анализ существующих систем автоматического регулирования давления;

разработка алгоритмов для программируемого логического контроллера системы автоматического регулирования давления;

создание мнемосхемы системы автоматического регулирования давления для графической панели оператора.

При работе над проектом были использованы материалы ОАО "АК "Транснефть"".

1. Технологическое описание НПС

1.1 Назначение и состав НПС без емкости

НПС без емкости предназначена для повышения давления в магистральном нефтепроводе при перекачке нефти.

Нефтеперекачивающая станция представляет собой комплекс сооружений и устройств (рисунок 1.1) для перекачки нефти по магистральным нефтепроводам.

В состав НПС входят:

насосный цех с магистральными насосными агрегатами и системой смазки, охлаждения и откачки утечек;

фильтры-грязеуловители;

узел регуляторов давления;

система сглаживания волн давления (ССВД);

технологические трубопроводы;

системы водоснабжения, теплоснабжения, вентиляции, канализации, пожаротушения, электроснабжения, автоматики, телемеханики, связи, производственно-бытовые здания и сооружения.

Нефть от предыдущей станции с давлением, больше необходимого для бескавитационной работы насосов, поступает в устройство приема и пуска скребка, а затем, пройдя фильтры-грязеуловители, попадает во всасывающую линию насосной с подключенными к ней сбросными предохранительными устройствами. Пройдя последовательно насосные агрегаты, нефть через регулирующие клапаны направляется в магистраль.

Утечки нефти с торцевых уплотнений магистральных насосных агрегатов, камер пуска и приема средств отчистки и диагностики (КПП СОД), регуляторов давления и узла сброса давления поступают в подземные емкости. Откачка нефти из емкостей сбора утечек производится автоматически, включением насоса в подводящий технологический трубопровод НПС.

Рисунок 1.1 - Технологическая схема НПС "Дебесы"

1.2 Технологические схемы объектов и их характеристики

1.2.1 Насосный цех

Насосный цех (рисунок 1.2) - сооружение нефтеперекачивающей станции, в котором устанавливается основное (магистральные насосы, электродвигатели) и вспомогательное (системы смазки, охлаждения, подачи топлива, контроля и защит) оборудование [1].

Рисунок 1.2 - Технологическая схема насосного цеха

Насосные относятся к взрывоопасным помещениям класса В-1а, в которых при нормальной эксплуатации взрывоопасных смесей горючих паров с воздухом быть не должно; их появление возможно только в результате аварий или неисправностей. Оборудование насосных делится на основное и вспомогательное. К основному оборудованию относятся магистральные насосы и электродвигатели к ним, к вспомогательному - системы, предназначенные для обслуживания основного оборудования: смазки подшипников насосов, оборотного водоснабжения для охлаждения масла в маслоохладителях и воздушного пространства электродвигателей при замкнутом цикле вентиляции, отвода перекачиваемой жидкости от разгрузочных устройств насосов и отвода утечек от торцовых уплотнений, вентиляции, отопления, а также грузоподъемные механизмы [2].

Основным оборудованием насосного цеха являются четыре магистральных насосных агрегата (МНА) типа НМ 1000-210 с электроприводом СТДП5000-2У4 во взрывозащищенном исполнении.

Насосы типа НМ - центробежные горизонтальные одноступенчатые с рабочим колесом двухстороннего входа.

Предназначены для перекачивания нефти с температурой от 5 до 80 ^оС кинематической вязкостью не более 3•10^-4 м²/с, с содержанием механических примесей по объему не более 0,05% и размером не более 0,2 мм. Предельное давление 75 кгс/см².

Характеристики насоса НМ 10000-210:

подача, м³/ч 10000

напор, м 210

частота вращения, об/мин 3000

масса, кг 32150

габариты LxBxH, мм. 7250x3600x2223

На каждом из насосных агрегатов контролируются следующие параметры:

давление на входе насоса;

давление на выходе насоса;

температура подшипников насоса;

температура корпуса насоса;

вибрации на опоре подшипника.

Управление магистральными насосными агрегатами предусматривается в различных режимах.

Автоматический. В этом режиме пуск или остановка агрегата происходит по программе при получении соответствующей команды непосредственно из операторной, местного диспетчерского пункта или пункта управления более высокого уровня.

Резервный. В этом режиме осуществляется автоматическое включение данного агрегата при отключении из-за неисправности одного из работавших насосных агрегатов устройствами защиты работавшего агрегата. При переводе агрегата в режим "резервный" должна быть выполнена часть программы запуска, предшествующая включению масляного выключателя.

Кнопочный. В этом режиме управление каждым элементом агрегата выполняется по индивидуальным командам из операторной или по месту.

Испытательный. В этом режиме проводится проверка работы схемы управления агрегатом без включения масляного выключателя (или приводов всех элементов магистрального насосного агрегата).

В зависимости от пусковых характеристик электродвигателя, схемы электроснабжения и системы разгрузки уплотнений могут применяться различные программы пуска, отличающиеся положением задвижки на выходе насоса в момент пуска основного электродвигателя:

на открытую (полностью) задвижку;

на закрытую задвижку;

на открывающуюся задвижку (задвижка стронулась с закрытого положения или находится в промежуточном положении).

