Обоснование выбора и описание технических средств автоматизации

При выборе производителя технических средств автоматизации необходимо руководствоваться следующими основными принципами, предъявляемые к средствам автоматизации:

– надёжность средств автоматизации;

– простота обслуживания;

– опыт работы на российском рынке фирмы – производителя;

– поддержка различных протоколов передачи данных;

– набор выполняемых функций.

Полевые приборы КИПиА, участвующие в управлении процессом, предлагается выбрать фирмы YOKOGAWA, так как по оценкам независимых специалистов данные датчики являются лучшими в плане их надежности, точности и быстродействия. Это интеллектуальные датчики, имеющие ряд преимуществ: углубленную диагностику непосредственно в датчике, позволяющую быстро определить неисправность; возможность перенастройки шкалы измерения без снятия прибора и без останова технологического процесса непосредственно из рабочей станции; более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости.

Датчики серии EJA используют в качестве чувствительного элемента кремниевый механический резонатор, что дает следующие преимущества:

– цифровой выходной сигнал считывается прямо в сенсоре, то есть выходной сигнал в виде частоты может быть сразу подсчитан процессором и не требует предварительных преобразований его в аналоговый, а затем в

цифровой;

– высокая стабильность и воспроизводимость датчика при практически полном отсутствии гистерезиса после перегрузок;

– влияние внешних факторов на выходной сигнал сенсора чрезвычайно мало.

На выбор датчиков серии EJA повлияло также их устойчивость к вибрациям, широкий диапазон измерения и наличие всех российских сертификатов, разрешающих применение в Российской Федерации.

Принцип действия датчиков серии EJA – в зависимости от знака приложенного давления кремниевый резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления.

Вихревые расходомеры DigitalYEWFLO предназначены для измерения объемного расхода жидкости, пара или газа.

Принцип действия вихревого расходомера основан на широко известном природном явлении – образование вихрей за препятствием, стоящим на пути потока.

Минимальный расход, с которого расходомер начинает четко определять сигнал, соответствует числу Рейнольдса равном 5000, оптимальные же условия для измерения начинаются с Re>20000, когда частота вихрей становится зависящей только от скорости потока и не зависит от других параметров, входящих в число Рейнольдса.

Приборы относятся к интеллектуальной серии, поддерживающей двусторонний обмен информацией по HART-протоколу. Благодаря этому пользователь имеет возможность сам сконфигурировать основные параметры измерения расхода, давления и настроить выходной сигнал.

В данном вихревом расходомере DigitalYEWFLO применена новая уникальная цифровая электроника, использующая разработанную фирмой технологию спектральной обработки сигнала «SSP». Благодаря этому расходомер теперь постоянно анализирует вибрацию, состояние среды внутри себя и, используя эти данные, автоматически подстраивает режимы обработки сигнала, а также вовремя информирует оператора или устройства верхнего уровня о нештатных режимах потока и вибрации, если таковые возникают.

При выборе измерительных преобразователей и измерительных средств производства получения оксиэтилированных алкилфенолов и усреднения партий оксиэтилированных алкилфенолов необходимо учитывать специфику процесса, в частности, такие особенности, как температурный режим, повышенная взрывопожароопасность технологического процесса. Исходя из этого, датчики параметров процесса должны удовлетворять следующим требованиям:

1) должны быть обеспеченны средствами искробезопасности;

2) должны быть интеллектуального типа с аналоговыми выходами 4–20 мА и цифровыми выходами;

3) обладать высокой надежностью;

4) работать в требуемых условиях;

5) высокая точность измерений и достоверность полученной информации;

6) должны иметь сертификаты Госстандарта РФ.

Руководствуясь этими факторами, выбраны следующие типы преобразователей:

Вихревой расходомер Digital YEWFLO

Предназначен для измерения объемного расхода жидкости, пара или газа. Погрешность: ± 1%. Выходной унифицированный сигнал: 4–20 мА. Номинальный диаметр: 15–400 мм. Температура рабочей среды: от -40⁰ до +120⁰С. Температура окружающей среды: от -40⁰ до +85⁰С. Пылевлагозащищенность: IP 67. Взрывозащищенность: 1ExdIICT6X.

