Проектирование многоканальной микропроцессорной подсистемы сбора и регистрации информации о технологическом процессе гранулирования Проектирование многоканальной микропроцессорной подсистемы сбора и регистрации информации о технологическом процессе гранулирования серы Содержание Введение.................................................................................................................. 1 Процесс гранулирования серы и задачи его автоматизации на базе средств вычислительной техники......................................................................................... 1.1 Характеристика технологического процесса производства гранулирования серы.......................................................................................................................... 1.2 Основные задачи автоматизации производства гранулированной серы 1.3 Обзор современных средств автоматизации ................................................... 1.4 Эффективность процесса гранулирования серы и определение основных требований к средствам автоматизации...................................................................... 2 Выбор системных решений по проектированию подсистемы сбора и регистрации информации о ТП гранулирования серы................................................ 2.1 Сопоставительный анализ современных подходов к проектированию средств регистрации технологической информации............................................. 2.2 Анализ информационных каналов съема и передачи измерительной информации....................................................................................................................... 2.3 Выбор структуры многоканальной подсистемы сбора и регистрации данных о ТПГС..................................................................................................................... 3 Разработка аппаратных и программных средств многоканальной микропроцессорной подсистемы сбора и регистрации информации о ТПГС..................... 3.1 Разработка технических средств...................................................................... 3.1.1 Разработка функциональной схемы микропроцессорной многоканальной подсистемы сбора и регистрации информации о ТПГС....................................... 3.1.2 Выбор коммутатора аналоговых сигналов.................................................. 3.1.3 Выбор средств гальванической развязки..................................................... 3.1.4 Выбор АЦП................................................................................................... 3.1.5 Выбор интерфейса для подсистемы сбора и регистрации информации о ТПГС........................................................................................................................ 3.1.6 Выбор программируемого микроконтроллера........................................... 3.1.7 Разработка принципиальной схемы подсистемы......................................... 3.2 Разработка программного обеспечения подсистемы сбора и регистрации данных о ТПГС....................................................................................................... 3.2.1 Разработка алгоритмов сбора и регистрации данных................................ 3.2.2 Разработка программы сбора и регистрации данных........................... Заключение.............................................................................................................. Список использованных источников...................................................................... Приложение А Технологическая схема производства гранулирования серы..... Приложение Б Функциональная схема контрольно-измерительной системы производства гранулирования серы............................................................................ Приложение В Принципиальная схема микропроцессорной подсистемы сбора и регистрации информации на производстве гранулирования серы...................... Приложение Г Перечень элементов микропроцессорной подсистемы............... Приложение Д Листинг программы управления микроконтроллером……………. Введение Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. Идея использования вычислительной техники для целей управления технологическими процессами возникла еще в 1950-е гг. Система управления технологическим процессом на базе ЭВМ эффективна потому, что поддерживает параметры процесса в режиме, близком к оптимальному. В результате сокращается расход материалов, энергии, повышаются производительность труда и качество продукции, обеспечивается быстрая перестройка оборудования на выпуск другого ее вида. В настоящее время на рынке компьютерной автоматизации имеются десятки предложений по части промышленных контроллеров, однако их использование в автоматической системе управления технологическим процессом предполагает стандартные принципы решения определённого круга задач: сбор информации, обработка и обмен ею с компьютером по определённому протоколу. Всё это внедряется для того, чтобы сократить физические и умственные нагрузки людей до минимума. Современный этап развития человечества характеризуется широким применением персональных ЭВМ для решения широкого круга задач: от простой обработки данных до управления сложнейшими технологическими процессами. Как правило, информация вводится, обрабатывается и выдаётся из ПЭВМ в привычной для неё цифровой форме. В то же время, большая часть источников информации (датчиков) выдают информацию в аналоговой форме, как правило, в виде уровней напряжения. Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удаётся решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Многие исполнительные устройства (реле, электромагниты, электродвигатели), управление которыми можно доверять ЭВМ, также реагируют на уровни напряжения или тока. Непосредственное подключение указанных объектов к ЭВМ невозможно из-за отсутствия, в последних, подсистем аналогового ввода. Различные варианты решения этой задачи предлагаются производителями промышленных контроллеров различных фирм как зарубежных, так и отечественных. К достоинствам данных разработок можно отнести высокие технические характеристики, а недостатком является высокая стоимость. Большинство производителей продвигают более тяжелые модели контроллеров, а они, как правило, дороги, которые заслуживают только одного упрека – их возможности, зачастую, избыточны. Программное обеспечение тоже стоит немалых денег. Оптимальный выбор аппаратуры управления для большинства промышленных систем автоматизации – весьма непростое дело. потребителю подобных систем необходимо найти баланс между разумностью затрат и степенью эффективности системы автоматизации. Разумность затрат предполагает реализацию принципа "плачу за себя", то есть потребитель оплачивает только востребованные им возможности аппаратуры и софта. Поэтому актуальной стала задача создания устройства, которое с одной стороны было бы относительно недорогим по себестоимости, достаточно простым в аппаратной реализации и эксплуатации, а с другой стороны соответствовало бы необходимым техническим требованиям. Системы сбора данных в наши дни сделали большой шаг в вперед и в плотную приблизились к использованию совершенных электронных технологий. Сейчас, многие системы сбора данных состоящие из аналогового коммутатора, усилителя выборки-хранения, АЦП, стали размещать на одной интегральной микросхеме, что сравнительно повлияло на скорость обработки данных, удобство в использовании, и конечно же на их стоимость. Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их стоимость. Использование микроконтроллеров в системах сбора данных и управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости. Основными критериями технического обеспечения ИИС являются критерий функциональной полноты, критерий экономических и временных затрат на приобретение и ремонт оборудования при выходе из строя элементов системы. Технологический процесс производства гранулированной серы является непрерывным, поэтому малейшие простои повлекут за собой большие экономические потери, из этого следует, что время на ремонт оборудования должно быть минимальным. Проведенный анализ существующего на рынке парка оборудования, перечня задач которые предстоит решать на нем, а также текущая потребность в аппаратуре и имеющийся потенциал стимулируют разработку необходимых устройств в рамках научно-исследовательских разработок и дипломного проектирования. Основной задачей разработки данного дипломного проекта является проектирование ИИС для контроля технологического процесса производства гранулированной серы. Цель работы: - выбор варианта, принципов построения и архитектуры ИИС в производстве гранулированной серы; - проектирование и разработка ИИС в производстве гранулированной серы; - разработка программно-аппаратных средств. Основные направления работы: - анализ требований, предъявляемых к ИИС; - выбор архитектуры и принципов построения ИИС в производстве гранулированной серы; - определение факторов, определяющих эффективность технологического процесса; - выбор программно-аппаратных средств вычислительной техники для информационно-измерительной подсистемы производства гранулированной серы. Практическая ценность работы: - разработка аппаратно-программного интерфейса между контрольноизмерительными приборами и персональным компьютером; - усовершенствование контроля технологического процесса производства гранулированной серы. В данном проекте разработана многоканальная микропроцессорная подсистема сбора и регистрации информации о производстве гранулирования серы, удовлетворяющая задаче улучшения визуализации параметров состояния технологического процесса и повышения эффективности производства. 1 Процесс гранулирования серы и задачи его автоматизации на базе средств вычислительной техники 1.1 Характеристика технологического процесса производства гранулирования серы Производство элементарной (газовой) серы в гранулированном виде на Оренбургском ГПЗ включает в себя установку грануляции, складирования и отгрузки серы, состоящую из нескольких отделений: - приемный узел жидкой серы; - блок охлаждения жидкой серы; - отделение грануляции серы; - система транспортирования и складирования; - узел погрузки в вагоны. На рисунке 1.1 представлена структурная схема производства. Рисунок 1.1 - Структурная схема производства Упрощенная технологическая схема производства гранулированной серы представлена на рисунке 1.2. 1.1.1 Приемный узел жидкой серы Жидкая сера с ОГПЗ с давлением 0,6 МПа и температурой 150-155°С поступает в резервуар для жидкой серы PIT-01.Резервуар для жидкой серы PIT-01 представляет собой емкость объемом 200 м3 с наружным обогревом и изоляцией. Из резервуара PIT-01 жидкая сера с давлением ~0,3 МПа погружными насосами Р-01 А/В (один резервный) нагнетается по обогреваемому трубопроводу на блок охлаждения серы и далее к Ротоформам Плюс, из которых часть подается на грануляцию, а часть сбрасывается обратно в емкость PIT-01 через клапан, который служит для поддержания постоянного давления в распределительных трубопроводах жидкой серы, независимо от производительности отделения грануляции серы, этот клапан является частью систем циркуляции серы с регулируемым давлением. Для возможности сбора дренажей жидкой серы от оборудования (Ротоформов Плюс), блока охлаждения серы и трубопроводов на время остановки, в отделении грануляции (в помещении) установлена емкость РIТ-02А объемом 3,4 м3, обогреваемая паром низкого давления. Собранные дренажи погружными насосами Р-06А/В (один резервный) возвращаются в процесс через резервуар питания Ротоформов Плюс-РIТ-01. 