Программа пуска "на открытую задвижку" является предпочтительной, так как обеспечивает наименьшие динамические нагрузки в трубопроводной обвязке агрегата и наименьшие хлопки обратных клапанов, установленных на обводной линии насосов. Программа применяется, если пусковые характеристики электродвигателя и схема электроснабжения рассчитаны на соответствующие пусковые режимы.

Программа пуска "на закрытую задвижку" применяется, если установленное электрооборудование не может обеспечить пуск на открытую задвижку.

Программа пуска "на открывающуюся задвижку" применяется, когда неприемлема программа "на открытую задвижку" и когда установленные у насоса задвижки имеют привод небольшой мощности и поэтому не могут быть открыты при перепаде давления, создаваемом насосным агрегатом при закрытой задвижке.

Программа автоматического отключения предусматривает остановку магистрального насосного агрегата, а также закрытие задвижек агрегата.

При срабатывании систем автоматической защиты магистральной насосной или магистрального насосного агрегата выполняется программа автоматического отключения магистральных насосных агрегатов, переведенных на режим "автоматический" и "резервный".

В схемах автоматики магистрального насосного агрегата предусматривается:

время задержки срабатывания защиты (по вибрации) на период переходного процесса при включении и отключении любого из магистральных насосных агрегатов (в пределах до 15 с);

прекращение программы пуска агрегата и остановку задвижек при получении команды на его отключение до завершения ранее выполнявшейся программы запуска;

отключение агрегата и выдачу аварийного сигнала при произвольном изменении положения любой из задвижек включенного агрегата, работающего в режимах "автоматический" или "резервный";

подачу команды на включение основного электродвигателя коротким импульсом длительностью 1 с;

постоянный контроль исправности цепей включения и отключения масляного выключателя;

перевод в другой режим управления без изменения состояния агрегата, если такое изменение не предусматривается при переводе в другой режим.

Для каждого магистрального насосного агрегата кроме показывающих манометров для контроля давлений на приеме и выходе насоса установлены приборы контроля давления масла, охлаждающей воды, а также кнопки аварийного отключения [1].

1.2.2 Вспомогательные системы насосных агрегатов

Каждый насосный агрегат оборудован и оснащен системами:

принудительной смазки подшипников качения и скольжения;

сбора утечек нефти:

охлаждения;

вентиляции;

разгрузки торцевых уплотнений.

1.2.2.1 Маслосистема. Маслосистема предназначена для принудительной смазки подшипников качения и скольжения насосов и электродвигателей. В качестве смазки подшипников применяется турбинное масло Т-22 или Т-30. Техническая характеристика масла, применяемого в маслосистеме, должна соответствовать требованиям ГОСТ-32-74.

Система смазки магистральных насосных агрегатов состоит из рабочего и резервного масляного насосов, оборудованных фильтрами очистки масла, рабочего и резервного маслобаков, аккумулирующего маслобака и маслоохладителей (рисунок 1.3).

Масло с основного маслобака забирается работающим маслонасосом типа "Ш" проходит через маслофильтр и подается на маслоохладители, откуда поступает в аккумулирующий бак, расположенный на высоте 6-8 м от уровня пола насосной. С аккумулирующего бака масло подается к подшипникам насосного агрегата и далее возвращается в рабочий маслобак. Рабочая температура масла в общем коллекторе перед поступлением на магистральные насосные агрегаты должна находится в пределе от +35 ⁰С до +55 ⁰С, при превышении температуры масла на выходе из маслоохладителя более +55 ⁰С, автоматически включаются дополнительные вентиляторы обдува. При низкой температуре масла допускается работа маслосистемы, минуя маслоохладители.

Давление масла перед подшипниками насоса и электродвигателя устанавливается не более 0,08 МПа и не менее 0,03 МПа. Регулирование подачи масла к каждому подшипнику осуществляется с помощью подбора дроссельных шайб, устанавливаемых на подводящих маслопроводах.

1 - аккумулирующая емкость; 2 - маслобаки; 3 - маслонасос; 4 - агрегат воздушного охлаждения масла; 5 - фильтры; 6 - электродвигатель; 7 - насос

Рисунок 1.3 - Система смазки подшипниковых узлов насосных агрегатов

В маслосистеме предусмотрено:

регулирование, измерение и сигнализация температуры масла;

сигнализация максимального и минимального уровней в баках маслосистемы;

сигнализация максимального и минимального уровней в аккумулирующем баке при работе маслосистемы.

1.2.2.2 Система сбора утечек нефти. Данная система служит для сбора утечек нефти с магистральных насосных агрегатов и состоит из насосов откачки утечек и четырех емкостей сбора утечек объемом 100 м³.

Утечки нефти с торцовых уплотнений насосов поступают в емкости сбора утечек.

Система утечек оснащена защитой по максимальным утечкам. Для контроля утечек магистральных насосных агрегатов установлен бачок сигнализации особой конструкции. При превышении рабочего уровня нефти в сосуде срабатывает защита на отключение насосного агрегата.

Откачка нефти из емкостей сбора утечек производится автоматически, включением вертикального насоса Worthington типа 4WUC-9 в подводящий технологический трубопровод НПС.