Датчик перепада давления EJA110A

Предназначен для измерения расхода, а также для измерения уровня и плотности гидростатическим методом. Погрешность: ± 0,075% шкалы. Выходной унифицированный сигнал: 4–20 мА. Температура процесса: от -40⁰ до +120⁰С. Температура окружающей среды: от -40⁰ до +85⁰С. Питание: от 10,5 до 42 В. Пылевлагозащищенность: IP 67. Взрывозащищенность: ЕExdIICT4.

 

Таблица 6 – Пределы измерения шкалы

Капсула	Диапазон измерения, кПа	Диапазон перенастройки шкалы, кПа
М	-100…100	0–1…0–100
Н	-500 … 500	0–5…0–500

Датчик перепада давления EJA310A

Предназначен для измерения абсолютного давления жидкости, газа, пара.

Погрешность: ±0,075% шкалы.

Таблица 7 – Пределы измерения шкалы

Капсула	Диапазон измерения, МПа	Диапазон перенастройки шкалы, МПа
А	0 … 0,2	0 …0,01 / 0 … 0,2
В	0 … 2	0 …0,01 / 0 … 2
С	0 … 10	0 …0,05 / 0 … 0,10
D	0 … 50	0 …5 / 0 … 50

 

Датчик избыточного давления EJA530A

Предназначен для измерения избыточного давления различных сред: жидкости, газа, пара. Погрешность: ± 0,2% шкалы. Выходной унифицированный сигнал: 4–20 мА. Температура процесса: от -40⁰ до +120⁰С Температура окружающей среды: от -40⁰ до +85⁰С. Питание: от 10,5 до 42 В. Пылевлагозащищенность: IP 67. Взрывозащищенность: ЕExdIICT6.

 

Таблица 8 – Пределы измерения/ шкалы

Капсула	Диапазон измерения, МПа	Диапазон перенастройки шкалы, МПа
А	0 … 0,2	0 …0,01 / 0 … 0,2
В	0 … 2	0 …0,01 / 0 … 2
С	0 … 10	0 …0,05 / 0 … 0,10
D	0 … 50	0 …5 / 0 … 50

Электропневматический позиционер 3582i

Предназначен для преобразования электрических сигналов 4–20 мА и 10–50 мА постоянного тока в пневматический сигнал для управления клапанами, цилиндрами и другими исполнительными механизмами. Измеряемый ход: от 10 до 100 мм. Температура окружающей среды: от -30⁰ до +85⁰С. Пылевлагозащищенность: IP 63. Взрывозащищенность: ExdsIIB+Н2Т6.

Нормирующий преобразователь YTA70

Предназначен для преобразования сигналов низкого уровня в унифицированный выходной сигнал. Преобразователь имеет гальваническую развязку входныхс до 1,5

Мбит вывода и протоколов обмена информацией;

– удобство монтажа оборудования системы и настройки технических средств;

– удобный человеко-машинный интерфейс в виде диалоговых окон и обзорных экранов для контроля и управления процессом, что делает систему удобной в эксплуатации;

– возможность модернизации системы управления без прекращения работы оборудования;

– непрерывный самоконтроль в процессе работы и подробная самодиагностика при обнаружении неисправностей во время работы сети, каналов, модулей;

– ведение информационной базы данных;

– соответствие требованиям норм взрывопожарной безопасности согласно НПБ 105–03;

– согласованность с другими системами управления, то есть возможность объединения систем в единую информационную сеть в рамках предприятия.

АСУТП на базе средств вычислительной техники должна соответствовать требованиям Госгортехнадзора ПБ 09–170–97 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств», техническому заданию и обеспечивать:

– постоянный контроль за параметрами процесса и управление режимом для поддержания их регламентированных значений;

– регистрацию срабатываний и контроль за работоспособным состоянием ПАЗ;

– постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта;

– постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварий;

– действия средств управления ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;

– проведение операций безаварийного пуска останова и всех необходимых для этого переключений.

Необходимо учесть, что каждая фирма имеет свою шкалу скидок, зависящую от следующих факторов:

– объёма закупаемых средств;

– перспективности покупателя средств с точки зрения будущих продаж;

– значимости покупателя для ссылок для него в будущих рекламных компаниях;

– метода проведения закупок.

Сравним микропроцессорные комплексы, представленные на российском рынке, по некоторым техническим характеристикам и выберем наиболее подходящий.