1.1.2 Блок охлаждения серы. Блок охлаждения серы предназначен для охлаждения серы с » 155°С до 125°С горячим циркуляционным раствором моноэтиленгликоля. Целью охлаждения серы является снижение вязкости серы и как следствие – получение качественных гранул. Жидкая сера от подается по серопроводу в теплообменник НЕ-03, где охлаждается со 155°С до 125°С горячим циркуляционным раствором моноэтиленгликоля (далее МЭГ). Перед входом серы в теплообменник НЕ-03 установлены параллельно два фильтра тонкой очистки F-01, F-02. Фильтры работают поочередно и снабжены отключающими обогреваемыми кранами. Предусмотрен вариант работы по байпасу без фильтров. Контроль работы (забивка фильтрующих элементов) осуществляется по падению давления в серопроводе. В случае падения давления включается в работу резервный фильтр, работающий фильтр отключается, освобождается от серы посредством дренажа в PIT-02А; фильтр вскрывается, демонтируется фильтрующий элемент и производится его очистка, далее фильтр собирается и остается в резерве. Жидкая сера, охлажденная до 125°С в НЕ-03, по серопроводу поступает в общий коллектор и подается на Ротоформы RF-01, 02, 03, 04, 05. Часть раствора МЭГ через трехходовой клапан – регулятор температуры ТСV901 подается в теплообменник НЕ-03, вторая часть раствора МЭГ подается в теплообменник-холодильник НЕ-04, где охлаждается со 122°С до 115 °С за счет оборотной воды и далее поступает в трехходовой клапан-регулятор TCV901 и смешивается с основным потоком. После смешения потоков температура раствора МЭГ, поступающего в теплообменник НЕ-03 автоматически поддерживается 119 °С трехходовым клапаном-регулятором TCV901 за счет регулировки основного и вспомогательного потоков. Вода охлаждения на теплообменник НЕ-04 подается с напорного коллектора холодной воды, подаваемой на охлаждение стальных лент Ротоформов. Для предотвращения разгерметизации теплообменника НЕ-04, перепад давления между системой циркуляционного раствора МЭГ и системой воды охлаждения, подаваемой в НЕ-04 не должен превышать 0,7 кгс/см2. 1.1.3 Система формования гранул Основным аппаратом системы по формованию гранул является ротационный гранулятор с ленточной линией охлаждения. Система включает в себя: - пять агрегатов типа "Ротоформ Плюс" с металлической лентой охлаждения каждый; - оборудование и трубопроводы по приготовлению и подаче разделительного средства, обеспечивающего легкий сход гранул серы с металлической ленты (емкость Т-03 с мешалкой RA-01, насос Р-04, емкости тегопрена с ручным насосом); - сборный конвейер гранулированной серы СО-01. Жидкая серы с резервуара PIT-01 погружными насосами Р-01 направляется на блок охлаждения серы и с температурой 125°С поступает на 5-ть агрегатов "Ротоформ Плюс". Все 5-ть формирователей аналогичны. Агрегат типа "Ротоформ Плюс" состоит из ротоформирователя, охладительной ленты из нержавеющей стали с системой внутреннего впрыска воды, сборных ванн и вытяжного короба. Ротоформирователь (каплеобразователь) состоит из нагретого цилиндрического статора, к которому подводится жидкая серы, и перфорированной ротационной оболочки (перфорированная лента), которая вращается концентрически вокруг статора, укладывая серные капли (гранулы) по всей ширине стальной ленты. Окружная скорость Ротоформ Плюс синхронизируется со скоростью ленты. Таким образом, капли укладываются на ленту без деформации, и после затвердевания получаются гранулы определенной формы. Гранулы охлаждаются и затвердевают за счет непосредственного соприкосновения с охлажденной стальной лентой, которая, в свою очередь, охлаждаются водой. После затвердевания и охлаждения гранулы подаются на транспортировочный сборный конвейер СО-01. Контроль и управление работой процесса формования гранул осуществляется приборами, расположенными по месту (на агрегате Ротоформ Плюс), на местном щите с передачей информации в операторную. Установка формования серы комплектуется системой управления на основе программируемого логического контроллера (PLC) и подключенными щитами управления. Система с программируемым логическим контроллером предназначена для агрегатов Ротоформ Плюс (RF-01-05) и вспомогательного оборудования, такого как насосы для серы (Р-01 А/В), насосы для воды (Р-02 А/В и Р-03 А/В), градирня (СТ-01), вытяжные вентиляторы (F-01, F-02), конвейер (СО-01), блок охлаждения, АВО НЕ-01А/В/С. Для обеспечения легкого схода гранул с ленты охлаждения на нее, непосредственно перед роторным формователем, с помощью роликовой системы наносится тонкий слой водного раствора кремний-образующего вещества (тегопрена). Работа осуществляется следующим образом: барабан с войлочным или другим поглощающим жидкость покрытием вращается в ванне с разделительным средством. Этот барабан соприкасается со стальной лентой с нижней стороны натяжного барабана. При работе барабан поглощает разделительное средство из ванны и увлажняет им стальную ленту. 