Наиболее удобны регистрирующие приборы с ленточной картограммой и большой скоростью ее движения.

Во время эксперимента записываются также все параметры, связанные с выходной величиной. Это позволяет при обработке результатов эксперимента установить, что снятые характеристики не искажены посторонними возмущениями.

В зависимости от динамических свойств объектов кривые изменения выходной величины могут иметь различный характер. Чтобы получить исходные данные для расчета системы регулирования, необходимо найти аналитические выражения экспериментально полученных кривых. Этими аналитическими выражениями будут дифференциальные уравнения объектов. В настоящее время имеется несколько методов нахождения уравнения объектов по имеющимся временным характеристикам. Симою и Стефани разработали метод для определения передаточной функции объекта по его кривой разгона, который получил название метода площадей. Метод основан на предположении, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. В заключение можно отметить, что многие промышленные технологические объекты имеют одну из следующих особенностей, влияющих на форму кривой разгона:

1) объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и наличием самовыравнивания;

2) объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и самовыравнивания;

3) объект характеризуется наличием транспортного запаздывания и отсутствием/наличием самовыравнивания.

5.2. Выделение САР из общей схемы технологического процесса 

На схеме автоматизации процесса обезвоживания нефти  мы выделили контур САР.

1. Найдем передаточную функцию по основному каналу. Регулируемая величина Q_вых (расход в м³/час) в результате приложенного к объекту возмущения DН_вх (изменение в м) при t®∞ стремится к конечному значению DQ_вых(∞) отличному от нуля.

График возмущения: скачкообразное изменение H_вх.:

График изменения регулируемой величины Q (расход):

Разбиваем ось времени на отрезки с интервалом Dt = 1 исходя из условия того, что на протяжении всего графика функция их выхода в пределах 2Dt мало отличается от прямой.

Значения ∆Q_вых в конце каждого интервала Dt делим на ∆Q_вых(∞) и полученые значения заносим в таблицу 2.

,    где DQ_вых (∞)= 98.

Таблица 2.

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду. Перестраиваем функцию   в другом масштабе времени (за независимую переменную примем переменную Ө).

Заполняем таблицу 3 и находим коэффициент F₂, F₃.

                                                                                          Таблица 3.

Строим зависимость σ(t):

         По виду графика зависимости σ(t) выбираем тип передаточной функции и записываем окончательное выражение исследуемого объекта в размерном виде.

После выбора вида передаточной функции, необходимо определить неизвестные коэффициенты полинома числителя и знаменателя системы уравнений:

Если одна из величин F станет отрицательной, то это будет означать, что соответствующий коэффициент – отрицательный, а значит система не устойчива, что противоречит действительности, т.к. при снятии кривой разгона объект работал устойчиво. Тогда примем соответствующий коэффициент равным нулю.

2.  Найдем передаточную функцию  по промежуточному каналу. Регулируемая величина Нвых (уровень в м) в результате приложенного к объекту возмущения DQвх (изменение  в м3/час) при t®∞ стремится к конечному значению DНвых(∞) отличному от нуля.

График возмущения: скачкообразное изменение Qвх.:

График изменения регулируемой величины Н (уровень в емкости):

Разбиваем ось времени на отрезки с интервалом Dt = 1 исходя из условия того, что на протяжении всего графика функция их выхода в пределах 2Dt мало отличается от прямой.

Значения ∆Н_вых в конце каждого интервала Dt делим на ∆Н_вых(∞) и полученые значения заносим в таблицу 4.

,    где DН_вых (∞)= 0,5.

Таблица 4.

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду. Перестраиваем функцию   в другом масштабе времени (за независимую переменную примем переменную Ө).

Заполняем таблицу 5 и находим коэффициент F₂, F₃.

                                                                                          Таблица 5.