 

Таблица 9 – Характеристики систем управления

Фирма		YOKOGAWA	АВВ	Emerson
Сетевой комплекс контроллеров		CENTUM CS 3000	Advant Master	Delta V
1		2	3	4
Начало выпуска		1994/98 г.	1993 г.	1997 г.
Особенности архитектуры		многовариантная сетевая структура верхнего и полевого уровней	многовариантность системной сети и контроллеров	в комплекс включены интел. приборы, он ограничен по мощности
Открытость	программам	OLE DDE Motif ОРС	DDE Motif SQL ОРС	ОРС COM/DCOM Active X ODBC
	техническим средствам	OPC Modbus Siemens Allen-Bradley Mitsubish	OPC Modbus Siemens	OPC Modbus Profibus DP DeviceNet
Информационный уровень		Ethernet, выход на FDDI	Ethernet	−
Системный уровень		собств. сеть V-Net: длина − 1.5 км, скорость − 10 Мбит/с, число узлов − 64	собств. сеть MasterBus: длина − 2.5 км, скорость − 1–10 Мбит/с, число узлов − 45	Ethernet
Полевой уровень		Fieldbus HI, собств. сеть RIO bus	собств. сеть Advant Fieldbus 100	Fieldbus HI, Profibus DP, HART
Число вариантов контроллеров		22	8, включая 2 спецконтроллера	2
Число каналов вв/выв		1280 −анал., 4096 −дискр.	170–2500	512
Гальван. развязка		у всех серий групп, а для ТП и ТC − индив.	у всех серий групп	индив. у ряда блоков

 

Выбор системы управления останавливаем на CENTUM CS 3000 фирмы YOKOGAWA, способной осуществлять комплексное управление как отдельными технологическими агрегатами и цехами, так и целыми производствами, имеющей удобный и легкодоступный интерфейс оператора и позволяющей с помощью открытой среды со стандартизованными интерфейсами создать интегрированную систему управления с существующими компьютерными системами верхнего уровня.

Одним из факторов выбора данной системы является наличие на заводе этилена сертифицированных специалистов по системе управления CENTUM, что существенно снижает затраты на проектирование, установку и дальнейшую эксплуатацию системы, документация по системе управления CENTUM наиболее полно и хорошо переведена на русский язык.

Описание распределенной системы управления CENTUM CS 3000. Измерительно-управляющая система CENTUM CS 3000 разработана и производится фирмой YOKOGAWA. В России фирма YOKOGAWA поставляет свою продукцию через инжиниринговые фирмы более 30 лет, она открыла свое представительство в 1992 г. Кроме того, фирма имеет три представительства в г. Ангарск, Казань. Тобольск и около 10 партнеров и дистрибьюторов в разных городах СНГ. Фирма YOKOGAWA имеет сертификаты на качество производства комплексов ISO 9001, сертификат Госстандарта России на средство измерения на основные конструктивы комплекса.

Распределенная система управления CENTUM CS 3000 является новой системой управления, предназначенной для оптимального управления крупнотоннажными производствами. Это открытая система, которая, имея расширенные функциональные возможности, предоставляет пользователю открытые гибкие возможности управления.

CENTUM CS 3000 позволяет осуществлять обмен данными между супервизорной системой такой, как система планирования ресурсами, и системой производства, что позволяет строить оптимальную стратегию управления всем заводом.

CENTUM CS 3000 предназначена для обеспечения автоматизации технологических процессов на базе измерительной информации, включая сбор и обработку первичной информации о параметрах технологических процессов, преобразование хранение и передачу информации на более высокие уровни управления, вычисление показателей, характеризующих процесс, формирование команд и управляющих воздействий, а также сигналов аварийной защиты.

Основными достоинствами системы являются:

1) высокая надежность системы, которая основывается на отказоустойчивости станции управления, блок управления которой имеет четыре процессора «работающая пара-резерв» и дублированием шины связи V-net и RIO шины. Каждая пара работает параллельно, контролируя правильность вычислений. Если результаты пары не совпадают, то работа передается резервному контроллеру.

2) наличие функции объектного и виртуального тестирования, позволяющая проверять правильность выполнения инженером схем управления перед включением их в реальный процесс. Модернизация может осуществляться без остановки управления технологическим процессом. Виртуальное тестирование осуществляется без участия станции управления участком.

3) наличие специального пакета для управления периодическими процессами.