1.1.4 Система транспортирования и складирования Система включает в себя следующие оборудования и сооружения: - вертикальный элеватор ВС01 от здания "Сандвик" до узла перегрузки; - ленточные транспортеры ВС02, ВС05; - ленточный реверсивный конвейер над бункерами погрузки ВС06; - бункера погрузки гранулированной серы BU01, BU02. Отделение работает следующим образом. Гранулированная сера из здания отделения "Сандвик", транспортируется сборным ленточным конвейером С001 до вертикального элеватора ВС01, который в пересыпной башне поднимает грансеру на высоту воронки ДС01 и через нее пересыпает материал на ленточный транспортер ВС02. Конвейер ВС02 оснащен транспортной пересыпной тележкой. Транспортер ВС02 находится над складом хранения гранулированной серы и с помощью пересыпной тележки сера, при отсутствии ее погрузки в вагоны, высыпается на площадку склада. Во время погрузки продукта в ж/д вагоны, для отправки потребителю, увеличивается подача серы в бункера погрузки BU01, BU02. По конвейеру ВС02 грансера поступает к наклонному транспортеру ВС05, пересыпается на него и поднимается до горизонтального конвейера ВС06. Конвейер ВС06 реверсный и с него сера пересыпается в бункеры BU01, BU02. 1.1.6 Узел погрузки в вагоны Бункера оборудованы шиберными заслонками, на выходах, которых имеются вибрационные дозирующие устройства VF01, VF02, регулирующие поток материала (производительность каждого составляет 120 т/ч) на транспортеры с резиновой лентой ВС07-ВС08, на которых находятся конвейерные весы VV01- VV02, обеспечивающие взвешивание гранулята при погрузке в вагоны. В отделении, из помещения кабины управления, предусмотрен контроль за работой ленточных конвейеров и других механизмов. Приводы конвейеров управляются из кабины управления дистанционно. Загрузка гранулированной серы с транспортеров ВС07-ВС08 в ж/д вагоны осуществляется через загрузочные устройства BL01-BL02. Загрузочные устройства оснащены лебедками для опускания и поднятия загрузочного шланга и датчиками, которые, в зависимости от высоты материала в вагоне, регулируют постепенное поднятие загрузочной части, чтобы предотвратить образование пыли. После размещения вагонов под загрузочным пунктом, опускается гибкая часть загрузочного устройства, включаются вибрационные дозирующие устройства VF01,02, транспортеры ВС 07,08 и начинается заполнение вагонов продуктом. Окончательное взвешивание заполненных гранулированной серой вагонов осуществляется на железнодорожных вагонных весах. Весь процесс управления погрузкой выполняется дистанционно с пульта управления, расположенного в районе погрузки. 1.2 Основные задачи автоматизации производства гранулированной серы Основной задачей автоматизации производства гранулированной серы является создание информационно-вычислительной системы способной решать огромный круг задач по сбору, переработке, передаче, хранению, поиску и выдачи разнообразной информации; по контролю и автоматизированному управлению объектом, по технической диагностике. Задачи автоматизации производства гранулированной серы исходят из повышения эффективности процесса. Необходимо наиболее достоверно с достаточной точностью и своевременно предоставить информацию о происходящих процессах на производстве операторам, специалистам, остальному обслуживающему персоналу. На производстве гранулированной серы в свое время различными проектными организациями были спроектированы три различные системы контроля и управления составными частями технологического процесса. 1. Для основного производства – системы грануляции серы – спроектирована АСУ ТП на основе программируемых логических контроллеров (PLC - Programming Logical Controoller) фирмы Siemens. Эта система разработана фирмой Sandvik. Ею поставлены оборудование и программа Simatic Step-7, которая осуществляет сбор и анализ данных, автоматизированное управление и сигнализацию. 2. В операторной реализована система наблюдения, контроля и управления за транспортной системой, поставленная фирмой INTRAG. Она включает в себя датчики, находящиеся на объекте, коммутирующую аппаратуру, промышленные контроллеры, на которых реализована логическая схема и персональный компьютер. На РС установлена операционная система Windows 2000 и программа «Транспорт», которая визуализирует работу транспортной системы. Контроллеры PS4-200 фирмы Moeller осуществляют сбор информации и передают на РС данные через последовательный порт. 3. Система контроля за вспомогательным оборудованием спроектирована предприятием ВНИИПРОГАЗ. Контроль некоторых параметров вспомогательного оборудования выведен только на регистрирующие приборы, находящиеся на панели регистрации параметров в операторной. Это – вторичные приборы А-100, измерители-регуляторы 2ТРМ-1 фирмы «Овен», световое табло. На приборы А-100 и 2ТРМ приходят от датчиков температуры, давления, уровня и расхода унифицированные аналоговые сигналы 4-20 мА. Для измерения температуры применяются термопреобразователи ТСПУ, ТСМУ группы Метран. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Для измерения давления применяются датчики давления Метран. Они передают информацию на вторичные приборы используя либо внешние блоки питания на 18-36 В постоянного тока, либо, если датчик находится во взрывоопасной зоне, то используя блоки питания с барьером искрозащиты Одной из главных задач автоматизации является создание многоканальной микропроцессорной подсистемы сбора и регистрации информации о некоторой части производства гранулированной серы, которая не включена ни в систему разработаной фирмой Sandvik, ни в систему наблюдения, контроля и управления за транспортной системой, поставленная фирмой INTRAG. Подсистема должна состоять из аппаратной и программной составляющих. Аппаратная часть состоит из электронного устройства на основе микроконтроллера и разъема для подсоединения к компьютеру. Программа