Вопрос №8. Основные проектные решения по управлению расходом в трубопроводе. Структурные схемы регулирования расходом. Проектные решения «Функциональная схема канала автоматизации расходом».

Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например: сырья, топлива, кубового остатка колонны и т. д.), изменения давления и изменения уровня..

На практике находят применение три способа регулирования расхода исполнительным устройством насосного типа:

1. Дросселирование потока на линии нагнетания (рисунок 25).

Рисунок 25. Управление расходом посредством дросселирования:

НС – насос (компрессор); Кл – рабочий орган с исполнительным
механизмом FZ; FE-FT-FC-FY – контур регулирования расхода (F)

Данный способ регулирования расхода является наиболее простым. Известно, что каждая насосная установка (НС) на выходе всегда должна иметь запорную задвижку. Эта задвижка использоваться как регулирующая для изменения подачи и напора в процессе эксплуатации. В случае открытия задвижки подача (Q) растет, но растет и потребляемая мощность, величина которой ограничена мощностью привода. При закрытии задвижки ухудшается гидравлический рабочий процесс самого насоса, в нем появляются (при малых расходах) обратные токи жидкости, вибрация и шум, а также нагрев всего агрегата и проточного тракта. Естественно, все эти отклонения, вызванные дросселированием выходной задвижки, влекут за собой потери энергии. Поток дросселируется именно на линии нагнетания, т. к. дросселирование потока на линии всасывания может привести к кавитации (срыву) потока и разрушению насоса.

2. Байпасирование осуществляется перепуском перекачиваемой жидкости из напорного трубопровода во всасывающий (так называемый обратный переток) (см. рисунок 26) по спиральному трубопроводу с задвижкой, манипулирование которой позволяет менять подачу насоса. При этом режим работы и параметры самого насоса не изменяются. Недостатком этого способа является потеря энергии на перепуск по байпасу «оборотной» жидкости и небольшое усложнение при обслуживании НС. Этот способ применяется для насосов с большим внутренним сопротивлением, производительность которых мало зависит от проходного сечения линии нагнетания (например, поршневых, шестерёнчатых насосов). Для таких насосов закрытие регулирующего органа на линии нагнетания приводит к повышению давления в трубопроводе, что может привести к его разрыву.

Рисунок 26. Управление расходом посредством байпасирования

3. Изменение числа оборотов вала насоса достигается путем применения специальных устройств (типа теристорных преобразователей частоты), позволяющих менять число оборотов вала электродвигателя. Этот способ в некоторой степени удорожает и усложняет обслуживание установки, но позволяет при регулируемых числах оборотов изменять подачу, напор и мощности насоса.

Рисунок 27. Управление расходом посредством изменения
режима работы технологического агрегата: NCB – управление насосом

Вопрос №9. Основные проектные решения по управлению уровнем жидкости в резервуаре . Структурные схемы регулирования уровнем жидкости. Проектные решения «Функциональная схемы автоматизации канала управления уровнем жидкости».

На практике находят применение следующие способы регулирования уровня:

1. Изменением расхода жидкости на входе в аппарат – регулирование на притоке (рисунок 28)

Рисунок 28. Управление уровнем на притоке

2. Изменением расхода на выходе аппарата – регулирование на стоке (рисунок 29).

Рисунок 29. Управление уровнем на стоке

Очевидно, что указанные два способа применимы, когда по условиям работы аппарата в технологической схеме имеется возможность изменения расходов на притоке или стоке.

3. Соотношением расходов на притоке и стоке (см. рисунок 30).

В данном случае для регулирования уровня используется каскадная АС с промежуточной величиной – соотношением расходов на притоке и стоке (FFC– стабилизирующий регулятор соотношения расходов). Каскадная АС позволяет повысить качество регулирования уровня по сравнению с одноконтурными.

Рисунок 30. Комбинированное управление уровнем

Вопрос №10. Проектирование релейного регулирования процессов нагревания и охлаждения. Типы релейного регулирования. Особенности релейного регулирования охлаждением и нагреванием. Применение гистерезиса при регулировании и сигнализации. Типы релейной сигнализации.