1.2.2.3 Система охлаждения насосных агрегатов. Система охлаждения насосных агрегатов предназначена для обеспечения требуемого температурного режима электродвигателей и охлаждения масла, подаваемого к подшипникам насосного агрегата.

Взрывозащищенные электродвигатели типа СТДП, установленные в одном зале с насосом, имеют водяное охлаждение. Вода циркулирует по замкнутому контуру при помощи насосов, устанавливаемых в специальном помещении. В жаркое время года вода охлаждается в радиаторах, имеющих воздушное охлаждение.

1.2.2.4 Система приточно-вытяжной вентиляции насосной. Система состоит из двух приточных вентиляторов с калориферами, четырех вытяжных вентиляторов и разводящих воздуховодов. В функции системы приточно-вытяжной вентиляции входит:

ограничение максимальной концентрации паров в воздухе насосного зала;

подача воздуха для отопления машинного зала и поддержания температуры в пределах требований, предъявляемых по техническим уровням установленного там оборудования и аппаратуры автоматики;

Вентиляторы установлены снаружи помещения. Вытягиваемый из насоса воздух по воздуховоду направляется наверх выше крыши здания насосной. Воздуховод заканчивается перекидным клапаном и факельной насадкой. Вентиляторы расположены попарно с каждого торца здания. Один из вентиляторов каждой пары - резервный.

Пристенные воздушные насадки, располагаемые внутри насосной, обеспечивают забор и отсос воздуха из помещения. Воздушные насадки вытяжной вентиляции установлены также в приямке насосного зала, где расположены маслонасосы.

В состав вытяжной вентиляции входят также дефлекторы, установленные на крыше насосной. Дефлекторы имеют шибера, регулирующие расход воздуха. Открытие шибера осуществляется при помощи троса. Дефлекторы обеспечивают естественное удаление из верхней зоны помещения воздуха, в котором могут содержаться взрывоопасные смеси газов [1].

1.2.3 Фильтры-грязеуловители

Фильтры-грязеуловители установлены на приеме насосной станции для улавливания крупных механических частиц (рисунок 1.4). О работоспособности фильтров судят по разнице давлений на приеме и выходе фильтров. При увеличении перепада давления до величины более 0,05 МПа или уменьшении до величины менее 0,03 МПа, которое свидетельствуют о засорении или повреждении фильтрующего элемента, должно проводиться переключение на резервный фильтр.

Рисунок 1.4 - Технологическая схема площадки фильтров-грязеуловителей

1.2.4 Система сглаживания волн давления

ССВД (рисунок 1.5) служит для предохранения приемного коллектора технологических трубопроводов НПС от чрезмерных давлений на приеме станции, возникающих при внезапных отключениях НПС. Сброс избыточного давления производится в безнапорные технологические емкости. ССВД работает по следующему принципу: при резком нарастании давления на приеме станции со скоростью более 0,2 МПа/с открываются гибкие клапаны "Флекс-Фло" и происходит уменьшение скорости нарастания давления, что гарантирует невозможность гидравлического удара. При постепенном нарастании давления (со скоростью менее 0,2 МПа/с) ССВД не срабатывает [1].

Рисунок 1.5 - Технологическая схема ССВД НПС

1.2.5 Узел регулирования давления

Для обеспечения нормальной работы насосов и магистрального нефтепровода в целом необходимо поддержание определённого давления на входе и выходе нефтеперекачивающей станции.

Регулирование давления осуществляется методом дросселирования. Метод дросселирования заключается в частичном перекрытии потока регулирующими заслонками (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Технологическая схема узла регулирования давления

1.2.6 Система автоматического пожаротушения

Система автоматического пожаротушения помещений со взрывоопасными зонами предусмотрено на НПС согласно СНиП 2.04.09-84.

Система автоматического пожаротушения одновременно выполняет функцию автоматической пожарной сигнализации.

Система автоматического пожаротушения включает:

автоматическую световую и звуковую сигнализацию в пункте управления и в защищаемом помещении о возникновении пожара;

автоматическое, дистанционное и местное управление средствами автоматического пожаротушения;

автоматическую защиту помещений и оборудования по пожару - автоматическое отключение насосных агрегатов, закрытие задвижек подключения магистральной насосной к нефтепроводу или резервуарному парку, отключение системы вентиляции в защищаемом помещении и включение аварийной вентиляции при срабатывании газосигнализаторов согласно СНиП 2.04.05-91;

устройства переключения с автоматического пуска на ручной с соответствующей сигнализацией.

Селективная сигнализация пожара, дистанционное управление средствами автоматического пожаротушения установлена в операторной с дублированием сигнализации о пожаре и срабатывании системы автоматического пожаротушения на пожарном посту [1].

2. Патентная проработка

Патентная проработка не проводилась ввиду того, что задачей дипломного проекта является разработка и реализация алгоритмов работы для программируемого логического контроллера системы автоматического регулирования давления, которые не являются охраноспособным объектом.