по которой будет работать электронное устройство, записывается программатором в постоянную перепрограммируемую память. Персональный компьютер должен считывать информацию с устройства и передавать ее программам обработки. Остальное программное обеспечение планируется реализовать на основе SCADA-системы. Многие проекты автоматизированных систем управления технологическими процессами для различных областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации. Как правило, АСУ ТП - это двухуровневые системы (уровень объекта -контроллерный и уровень операторной/диспетчерской - HMI). Именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой /7/. Нижний уровень представлен различными датчиками для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводами и исполнительными устройствами для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции: - сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса; - автоматическое логическое управление и регулирование; - исполнение команде пункта управления; - самодиагностика работы программного обеспечения и состояния самого контроллера; - обмен информацией с пунктами управления. Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно или через контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или интерфейсные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже: - сбор данных с локальных контроллеров; - обработка данных, включая масштабирование; - поддержание единого времени в системе; - синхронизация работы подсистем; - организация архивов по выбранным параметрам; - обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем; - работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем; - резервирование каналов передачи данных и др. Верхний уровень диспетчерский пункт или операторная включает один или несколько компьютеров, играющих роль автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчеров/операторов и специалистов. В качестве сервера базы данных может служить АРМ оператора или отдельный компьютер. АРМы предназначены для обеспечения человеко-машинного интерфейса между диспетчером/оператором и системой управления. С этой целью на компьютерах установлено прикладное программное обеспечение типа SCADA /1/. Спектр функциональных возможностей ППО SCADA определен ролью этого программного обеспечения в системах управления (HMI) и реализован практически во всех пакетах: - автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования (Development); - исполнение прикладных программ (Run Time); - сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; - обработка первичной информации; - регистрация аварийных ситуаций; - представление текущих и накопленных (архивных) данных в виде графиков (тренды); - хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных); - визуализация параметров технологического процесса и оборудования с помощью мнемосхем, таблиц, графиков и т.п.; - дистанционное управление объектами; - формирование отчетов по созданным на этапе проектирования шаблонам. Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода, а также с интеллектуальными приборами. Это реализуется с помощью специализированных сетей удаленного ввода/вывода и полевых шин. Связующим звеном между локальными контроллерами и контроллерами верхнего уровня, а иногда и пультами оператора являются промышленные сети. К промышленным сетям предъявляется целый ряд требований, например, по скорости обмена, надежности доставки информации и т. п. Связь различных АРМ оперативного персонала между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем (возможны варианты) осуществляется посредством информационных сетей. На сегодняшний день абсолютно доминирующим типом таких сетей является Ethernet (сеть шинной топологии, случайного метода доступа, большой протяженности, с высокой скоростью передачи данных). Выбор каналов связи для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе архитектурой системы управления, типом применяемых контроллеров и используемой SCADA - системой. Базовый функциональный профиль систем SCADA/HMI сформировался еще во времена первых управляющих вычислительных машин. Со временем функциональные возможности SCADA/HMI расширялись (появление цветных дисплеев, средств анимации, голосовой сигнализации и т. п.). С появлением концепции открытых систем программное обеспечение SCADA/HMI для операторских станций становится самостоятельным продуктом, свободно взаимодействующим с программно-техническими средствами разных производителей /7/. Для производства гранулированной серы необходимо средствами SCADA/HMI реализовать следующее: - сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; - обработка первичной информации; - регистрация аварийных ситуаций; - представление текущих и накопленных (архивных) данных в виде графиков (тренды); - хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных); - визуализация параметров технологического процесса и оборудования с помощью мнемосхем, таблиц, графиков и т.