Вопрос №11. Проектирование системы коммуникации в АСУТП. Понятие канал связи. Линии соединения. Медные и оптоволоконные жилы. Одномодовые и многомодовые ВОЛС. Сечения проводов. Модемы. Основные протоколы модемной связи. Скорость передачи производственных каналов модемной связи.

Промышленные сети АСУ ТП имеют собственную архитектуру построения, которая в настоящее время представлена полевыми шинами и Industrial Ethernet. Вопросами международной стандартизации промышленных сетей занимаются МЭК и национальные комитеты при поддержке независимых профессиональных обществ. Ведущая роль при разработке беспроводных стандартов для сетей промышленной автоматики принадлежит ISA и WCT. В настоящее время проекты ISA 100.11a и Wireless Hart находятся на согласовании с МЭК, и решается вопрос об их конвергенции.

Канал связи – система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот).

Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия, предназначенных для передачи данных. Имеется три уровня техники связи: кабели, линии и каналы. Между RTU и MTU на основе кабелей связи формируются линии связи. Это - второй уровень техники связи. Третий уровень - каналы создаются по линиям связи при помощи сложной электронной аппаратуры.

Линия передачи данных- средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.

Витая пара. Кабели на основе витой пары находят широкое применение в сетях передачи данных, регламентируемых национальными и международными стандартами. В зависимости от скорости передачи данных кабельные компоненты делятся на 5 категорий, что ведет к различиям в требованиях к этим кабелям. Для кабеля на основе витых пар используются медные проводники диаметром 0,64 - 0,51 мм. Для кабеля, идущего на производство шнуров, для повышения гибкости используется многопроволочная жила несколько большего сечения, т.к. у многопроволочной жилы повышено значение собственного затухания.

Оптические линии связи. Оптические линии связи реализуются в виде волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Конструкция ВОЛС - кварцевый сердечник диаметром 10 мкм, покрытый отражающей оболочкой с внешним диаметром 125...200 мкм. Для снятия данных к ВОЛС нужно подключиться физически, что снижает уровень сигнала и повышает уровень ошибок - оба явления легко и быстро обнаруживаются. ВОЛС включает в себя ядро, демпфер и оболочку.

Ядро – светопередающая часть волокна, изготавливаемая либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр ядра, тем большее количество света может быть передано по волокну.

Демпфер обеспечивает более низкий коэффициент преломления на границе с ядром для переотражения света в ядро таким образом, чтобы световые волны распространялись по волокну.

Оболочка обычно изготавливается из пластика для обеспечения прочности волокна, поглощения ударов и обеспечения дополнительной защиты волокна от воздействия окружающей среды.

Одномодовое и многомодовое оптоволокно. Тип волокна идентифицируется по типу путей, или так называемых «мод», проходимых светом в ядре волокна. Существует два основных типа волокна - многомодовое и одномодовое. Ядра многомодовых волокон могут обладать ступенчатым или градиентным показателями преломления.

Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления имеет резкую, ступенчатую разницу между показателями преломления ядра и демпфера. В более распространенном многомодовом волокне с градиентным показателем преломления лучи света также распространяются в волокне по многочисленным путям. В отличие от волокна со ступенчатым показателем преломления, ядро с градиентным показателем содержит многочисленные слои стекла, каждый из которых обладает более низким показателем преломления по сравнению с предыдущим слоем по мере удаления от оси волокна.

Одномодовое волокно, в отличие от многомодового, позволяет распространяться только одному лучу или моде света в ядре. Это устраняет любое искажение, вызываемое перекрытием импульсов. Одномодовое волокно обладает более высокой пропускной способностью, чем любой из многомодовых типов.

Модем – устройство преобразования кодов и представляющих их электрических сигналов при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а при приеме данных из линии сигналы подвергаются обратному преобразованию. Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных. В качестве оконечного оборудования обычно выступает компьютер, в котором имеется приемопередатчик - микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232С, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м. Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором используются две витые пары проводов с согласующими сопротивлениями на концах, образующие сбалансированную линию

Протокол V.21 используется в простых модемах на 300 бит/с, применена частотная модуляция с передачей по двухпроводной линии. Используются четыре частоты (от 980 до 1850 Гц) для представления 1 и 0 в прямом и обратном направлениях передачи.