3. Системы и средства автоматизации и телемеханизации НПС

3.1 Система автоматики НПС

3.1.1 Назначение системы автоматики НПС

Комплекс технических средств автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) НПС предназначен для контроля, защиты и управления оборудованием НПС, автономного поддержания заданного режима работы насосной станции и его изменения по командам с пульта оператора НПС и из вышестоящего уровня управления - районного диспетчерского пункта.

Микропроцессорная система автоматики построена на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) Modicon TSX-Quantum.

Комплекс технических средств выполняет следующие функции:

анализ режимов технологического оборудования;

контроль технологических параметров;

управление (открытие, закрытие, стоп) и контроль станционных и агрегатных задвижек;

контроль режимов перекачки, готовности магистральных насосных агрегатов к запуску;

обработка предельных значений параметров по агрегату;

управление (программный и кнопочный пуск, программное и кнопочное отключение) и контроль магистральных насосных агрегатов;

управление вспомогательными системами;

управление (пуск, отключение) и контроль агрегатов вспомогательной системы и вспомогательных сооружений;

контроль исправности, напряжения на вводах 10 кВ;

контроль и сигнализация пожара;

автоматическое пожаротушение;

обработка измерений и контроль достоверности измеряемых параметров;

отображение информации и документирование, формирование кадров отображения технологических процессов, табличных форм представления информации, форм печати оперативных сообщений, архивных данных, отчетных документов;

прием и передача сигналов в систему телемеханики (ТМ).

3.1.2 Состав системы

Комплекс технических средств состоит из следующих составных частей:

шкаф устройств связи с объектом (УСО) 1.1, совмещенный с основным и резервным контроллером;

шкаф УСО 1.2;

шкаф УСО 1.3;

шкаф УСО 2.0;

автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора;

шкаф блока ручного управления (БРУ).

3.1.2.1 Шкафы устройств связи с объектом. Шкафы УСО являются составной частью комплекса технических средств.

Шкафы УСО предназначены для:

подачи питания на датчики, установленные на объектах управления;

приема сигналов от датчиков, установленных на объектах управления;

выдачи команд на объекты управления;

приема от центрального процессора и передачи в центральный процессор данных по сети удаленного ввода/вывода RIO.

3.1.2.2 Шкаф БРУ. Шкаф БРУ настенного исполнения содержит блок ручного управления, который предназначен для резервирования функций аварийных защит автоматизируемого объекта.

3.1.2.3 АРМ оператора. АРМ оператора построены на базе двух персональных компьютеров (ПК) с включением дополнительного оборудования, обеспечивающего выполнение заданных функций.

3.1.3 Устройство и работа системы

Структура комплекса технических (рисунок 3.1) средств АСУ ТП НПС соответствует магистрально-модульному принципу построения с сетевой организацией обмена информацией между устройствами и имеет распределенное программное обеспечение и базу данных.

Рисунок 3.1 - Структурная схема автоматики НПС

Для обеспечения надёжности работы системы управления, на каждой из станций предусмотрено резервирование контроллера и питания. Две одинаково сконфигурированные системы связываются между собой через процессор резервного контроллера, установленный в каждой из систем. В конфигурации каждого из контроллеров определены область и объём передаваемых данных и информации о состоянии между обоими контроллерами. Система автоматики выполнена по схеме удалённого ввода/вывода повышенной надёжности, что предусматривает двойную сеть, предохраняющую систему от последствий выхода из строя одной из них. Арбитраж кабеля и проверка целостности проводятся автоматически на головном конце и каждом из узлов. Система автоматизации НПС имеет трехуровневую структуру: нижний, средний и верхний уровни.

Аппаратура верхнего уровня представляет собой ПК промышленного исполнения. Верхний уровень системы также решает задачи архивирования информации, поступающей от всех элементов системы. Информация хранится на жестком диске.

Рабочие станции АРМ связаны друг с другом посредством сети Ethernet, по протоколу TCP/IP. К АРМ оператора подключен лазерный принтер для печати выводимых на экраны мониторов таблиц, периодических отчетов о работе станции, перечней событий за сутки, неделю, месяц и другую документацию. Питание АРМ осуществляется от источников бесперебойного питания (ИБП).

Верхний уровень системы автоматизации обеспечивает:

прием информации о состоянии объекта;

мониторинг технологического процесса и получение трендов измеряемых технологических параметров;

оперативное управление технологическим процессом;

архивацию событий нижнего уровня, действий оператора и команд районного диспетчерского пункта (РДП);

формирование базы данных.

На принтер АРМ оператора выводится информация:

таблицы, отображаемые на видеомониторе;

периодические отчеты о работе НПС;

перечни аварийных ситуаций за сутки, неделю, месяц;

перечни неисправностей с указанием времени их возникновения;

иная информация, формируемая АРМ оператора.

Компьютеры из состава АРМ оператора работают независимо друг от друга и связаны с контроллерами среднего уровня по собственным независимым (дублированным) полевым шинам.