п. 1.3 Обзор современных средств автоматизации В настоящее время автоматизация любых производственных процессов выполняется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК). На вход ПТК от датчиков поступают измеренные значения величин, характеризующих производственный процесс. Комплексы реализуют заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдают результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации. Все ПТК можно разбить на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте. Так как в последнее время появились многочисленные модификации персональных компьютеров в промышленном исполнении и повысилась надежность их работы, PC стали активно применятся для автоматизации производственных объектов. К важным достоинствам РС следует отнести открытую архитектуру, легкость подключения любых блоков ввода/вывода, выпускаемых третьими фирмами, возможности по использованию широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления). Контроллеры на базе РС (PC based control), как правило, управляют сравнительно небольшими замкнутыми объектами. Общее число входов/выходов контроллера на базе РС обычно не превосходит нескольких десятков соединений, а набор функций предусматривает либо сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо вычисления по специализированным формулам, аргументами которых выступают измеряемые величины /11/. В общих терминах можно указать следующие условия, очерчивающие область применения контроллеров на базе РС в промышленности: - выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта (необходима большая вычислительная мощность); - средства автоматизации работают в окружающей среде, не отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров; - операторам практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами; - контроллер выполняет нестандартные функции, которые целесообразно программировать не на специальном технологическом языке, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, Pascal. В настоящее время в промышленности используется несколько типов локальных контроллеров. 1. Встроенный, являющийся неотъемлемой частью агрегата, машины, прибора. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и др. оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования. 2. Автономный модуль, реализующий функции контроля и управления небольшим изолированным технологическим узлом, как, например, районные котельные, электрические подстанции, резервуарные парки. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш. 3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network). Сетевые ПТК наиболее широко применяются для управления производственными процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав данного класса ПТК подразумевает наличие следующих компонентов: - набор контроллеров; - несколько дисплейных рабочих станций операторов; - системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры между собою и контроллеры с рабочими станциями. Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом памяти, возможностями по резервированию, способностью работать в разных условиях окружающей среды, числом каналов входа/выхода. Так что можно подобрать контроллер для каждого узла автоматизируемого агрегата с учетом особенностей и выполняемых функций последнего и использовать один и тот же комплекс для управления разными производственными объектами. 4. Распределенные маломасштабные системы управления (DCS, Smoller Scale). Маломасштабные распределенные контроллерные средства в среднем превосходят большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и гибкости структуры, а следовательно, по объему и сложности выполняемых функций. В некоторых случаях расширение сетевой структуры идет в направлении применения стандартных цифровых полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами. Подобная простая и дешевая сеть соединяет по одной витой паре проводов контроллер с множеством интеллектуальных полевых приборов, что резко сокращает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой информации на значительные расстояния /11/. Приведем краткую оценку объема российского рынка контроллерных средств. На нем работают все международные лидеры - производители данной продукции: ABB (распространяющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman & Braun), Emerson (бывшая Fisher-Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation (поглотила фирму Damatic Automation), Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Automation и др. Всего порядка 15 фирм, каждая из которых предлагает от двух до пяти контроллерных средств разных классов. Более 20 российских предприятий конкурируют с зарубежными производителями в разных классах контроллерных средств ("Автоматика", ДЭП, "Импульс", "Инсист Автоматика", "Интеравтоматика", "Квантор", НИИтеплоприбор, "НВТ-Автоматика", ПИК "Прогресс", "Саргон", "Системотехника", ТЕКОН, "Электромеханика", ЭМИКОН и др.) /11/. Поскольку российские предприятия комплектуют контроллерные средства зарубежными микропроцессорами, стандартными сетями, типовым системным и прикладным программным обеспечением, то продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными изделиями. 1.4 Эффективность процесса гранулирования серы и определение основных требований к средствам автоматизации 1.4.1 Эффективность процесса гранулирования серы Основными условиями обеспечивающими нормальное ведение технологического процесса являются. 1. Обеспечение уровня жидкой серы в приемном резервуаре PIT-01 в пределах технологического регламента. При переполнении его произойдет выброс жидкой серы с температурой 150 С поверх емкости, что создаст аварийную ситуацию на территории производства. При понижении уровня ниже определенной насосы откачки серы будут работать вхолостую, что приведет к выходу из строя насосов. 2. Наличие пара достаточной температуры и давления, служащего в качестве теплоносителя. Пар подается в межтрубное пространство серопроводов, образуя паровую рубашку. При понижении температуры, давлении, расхода пара произойдет скопление конденсата и как следствие замораживание участка серопровода. 