4) эффективный инжиниринг: интерактивная система генерации функций, требующая минимально необходимый ввод данных. Инжиниринг охватывает многочисленные операции, такие как проектирование системы, генерация системы применительно к конкретному технологическому процессу, запуск, добавление новых схем управления, модернизация уже созданных, создание технологических отчетов, тестирование, сервисное обслуживание. Инжиниринг может производится как на станции оператора, так и на отдельном компьютере.

5) возможность реализации на станции управления системы противоаварийной защиты и сигнализации.

Архитектура системы.

Станция управления участком

FCS представляет собой станцию управления нового поколения. Она объединяет в себе системы управления технологическим процессом, компьютеры и пакетную обработку данных.

Станция FCS состоит из следующего оборудования:

– блок управления участком FCU;

– до восьми интерфейсных блоков с выносными узлами NIU на каждый FCU;

– до пяти модулей вводаО на каждый NIU;

– шина дистанционного ввода-вывода удалено от блока управления, так как модули ввода-вывода, подключенного к рабочим сигналам или подсистемам, а также блока интерфейса узла.

Блок интерфейса узла NIU представляет собой устройство для обработки сигнала. Оно считывает рабочие сигналы ввода-вывода и передает переменные в FCU.

Блок ввода-вывода, вставленных в гнездо модуля. Возможно использование 4-рех типов модульных гнезд:

– AMN 11: модульное гнездо аналогового ввода-вывода с высокоскоростным сканированием;

– AMN 21: модульное гнездо релейного ввода-вывода и модульное гнездо связи;

Модули ввода-вывода подразделяются на следующие типы:

– аналоговые;

– релейные;

– дискретные;

– мультиплексорные.

Модули вводанапряжения. Данные модули принимают токовые сигналы 4–20 мА от двухпроводниковых датчиков и стандартизированные сигналы 1–5 В.

 

Таблица 10 – Технические характеристики

Модель	AAM 11
1	2
Количество входных точек	1
Входной сигнал	От 0 до 10 В постоянного тока	От 0 до 20 мА постоянного тока
Входное сопротивление	1Мом при включенном питании	250 Ом
Допустимые входные ток/напряжение	От -10 до 30 В постоянного тока	Не более 40 мА постоянного тока
Питание, подаваемое на датчик		От 25,0 до 25,5 В постоянного тока
Вспомогательный выход напряжения	От 1 до 5 В постоянного тока. Выходное сопротивление: не более 1 Ом. Допустимое сопротивление нагрузки: не менее 10 кОм. Сигнальная земля – общая системой
Точность	Вход напряжения: ± 4 мВ. Токовый вход: ± 16 мкА. Вспомогательный выход напряжения: ± 12 мВ.
Воздействие изменения температуры окружающей среды	При изменении на 10 0С: Вход напряжения: ± 4 мВ + ±0,15 от заданного значения Токовый вход: ± 32 мкА Вспомогательный выход напряжения: ± 24 мВ
Период обновления данных	50 мс
Потребляемый ток	Не более 300 мА
Развязка сигналов	Входные сигналы разных систем развязаны
Способ задания входных сигналов	Задание входных сигналов и их диапазона производится с помощью программной настройки

 

Модули выходов тока. Модуль выполняет преобразование и выдачу различных токов в диапазоне от 4 до 20 мА.

 

Таблица 11 – Технические характеристики

Модель	AAM 50
1	2
Количество входных точек	1
Выходной сигнал	От 4 до 20 мА постоянного тока
Выходное сопротивление	Не менее 500 кОм
Допустимое сопротивление нагрузки	От 0 до 750 Ом
Выходной диапазон	От 1,0 до 21,5 мА постоянного тока
Предельное выходное напряжение	Не более 25,5 В постоянного тока
Обнаружение разомкнутого выхода	Не более 0,65 мА постоянного тока
Точность	Токовый вход: ± 48 мкА
Воздействие изменения температуры окружающей среды	При изменении на 10 0С: Токовый вход: ± 32 мкА

 

Мультиплексорные модули

Данный тип модулей принимает до 16 величин напряжения постоянного тока.

 

Таблица 12 – Технические характеристики

Модель	AАM 12Т
1	2
Количество входных точек	16
Входной сигнал	Напряжение постоянного тока
Входной диапазон	От -10 до 10 В постоянного тока
Допустимое входное напряжение	От -30 до 30 В постоянного тока
Входное сопротивление	1 МОм
Развязка сигналов	Входные сигналы разных систем развязаны. Выдерживаемое напряжение: миним. 1500 В переменного тока.
Период обновления данных	1 с
Точность	± 4 мВ
Воздействие изменения температуры окружающей среды	При изменении на 10 оС: Напряжение пост. тока: не более ± 8 мВ

 

Шина RIO

Шина дистанционного вводавывода, которая соединяет процессор станции управления и удаленную часть ввода / вывода. Она подключается к FCU с помощью блоков узловых интерфейсов.