Программное обеспечение верхнего уровня выполнено гибко настраиваемым и универсальным. Листы защит выполнены настраиваемыми из базы данных, что позволяет ввести новую защиту, разрешить или запретить маскирование, деблокировку или симуляцию защиты не останавливая рабочую программу. Тренды аналоговых сигналов позволяют настроить периодичность и процент изменения сигнала для сохранения данных по четырём независимым группам. При помощи процента изменения сигнала можно существенно сократить объём сохраняемой информации. Сводки работы оборудования легко можно настроить под любой вид и состав сигналов, что позволяет получить отчёт нужного вида. Базы данных сохраняемой информации имеют полное дублирование, что повышает надёжность системы при выходе из строя любого компьютера. Есть возможность синхронизации баз данных на компьютерах. Оперативные сообщения выполнены настраиваемыми с верхнего уровня, т.е. есть возможность задать название, цвет, звуковую сигнализацию, необходимость квитирования для каждого сообщения. Можно проконтролировать время появления аварийного сообщения и время реакции оператора на это сообщение. Контроллер имеет внутренний буфер оперативных сообщений, что позволяет даже при отсутствии связи с контроллером позже получить все сообщения. Оперативные сообщения всегда поступают в реальной последовательности, что обеспечивается передачей времени сообщения из контроллера. Имеется возможность введения скрытых сообщений для возможности просмотра более подробно отдельных параметров системы, а также для контроля за действиями оператора. Выполнена полная синхронизация времени на компьютерах и контроллерах. Контроллер может устанавливать время по телемеханике, либо от одного из компьютеров, при этом остальные компьютеры устанавливают время с контроллера. При отказе компьютера, устанавливающего время, контроллер автоматически переключается на установку времени с другого компьютера. Выполнена гибкая система паролирования, позволяющая настроить уровень допуска к управлению системой для каждого пользователя. Возможен сброс доступа к управлению системой, при этом возможен только просмотр состояний системы. Реализована удобная диагностика оборудования, доступная обслуживающему персоналу, которая включает в себя состояние работы контроллера, каналов интерфейсной связи и всех блоков ввода-вывода. Для каждого модуля ввода-вывода контроллера из любого шкафа УСО можно увидеть реальное состояние каналов, для аналоговых модулей отображается код аналого-цифрового преобразователя и преобразованное значение в инженерных единицах. Также возможно управление выходными каналами для модулей дискретного и аналогового вывода для возможности проверки работы оборудования и каналов.

К среднему уровню системы автоматизации относятся шкафы управления и установленные в них программно-аппаратные модули (блоки) управления.

Набор модулей, устанавливаемый в шкафы управления, обеспечивает:

сбор информации от датчиков, устанавливаемых по месту;

обработку и передачу информации о состоянии объектов на верхний уровень системы автоматизации НПС (центральный контроллер в операторной);

автоматическое управление технологическим оборудованием станции и контроль его работы;

прием информации с верхнего уровня системы автоматизации и формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

К нижнему уровню системы автоматизации относятся:

датчики технологических параметров;

исполнительные механизмы;

система автоматического регулирования;

показывающие приборы, устанавливаемые по месту.

К нижнему уровню относится также блок ручного управления, который размещается в месте постоянного присутствия оперативного персонала и имеет в своем составе сигнализацию непосредственно от датчиков сигналов и кнопки управления, воздействующие непосредственно на магнитные пускатели или соленоиды масляных выключателей.

Для различных классов технологического оборудования (задвижка, вспомсистема, МНА) реализованы типовые алгоритмы, которые настраиваются под различные типы данного класса оборудования. Алгоритмы нижнего уровня гибко адаптируются к технологическому оборудованию с разнообразными характеристикам. В алгоритмах среднего уровня предусмотрен многоуровневый контроль состояния с выявлением множества неисправностей, возникающих во всех режимах работы оборудования. Программный модуль обработки входных аналоговых сигналов для среднего уровня полностью конфигурируется с верхнего уровня:

верхний и нижний код аналого-цифрового преобразователя;

адрес источника сигнала;

уставки пределов измерений, аварийные и предупредительные, гистерезиса, коэффициента сглаживания;

установка признака выдачи сообщения и включения сигнализации при срабатывании любой уставки.

Уставки хранятся как на верхнем, в сторонней базе данных, так и на нижнем уровне. Передача уставок в контроллер осуществляется с проверкой их записи.

3.2 Система автоматического регулирования давления

3.2.1 Назначение САРД

САРД предназначена для поддержания безопасного давления нефти в трубопроводе при максимальной производительности. Также система предусматривает диагностику протекающих процессов в трубопроводе и вывод информации на информационные табло и в устройства верхнего уровня [3].

3.2.2 Устройство САРД

САРД включает в себя следующие устройства (рисунок 3.2):

- датчики давления нефти;

- шкаф САР;

- система верхнего уровня (система автоматики);

- регулирующие заслонки;

- шкаф ЩСУ.

1 - датчики давления нефти; 2 - шкаф САР; 3 - система верхнего уровня; 4 - регулирующие заслонки; 5 - шкаф ЩСУ

Рисунок 3.2 - Система автоматического регулирования давления

3.2.2.1 Датчики давления. Предназначены для преобразования величины давления нефти в трубопроводе в унифицированный сигнал 4-20 мА для передачи его на вторичные приборы. В системе используются цифровые преобразователи давления типа 2600T фирмы ABB.

Цифровые измерительные преобразователи давления - это полевые приборы, поддерживающие обмен данными, с электронной системой управления на базе микропроцессора.