3. Наличие воздуха КИП достаточного давления, который служит источником энергии для органов управления (регулирующих клапанов, клапанов-отсекателей, пневмоцилиндров). 4. Поддержание определенной температуры жидкой серы. Температура жидкой серы является одним из основных параметров, соблюдение которых необходимо для работы установки на проектных режимах. Этот параметр основывается на физических и химических свойствах серы. Температура плавления элементарной серы » 120 °С. Минимальная вязкость сера имеет при температуре » 125 °С. При повышении температуры происходит увеличение вязкости серы и скорость реакции серы с органических соединений, оставшимися после установок регенерации серы на ОГПЗ. Исходя из этого температура жидкой серы подаваемая на линии грануляции должна быть в пределах 123-127 °С. 5. Поддержание определенного давления и расхода жидкой серы. Эти параметры влияют на высоту и форму гранул. 6. Соблюдение определенного режима работы агрегатов "Ротоформ - Плюс" (RF-01-05). Поддержанием необходимых скоростей движения стальной ленты охлаждения и стальной перфорированной ленты и их соотношения добиваются требуемого качества гранул серы. 7. Поддержание определенной температуры и расхода охлаждающей воды для стальной ленты охлаждения. Охлаждающая вода используется для отвода тепла, выделяющегося во время за­твердевания и охлаждения гранул, которое передается охлаждающей воде через нержа­веющую стальную ленту "Сандвик", отличающейся очень хорошей теплопроводностью. 8. Выдерживание необходимого режима работы теплообменника НЕ-03, в котором идет теплообмен между серой и моноэтиленгликолем (раствором МЭГ). 9. Поддержание безаварийного режима работы теплообменника НЕ-04. Для предотвращения разгерметизации теплообменника, перепад давления между системой циркуляционного раствора МЭГ и системой воды охлаждения, подаваемой в НЕ-04 не должен превышать 0,7 кгс/см2. 1.4.2 Основные требования к средствам автоматизации В последние годы, в первую очередь в связи с резкой интенсификацией и автоматизацией технологических процессов самого разного назначения (в том числе и при использовании электронных средств), а также с расширением фронта научных экспериментов, существенно изменились требования к средствам измерения и контроля. Новые требования связаны, главным образом, с переходом к получению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнородных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступной для прямых измерений. Как правило, получение всего объёма измерительной информации должно выполняться за ограниченное время. Если эти функции возложить на человека, вооружённого лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу физиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Причём, в ряде случаев, из-за опасных условий эксперимента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым. Таким образом, на определённом этапе развития информационно-измерительной техники появилась проблема создания новых средств, способных разгрузить человека от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы в области ИИТ привело к появлению нового класса информационно-измерительных систем (ИИС) – автоматизированных ИИС, предназначенных для автоматизированного сбора и обработки измерительной информации. В автоматизированных ИИС измеряется и контролируется большое количество величин и выполняется значительная обработка информации. В связи с тем, что проблемы автоматизации решаются посредством средств вычислительной техники, данный класс ИИС далее будем называть информационно-вычислительной системой (ИВС). Подавляющее большинство ИВС базируется на использовании элементов современной электроники. Это во многом определяется наличием относительно хорошо разработанных методов и средств преобразования разнообразных контролируемых величин в электрические сигналы и удобством выполнения преобразований, передачи и обработки электрических сигналов /3/. Широкое введение ЭВМ в состав ИВС стало возможным после организации промышленного выпуска управляющих вычислительных машин и комплексов, а также малых ЭВМ с достаточными вычислительными и логическими возможностями, гибким программным управлением, приемлемыми габаритами, потребляемой энергией и стоимостью. Улучшение многих характеристик ИВС было достигнуто благодаря использованию больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных наборов (включая устройства памяти с большим объёмом запоминаемой информации) и микроЭВМ. Качественно новые возможности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ИВС были получены при применении стандартных цифровых интерфейсов и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метеорологическими, энергетическим и конструктивным характеристикам. Применение в ИВС ЭВМ и стандартных цифровых интерфейсов привело к необходимости формального описания алгоритмов действия систем и к резкому возрастания роли программного обеспечения систем. Оказалось, что для цифровых централизованных ИВС с программным управлением можно организовать промышленный выпуск универсального цифрового ядра, в которое входят цифровые измерительные и вычислительные средства и стандартные устройства ввода и вывода цифровой информации. В ИВС более широко осуществляется многофункциональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию средств с жёсткой структурой (аппаратная реализация) и гибки перестраиваемыми структурами и программами работы. В быстродействующих ИВС, работающих в реальном времени, объединяются процедуры измерения и обработки информации. Существенно расширяется применение устройств памяти. В элементной базе резко увеличивается доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции /1/. Итак основными требованиями предъявляемыми к средствам автоматизации являются: - обладание необходимой вычислительной мощностью; - современная элементная база; - использование стандартных интерфейсов; - присутствие программируемых модулей; - возможность быстрой и недорогой модификации. 