Протокол V.22 характеризуется скоростью 1200 бит/с, используются частотное разделение каналов (для дуплекса) и двукратная фазовая модуляция (ФМ). В V.27 с помощью трехкратной ФМ достигается скорость 4800 бит/с по дуплексным выделенным каналам. В протоколе V.22bis используются несущие частоты 1200 и 2400 Гц, при скорости модуляции 600 бод скорость передачи данных составляет 2400 бит/с. В протоколе V.29 скорость составляет 9600 бит/с, используется четырехпроводный выделенный канал.

В модемах, соответствующих V.32, достигается скорость 9600 бит/с за счет фазовой модуляции и отфильтровывания эха собственного передатчика от принимаемых сигналов. В протоколе V.32bis при тех же несущих и бодовой скорости пропускная способность повышена до 14,4 кбит/с за счет комбинирования квадратурно-амплитудной и фазовой модуляций. Расширение V.32terbo этого же протокола рассчитано на скорости 16,8 и 19,2 кбит/с.

Современные высокоскоростные модемы строятся в соответствии с протоколом V.34 или его предшественником V.FC. Здесь скорости составляют от 2,4 до 28,8 кбит/с с шагом 2,4 кбит/с. Протокол предусматривает адаптацию передачи под конкретную обстановку, изменяя несущую в пределах 1600...2000 Гц, а также автоматическое предварительное согласование способов модуляции в вызывающем и вызывном модемах. В протоколе V34.bis скорости могут достигать 33,6 кбит/с.

В последнее время стали выпускаться модемы на 56 кбит/с по технологии, названной х2.

Протокол V.42 относится к стандартам, устанавливающим способы защиты от ошибок, а V.42bis, кроме того, - способы сжатия данных. Наряду с протоколом V.42, для коррекции ошибок применяют протоколы MNP (Microcom Network Protocol).

Перечисленные протоколы предназначены для работы в телефонных аналоговых сетях с коммутацией каналов. Они опираются на двухпроводные линии связи и начиная с V.29 используют эхо-компенсацию. На выделенных телефонных линиях с интенсивным трафиком часто применяют четырехпроводные линии для дуплексной и двухпроводные для полудуплексной связи (протоколы V.23, V.26, V.27, V.29). В высокоскоростных выделенных каналах можно использовать аналоговые протоколы V.35, V.36, V.37, рассчитанные соответственно на скорости 48, 72, 168 кбит/с.

Вопрос №12. Описать содержательную часть основных разделов технического задания на АСУ ТП согласно ГОСТ 34.602-89.

ТЗ содержит следующие разделы, которые могут быть разделены на подразделы:

1.1 общие сведения;

1.2 назначение и цели создания (развития) системы;

1.3 характеристика объектов;

1.4 требования к системе;

1.5 состав и содержание работ по созданию системы;

1.6 порядок контроля и приемки системы;

1.7 требования к составу и содержанию работ по подготовке объекта разработки к вводу системы в действие;

1.8 требования к документированию;

1.9 источники разработки.

В ТЗ могут включаться приложения.

В разделе 1.1 указывают: полное наименование системы и ее условное обозначение; шифр темы или номер договора; наименование компаний разработчика и заказчика системы и их реквизиты; перечень документов, на основании которых создается система, кем и когда утверждены эти документы; плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы; сведения об источниках и порядке финансирования работ; порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ по созданию системы (ее частей), по изготовлению и наладке отдельных средств и программно-технических комплексов системы.

В разделе 1.2 указывается назначение системы и цели ее создания.

В разделе 1.3 приводят: краткие сведения об объекте информатизации или ссылки на документы, содержащие такую информацию; сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации.