Возможен двусторонний обмен данными, для этого на выходной сигнал 4.20 мA накладывается FSK-сигнал по протоколу HART.

С помощью графического пользовательского интерфейса можно настраивать, опрашивать и тестировать измерительный преобразователь, используя ПК. Обмен данными возможен также с помощью переносного терминала.

Для локального управления на электронной части имеется переключатель, с помощью которого настраивается начало и конец диапазона измерения. В комбинации с опциональным графическим ЖК-дисплеем преобразователь также можно настраивать с помощью четырех кнопок.

Измерительный преобразователь (рисунок 3.3) имеет компактную конструкцию и состоит из механизма измерения давления и электронного блока с кнопкой управления.

Прочный корпус электронной части изготовлен из нержавеющей стали и, таким образом, даже в стандартном исполнении защищен от воздействия агрессивной атмосферы. Присоединительный элемент выполнен из нержавеющей стали.

В преобразователе используется интегральные чувствительные элементы на основе монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе структур "кремний на сапфире". Кремниевый интегральный преобразователь давления представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными тензорезисторами, подключенными в мостовую схему (рисунок 3.4). Чувствительным элементом служит кристалл кремния, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

1 - присоединительный элемент; 2 - разделительная мембрана; 3 - заправочная жидкость; 4 - измерительный механизм; 5 - сенсор давления; 6 - кнопка установки начала и конца диапазона; 7 - электронный блок с микропроцессорным управлением; 8 - выход питания

Рисунок 3.3 - Схема цифрового измерительного преобразователя давления типа 2600Т

Принцип действия сенсора для тензорезистивного датчика давления основан на тензорезистивном эффекте - изменении сопротивления при наложении механического давления. Резисторы размещают на мембране таким образом, чтобы продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности были разных знаков, тогда и изменения сопротивлений резисторов будут противоположными. Интегральные преобразователи давления на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

1 - стеклянное основание, 2 - кремниевый кристалл; 3 - алюминиевая дорожка, 4 - контактная площадка, 5 - мембрана, 6 - отверстие для подвода давления, 7 - диффузионные тензорезисторы, 8 - датчик температуры

Рисунок 3.4 - Конструкция кремниевого тензорезисторного преобразователя (структура КНК)

В зависимости от исполнения измерительный преобразователь подключается к системе через цапфу с наружной или внутренней резьбой, мембрану заподлицо со специальной резьбой для установки, например, в шаровой кран, или через различные датчики давления.

Преобразователь давления работает по двухпроводной технологии. Для рабочего напряжения и стандартизированного выходного сигнала используются те же провода. Электрическое подключение производится через кабельный ввод или посредством штекера.

Для измерения выходного сигнала и настройки/калибровки преобразователя давления амперметр подключается непосредственно к выходной цепи. Начало и конец диапазона измерения настраиваются с помощью переключателя, находящегося на электронном блоке.

Измерительный преобразователь может быть оснащен направленным вверх ЖК-дисплеем. При наличии такого ЖК-дисплея можно управлять и полностью настраивать важнейшие функции/параметры преобразователя с помощью локального блока управления (четыре кнопки на дисплее).

3.2.2.2 Шкаф САР. Шкаф САР (рисунок 3.4) установленный в помещении операторной, содержит в своем составе следующие приборы и устройства:

ИБП Powerware 9125;

панель информационных индикаторов и оповещателя неисправности Sonitron

индикатор положения заслонок, действующего давления и уставок панель оператора;

контроллер К-2000С;

кнопки ручного управления САРД.

1 - ИБП Powerware 9125; 2 - панель информационных индикаторов и оповещателя неисправности Sonitron; 3 - электронный самописец К-2000С; 4 - кнопки ручного управления САРД; 5 - индикатор положения заслонок, действующего давления и уставок - панель оператора

Рисунок 3.4 - Шкаф САР

3.2.2.3 Контроллер К-2000С. Контроллер предназначен для сбора, отображения, обработки и сохранения измеренной аналоговой и цифровой информации с привязкой к реальному времени, а также реализации логических схем автоматики на управляемых дискретных выходах.

Контроллер построен по модульному принципу и кроме обязательных для всех исполнений блоков - питания БПК, индикации и управления, универсального измерительно-регистрирующего контроллера, может содержать следующие блоки и устройства:

- токовых входов и регулятора - ТВР;

- входов термопреобразователей, термопар и компенсации холодного спая термопар - ТДК;

- дискретного ввода-вывода ДВВ;

- репитер-транскодер РТК;

- устройство записи/чтения на Flash-накопители.

ТДК предназначен для выполнения функций ввода-вывода и измерения электрических величин - ЭДС термоэлектрических преобразователей (термопар) типа ТХК, ТХА, ТЖК по ГОСТ Р 50431 и/или сопротивления термопреобразователей типа ТСМ, ТСП по ГОСТ 6651 датчиков, расположенных во взрывоопасных зонах.

ДВВ предназначен для выполнения функций ввода дискретных сигналов управления, их логической обработки и ввода-вывода данных по интерфейсу RS-485.