1.4.3 Требования, предъявляемые к информационно- измерительным системам. Основным фактором, характеризующим информационную систему, является ее эффективность. Эффективность информационной системы определяется целым рядом показателей: - экономическая эффективность; - надежность в эксплуатации; - простота в обращении; - оперативность выдачи информации; - многоканальность. Для обеспечения эффективности информационная система должна удовлетворять следующим требованиям: - минимальные затраты на разработку и внедрение; - работоспособность в условиях агрессивной внешней среды; - модульность конструкции; - быстрое восстановление после аварии; - необходимое быстродействие для сбора, регистрации и обработки информации. Для обеспечения многоканальности возникает ряд проблем. 1. Унификация сигналов на входах и выходах отдельных устройств, особенно на выходах первичных измерительных преобразователей. Без такой унификации чрезвычайно затруднительно использование общих блоков в информационно-измерительной системе - требуются индивидуальные нормализующие преобразователи. 2. Масштабирование цифровых шкал. Несмотря на различие диапазонов изменения измеряемых величин и их размерностей общий аналого-цифровой преобразователь получает на входе унифицированные сигналы одного диапазона, выдает цифровые результаты также в одном диапазоне; каждый такой результат требует затем умножения на индивидуальный для каждого канала коэффициент, и только тогда выходные цифровые приборы будут воспроизводить величины в присущих им единицах измерения. Выход из строя общего блока нарушает работу сразу всех информационных каналов, одним из путей повышения надежности является резервирование общих блоков. В тех случаях, когда информацию приходится передавать на расстоянии, появляется проблема организации и рационального использования каналов связи. С одной стороны, нужно использовать каналы экономно, обходясь минимальным их количеством при минимальной ширине занимаемой ими частотной полосы. С другой стороны, нужно обеспечивать при этом определенные характеристик быстродействия, точности и достоверности передачи. А каналы лимитирую скорость передачи, и тем сильнее, чем меньше ширина их частотной полосы, наличие помех в канале приводит к искажению сигналов. От правильного выбора структуры информационно-измерительной системы часто существенно зависит стоимость ее и всей подсистемы в целом Системы передачи информации должны быть многоканальными и обеспечивать заданную точность. По точности системы делятся на три группы системы средней точности погрешность (3 - 5)%, высокой точности погрешность (1 - 2)% и очень высокой точности - погрешность (0,1 - 0,5) %. Кроме того, система должна иметь необходимое быстродействие для измерения как медленно меняющихся процессов (температура, давление, напряжение источников питания и т. п.), так и быстроменяющихся (вибрации, колебания). 1.4.4 Требования к средствам измерения и обработки технологической информации. Измерительная информация, полученная от датчиков, проходит достаточно большой путь по каналам связи между элементами информационно-измерительной системы. Для того, чтобы в процессе следования она не была потеряна или искажена к средствам измерения и обработки технологической информации необходимо предъявить следующие требования: - диапазон измерения; - точность в представлении информации; - число каналов; - работа в агрессивной среде; - помехоустойчивость; - быстродействие; - выдача необходимой формы результата; - оперативная выдача информации; - достоверность в информации; - надежность; - ремонтопригодность; - удобство в эксплуатации. Средства измерения - датчики - должны мерить требуемый диапазон измерения. То есть, датчики должны быть подобраны таким образом, чтобы они могли снимать и передавать измерительную информацию в соответствии с требованиями, предъявляемым к нормам обеспечения нормальною протекании производственного процесса. Важной характеристикой измерительных приборов является класс точности. Класс точности определяется на основании приведенной погрешности отношения абсолютной погрешности к разности значений пределов измерения данного прибора. Другими словами датчики должны передавать требуемую информацию с заданной точностью, которая не должна влиять на конечный результат. Средства измерения и обработки технологической информации должны обеспечивать необходимое количество каналов для связи с датчиками и дальнейшей передачи информации. То есть, подбирается необходимое количество коммутаторов и их разрядность На работу средств измерения не должны влиять различные вибрации, то есть они должны быть помехоустойчивыми. Для оперативной выдачи результат средства измерения и обработки должны обеспечивать требуемое быстродействие в передаче информации о датчиков к ЭВМ. Выдача результата на экран дисплея или на принтер должны соответствовать требованиям, предъявляемым пользователем. Измерительная информация должна выдаваться оператору в любое время независимо от стадии технологического процесса. Если тот или иной датчик выходит из строя, он должен быть, как можно скорее заменен на новый. То есть, надежность, ремонтопригодность и совместимость средств измерения напрямую влияют на простой всей производственной линии.