В разделе 1.4 описывают: требования к системе в целом; требования к функциям (задачам), выполняемым системой; требования к видам обеспечения. Состав требований к системе, включаемых в данный раздел ТЗ на информационную систему (ИС), устанавливают в зависимости от вида, назначения, специфических особенностей и условий функционирования конкретной системы.

Раздел 1.5 должен содержать перечень стадий и этапов работ по созданию системы, сроки их выполнения, перечень организаций – исполнителей работ, ссылки на документы, подтверждающие согласие этих организаций на участие в создании системы, или запись, определяющую ответственного (заказчик или разработчик) за проведение этих работ.

В разделе 1.6 указывают: виды, состав, объем и методы испытаний системы и ее составных частей; общие требования к приемке работ по стадиям, порядок согласования и утверждения приемочной документации.

В разделе 1.7 необходимо привести перечень основных мероприятий и их исполнителей, которые следует выполнить при подготовке проекта к вводу ИС в действие. В перечень основных мероприятий включают: приведение поступающей в систему информации; создание условий функционирования проекта, при которых гарантируется соответствие создаваемой системы требованиям, содержащимся в ТЗ; создание необходимых для функционирования системы подразделений и служб; сроки и порядок комплектования штатов и обучения персонала.

В разделе 1.8 приводят: согласованный разработчиком и Заказчиком системы перечень подлежащих разработке комплектов и видов документов; перечень документов, выпускаемых на машинных носителях; при отсутствии государственных стандартов, определяющих требования к документированию элементов системы, дополнительно включают требования к составу и содержанию таких документов.

В разделе 1.9 должны быть перечислены документы и информационные материалы, на основании которых разрабатывалось ТЗ и которые должны быть использованы при создании системы.

Вопрос №13. Проектирование структурной схемы автоматизированной системы. Трехуровневая схема АСУ ТП насосной станции. Описание структурных решений на каждом уровне автоматизации. Функциональность автоматизированного рабочего места диспетчера.

Структурные схемы используются для общего ознакомления с АС управления технологическим процессом. Исходя из этих особенностей объектов автоматизации нефтегазовой отрасли, выдвигаются требования к структуре, а также аппаратным и программным средствам АС, которая реализуется в виде следующих вариантов.

Вариант 1. Управление непрерывными технологическими процессами подготовки нефти и газа их транспортирования, заводскими процессами переработки нефти и газа реализуются с использованием распределенных АС структур (DCS-систем). В таких системах все известные функции автоматизации распределены между различными аппаратными средствами системы управления. Управление технологическим процессом в целом сводится к централизованному диспетчерскому управлению оборудованием. Централизованное управление реализуется командами открыть, закрыть, включить, выключить, остановить, запустить (дискретное управление). Управление на полевом уровне сводится к автоматическому регулированию технологических параметров.

Вариант 2. Диспетчерское управление реализуется с помощью SCADA-систем. Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления функциями большого количества распределенных устройств. Для этих систем наиболее характерной задачей является сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными терминальными устройствами.

Как правило, существуют двух- или трехуровневые системы. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно-аппаратной платформой.

Нижний уровень (полевой) состоит из первичных датчиков (измерительных преобразователей), осуществляющих сбор информации о ходе технологического процесса, приводов и исполнительных устройств, реализующих регулирующие и управляющие воздействия, кабельных соединений, клеммников и нормирующих преобразователей.

Средний уровень (контроллерный) состоит из контроллеров и прочих устройств аналого-цифрового, цифро-аналового, дискретного, импульсного и т. д. преобразования и устройств для сопряжения с верхним уровнем (шлюзов). Отдельные контроллеры могут быть объединены друг с другом при помощи контроллерных сетей.

Верхний уровень (информационно-вычислительный) состоит из компьютеров, объединенных в локальную сеть Ethernet с использованием в качестве передающей среды витой пары или оптоволокна. Протокол передачи данных для удаленных подключений – TCP/IP.