Логика работы контроллера построена по многозадачному принципу: обмен информацией по интерфейсам связи, формирование и сохранение исторической информации, отработка логики формирования выходных сигналов и т.д. осуществляются параллельно, что обеспечивает неразрывность сохранения исторической информации (трендов, событий) во времени вне зависимости от текущего режима работы.

На рисунке 3.5 приведена схема, поясняющая логику работу контроллера как измерительно-регистрирующего прибора.

Работа контроллера построена по принципу повторяющихся каждые 125 мс циклов, в течении которых контроллер опрашивает все периферийные источники информации (измерительный блоки, блоки дискретного ввода, другие контроллеры и устройства), отрабатывает математические и логические функции, принимает решение и управляет исполнительными устройствами.

После опроса измерительных блоков и просчета математических каналов текущие значения, а также возникшие в процессе измерения ошибки (обрыв, короткое замыкание измерительных линий, выходы за пределы измерения и т.д.) поступают на формирование трендов реального времени, регистрацию в файле-отчете и логический аппарат управления исполнительными устройствами, результаты работы которого также фиксируются.

Рисунок 3.5 - Схема логики работы контроллера

Сохраненная информация в виде файл-отчета формируется на внутреннем дисковом накопителе, и может быть скопирована на внешний Flash накопитель по запросу пользователя.

Для промежуточного хранения файл-отчетов внутри прибора существует выделенная энергонезависимая память объемом 2 Гб, что, в среднем, достаточно для автономной работы прибора в течение одного года при максимальной информационной загрузке. В случае переполнения дискового пространства внутреннего накопителя самый новый файл-отчет затирает самый старый.

Для большей гибкости в применении прохождение и хранение информации в контроллере построено по принципу логических привязок (рисунок 3.6).

Датчики физически подключаются к входным цепям измерительных блоков. Типы и градуировки датчиков, стандарты тока и напряжения входных физических сигналов, а также пределы изменения реальных физических величин задаются непосредственно в измерительных блоках, например, через "Терминал периферийного модуля". Далее, каждый из каналов контроллера настраивается на какой-либо канал одного из измерительных блоков.

Рисунок 3.6 - Принцип логических привязок

Вся дальнейшая логика работы построена на внутренних каналах контроллера: текущие данные поступают на сохранение в файл-отчет, логический аппарат отработки контрольных значений (уставок), релейных полей, передачу данных системам верхнего уровня. Также каналы контроллера участвуют в формировании трендов реального времени, причем единицей отображения данных на трендах являются перья, для удобства представления информации каждое из которых может иметь индивидуальную скорость прокрутки и быть настроено на любой из каналов. Допускается настройка нескольких перьев отображения на один внутренний канал контроллера, что позволяет наблюдать записываемый процесс в разных комбинациях с другими процессами.

Логический аппарат контроллера включает в себя определение перехода минимальных и максимальных (в зависимости от настройки конкретного канала) пределов и управление в зависимости от этого (в том числе и удаленными) дискретными выходными сигналами [4].

3.2.2.4 Блок токовых входов и регулятора. Данный блок предназначен для выполнения функций ввода-вывода и измерения электрических величин - тока, напряжения, получаемых от датчиков или преобразователей, расположенных во взрывоопасных зонах.

ТВР обеспечивает релейный и ПИД алгоритмы регулирования. Структура ПИД-регулятора показана на рисунке 3.7.

Регулятор имеет два входа, к которым подключаются датчики объекта регулирования. Датчики формируют сигнал постоянного тока 4-20 мА.

Входами регулятора являются входы каналов 0 и 1 платы ТВР. Канал 0 является обратным входом регулятора, канал 1 - прямым.

Оба канала имеют нижнюю и верхнюю уставки. При снижении уровня сигнала ниже нижней уставки или превышения верхней уставки, формируются сигналы рассогласования.

Сигналы а1 и а2 являются выходными значениями сигналов датчика 0 и датчика 1 и входными для каналов 0 и 1 регулятора.

При снижении значения входного сигнала канала 0 ниже нижней уставки канала 0 модулем А1 формируется рассогласование b1, которое вычисляется исходя из разности входного значения сигнала с уставкой и шириной зоны регулирования. Численное значение b1 лежит в пределах 0.1. При рассогласовании большим, чем ширина зоны, величина b1 принимает максимальное значение.

Рисунок 3.7 - Структура ПИД-регулятора

Аналогично вычисляются рассогласования b2, b3, b4.

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

где High_0, Low_0 - верхняя и нижняя уставки канала 0;

High_1, Low_1 - верхняя и нижняя уставки канала 1;

Z1 - ширина зоны регулирования канала 0;

Z2 - ширина зоны регулирования канала 1;

Сигналы b2 и b3 поступают на селектор max сигнала А5, где выделяется сигнал с1. Сигналы b1 и b4 поступают на селектор max сигнала А6, где выделяется сигнал с2.

Из сигналов с1 и с2 на селекторе max сигнала А7 выделяется больший - фактически один из них равен нулю, и поступает на ПИД - звено А8, где к нему добавляется интегральная составляющая, дифференциальная составляющая, смещение. Полученный результат умножается на пропорциональную составляющую и поступает на выход устройства в виде токового сигнала 4.20 мА.

На входе ПИД-звена присутствует сигнал d, который может принимать значения 0.1. Интегральная составляющая I рассчитывается следующим образом: I > d на величину, не превышающую значения STEP_I за единицу времени, равную 20 мс. STEP_I - параметр, определяющий постоянную времени интегрирующего звена. Его величина программируется при настройке регулятора. Таким образом при входном сигнале d = 0.1, интегральная составляющая может принимать значения 0.1.

Дифференциальная составляющая D зависит от изменения величины входного сигнала и стремится к 0 на величину, не превышающую STEP_D за единицу времени, равную 20 мс.

(3.5)

Таким образом, при изменении входного сигнала d в пределах 0.1, дифференциальная составляющая может принимать значения - 1.1.

Следующей операцией является сложение входного сигнала d (пропорциональной составляющей сигнала) с интегральной I и дифференциальной D составляющей, а также со смещением E, лежащим в пределах - 1.1, которое также программируется при настройке регулятора.

(3.6)

Полученная величина F может принимать значения - 2.4, в зависимости от величины смещения Е и настроек временных параметров интегрирующего и дифференцирующего звеньев.

Далее отрицательные значения F ограничиваются на уровне 0. В результате F может принимать значения 0.4.

Полученное таким образом значение F умножается на коэффициент пропорциональности P, принимающий значения 0.9,999, который программируется при настройке регулятора.

(3.7)

При G = 0 выходной ток регулятора равен 4 мА;

при G = 2 выходной ток регулятора равен 20 мА;

при G > 2 выходной ток регулятора ограничивается на уровне 21 мА.

Выходной ток рассчитывается по формуле:

(3.8)

где INT, DIF - интегральная и дифференциальная составляющие; R - величина рассогласования (в пределах 0.1); N - величина смещения (-9999.9999); P - коэффициент пропорциональности.

Временные параметры интегральной и дифференциальной составляющей (STEP_I и STEP_D) равны:

(3.9)

(3.10)

где K_d - значение "дифференциальной составляющей", программируемое при настройке регулятора (K_d = 0.9999);

K_i - значение "интегральной составляющей", программируемое при настройке регулятора (K_i = 0.9999) [5].

3.2.2.3 Шкаф ЩСУ (рисунок 3.8) включает в себя следующие компоненты:

силовые модули - инверторы (А1, А2);

входные и выходные реакторы (А3-А6);

силовые автоматические выключатели (4,10);

вставки плавкие (FU) и силовые клеммы подключений (6);

гасящие резисторы (А7, А8).

Рисунок 3.8 - Шкаф ЩСУ

Инверторы обеспечивают подачу необходимого напряжения для работы заслонок. Реакторы необходимы для подавления помех, возникающих при работе инверторов. Гасящие резисторы предназначены для рассеивания избыточной энергии, возникающей в моменты резкого торможения привода.

3.2.3 Описание работы САРД

Система автоматического регулирования давления работает в двух режимах.

Ручной режим управления двигателями заслонок. Предназначен для регулирования положения заслонок оператором в случаях, когда заслонки должны находиться в определённом положении не зависящем от давления в системе, либо в случае отказа блоков автоматики.

В этом случае изменение положения заслонок производится нажатием кнопок "открыть" или "закрыть" независимо от сигналов управления поступающих с блоков регулятора.

Управление заслонками производится независимо друг от друга. При этом на панели оператора отображается в графическом виде и процентном соотношении положение заслонок а также выводится вся информация с датчиков давления. Уровень максимального открытия и закрытия определяется в ручном режиме положением физических концевиков заслонки. Также предусмотрена функция замедления вращения привода при приближении заслонки к крайним положениям.

Автоматический режим управления двигателями заслонок. Это основной режим работы системы. В этом режиме изменение положения заслонок производится автоматически в зависимости от величины давления в трубопроводе и величин уставок регулирования установленных пользователем. Уровень максимального открытия и закрытия определяется в автоматическом режиме, как положением физических концевиков заслонки так и программно задаваемыми логическими концевиками. Для обеспечения скорости открытия меньшей скорости закрытия в несколько раз, открытие регулирующих заслонок в автоматическом режиме производится с помощью кратковременных включений. Это обеспечивает высокую устойчивость САР к автоколебаниям регулирующих заслонок. При пуске МНА система автоматики НПС формирует дискретный сигнал "RAMP", что приводит к прикрытию регулирующих заслонок до момента установки давления на приеме НПС на 1 кгс/см² выше, а на нагнетании НПС на 1 кгс/см² ниже значений давлений на момент поступления сигнала "RAMP". После снятия этого сигнала САР регулирует давления согласно технологическим уставкам. При выполнении RAMP-функции на передней панели шкафа включается индикаторная лампочка "RAMP" [3].

Функциональная схема автоматизации системы автоматического регулирования давления приведена на рисунке 3.9.

Измерение давления в коллекторе магистральных агрегатов, на входе и выходе регуляторов измеряется преобразователями давления, данные с которых, в виде стандартного токового сигнала, передаются на контроллер К-2000С. Величина перепада давления рассчитывается контроллером. Значения давлений выводятся на индикатор и сохраняются в памяти контроллера в виде трендов.