Датчики с нижнего уровня поставляют информацию среднему уровню управления локальным контроллерам (ПЛК), которые могут обеспечить реализацию следующих функций: сбор, первичную обработку и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса; автоматическое логическое управление и регулирование; исполнение команд с пункта управления; самодиагностику работы программного обеспечения и состояния самого контроллера; обмен информацией с пунктами управления.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через коммуникационные контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них: 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 (ДП) – включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть установлен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции). Часто в качестве рабочих станций используются компьютеры типа IBM PC различных конфигураций.

Компьютерные экраны диспетчера предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призвано решать прикладное программное обеспечение SCADA, ориентированное на разработку и поддержание интерфейса между диспетчером/оператором и системой управления, а также на обеспечение взаимодействия с внешним миром.

Вопрос №14. Схема внешних проводок. Основные атрибуты схемы. Пример схемы внешних проводок насосной станции для двух измерительных каналов.

Схема соединений внешних проводок (ВП) – это комбинированная схема, на которой изображаются электрические и трубные связи между приборами и средствами автоматизации, установленными на технологическом, инженерном оборудовании и коммуникациях, вне щитов и на щитах, а также связи между щитами, пультами, комплексами или отдельными устройствами комплексов.

Внешние электрические проводки выполняют отдельными сплошными толстыми линиями. При этом проводки, проложенные в коробах, изображают двумя параллельными тонкими линиями на расстоянии 3–4 мм друг от друга. Для каждой проводки над изображающей ее линией указывают техническую характеристику (тип, марка кабеля, провода, трубы и т. д.) и длину проводки. Кабелям и жгутам проводов присваивают порядковые номера. Порядковые номера кабелей в коробах присваивают с добавлением буквы «К». Маркировку жил кабелей и проводов на схемах ВП и подключения проставляют в соответствии с принципиальными электрическими схемами и указаниями руководящего материала PM4-106.

Для каждой внешней электрической проводки приводят ее техническую характеристику и длину: для проводов – марку, сечение и, при необходимости, расцветку, а также длину. Длину указывают один раз на линии проводки, отходящей непосредственно от первичного прибора, при этом указывают полную длину провода или жгута до места его подключения к зажимам щитов, коробок, приборов. При прокладке в одной защитной трубе нескольких проводов перед маркой проставляют их количество; для кабелей – марку, количество и сечение жил и, при необходимости, количество занятых жил, которые указывают в прямоугольнике, помещаемом справа от обозначения данных кабеля, а также длину кабелей, для трубы – диаметр и длину.

Около графических обозначений соединительных, протяжных коробок над полкой линии-выноски указывают их обозначения и порядковый номер. Под полкой линии-выноски соединительных коробок указывают обозначения чертежей их установки.

Схемы ВП и подключения выполняются без соблюдения масштаба на одном или нескольких листах формата не более A1 (594´841) по ГОСТ 2.301. Действительное пространственное расположение устройств и элементов схем либо не учитывается вообще, либо учитывается приближенно. Толщина линий, изображающих устройства и элементы схем, в том числе кабели, провода, трубы, должна быть от 0,4 до 1 мм по ГОСТ 2.303. На схемах должно быть наименьшее количество изломов и пересечений проводок. Расстояние между соседними параллельными проводками, а также между соседними изображениями приборов и средств автоматизации должно быть не менее 3 мм.

На схемах ВП в верхней ее части, а при большой насыщенности схемы приборами в верхней и нижней частях, в зеркальном изображении, размещают таблицу с поясняющими надписями в соответствии с рисунком 39.

Рисунок 39. Таблица в схеме внешних проводок

Размеры строк таблицы следует принимать, исходя из размещаемых в этих графах текстов надписей. В строку «Позиция» вносятся позиции приборов по схеме автоматизации и позиционные обозначения электроаппаратуры, присвоенные ей по принципиальным электрическим схемам. Для элементов систем автоматизации, не имеющих самостоятельной позиции, указывают позицию прибора, к которому они относятся, с предлогом «к». Под таблицей изображают приборы и средства автоматизации, устанавливаемые непосредственно на технологическом оборудовании и коммуникациях. Приборы, не имеющие номеров электрических внешних выводов, на схеме ВП изображают упрощенно.