 

Таблица 13 – Технические требования

1	2
Максимальное количество подсоединяемых устройств	8 узлов
Топология сети	Шинного типа
Резервирование канала передачи	Имеется
Скорость передачи	2 Мбит/с
Передающий кабель	Кабель типа «витая пара» Волоконно-оптический кабель

 

Станция оператора

Для сбора данных и диспетчерского контроля используется мощная легко управляемая станция оператора – она выводит на дисплей переменные процесса, управляющие параметры и сигнализации, которые необходимы пользователям для быстрой оценки рабочего состояния установки. Станция оператора также включает в себя открытые интерфейсы, позволяющие супервизорному компьютеру получить доступ к данным тренда, сообщениям и данным процесса.

В качестве станции оператора выбрали персональный компьютер с одним монитором с диагональю экрана 21 дюйм.

В комплект станции оператора входит печатающее устройство, сенсорные экраны, источники бесперебойного питания, манипуляторы, звуковые устройства, различные накопители информации.

Во всех рабочих станциях используется процессор Intel Pentium 4. Этот 32-битный процессор хорошо подходит для высокопроизводительного ПО системы CENTUM CS 3000. Имеется до 2 ГБ современной оперативной памяти с коррекцией ошибок, для ускорения работы 512 КБ кэш-памяти с конвейерной пакетной обработкой. ПО CENTUM CS 3000 лучше всего работает при разрешении 1024 x 768 пикселов или выше. Встроенный видеоконтроллер увеличивает производительность видеосистемы и помогает добиться нужного разрешения. Можно расширить доступную площадь изображения, используя два монитора. Для того, чтобы в проекте автоматизации могла быть реализована звуковая тревожная сигнализация, на системной плате всех ПК и рабочих станций установлена 16-битная звуковая подсистема.

 

Таблица 14 – Характеристика ПК

Центральный процессор	Intel Pentium 4, 2 ГГц или выше кэш 512 КБ, ОЗУ 256 МБ или выше
1	2
Видео	Встроенный контроллер 2X AGP с 4 МБ SGRAM 100 МГц
Накопители	Жесткий диск: 10 ГБ E-IDE или больший CD-ROM: 14/32X E-IDE или выше Дисковод для гибких дисков: 3,5 дюйма, 1,44 МБ WS340 использует SCSI
Периферия	Двухкнопочная мышь, Клавиатура Windows95, 104 кл. Полнодуплексная аудиосистема на системной плате
Условия окружающей среды	Рабочий диапазон температур: от 10 °C до 35 °C Относительная влажность: от 8 до 80%. Вибрация 0,25 G с частотой от 3 до 300 Гц в течение 15 минут.
Сертификация	Соответствует требованиям Канадской ассоциации стандартов, Научно-исследовательской лаборатории Национального совета компаний по страхованию от огня; маркировка CE электромагнитной совместимости в соответствии с директивой EEC 89/336.

 

Сеть V – net

Сеть V-net является вычислительной сетью управления в реальном времени. Она соединяет станции управления типа FCS с другими станциями, такими как HIS, ICS, ABC и ACG. Конфигурация сети основана на стандарте IEEE 802.4. Применяется полностью детерминированный протокол сети с эстафетным доступом, со скоростью передачи 10Мбитзаписи и подсистему передачи сообщений.

Сеть V-net обеспечивает следующие функции:

1) связь по считыванию записи. Например, станция оператора HIS посылает запрос в станцию управления FCS на посылку данных и станция управления FCS в ответ посылает эти данные в станцию оператора HIS. Эта система связи используется, чтобы получать и посылать данные основного технологического процесса;

2) передача сообщений. Подсистема передачи сообщений посылает данные в выбранные станции. Эта подсистема связи используется для передачи сообщений тревоги по ходу технологического процесса;

3) подсистема канала связи. Коммуникационная подсистема канала связи используется для того, чтобы одновременно пересылать данные во все станции. Период канала связи может быть установлен от 100 мсек до 2 сек в зависимости от применения.

Ниже приведены обычные применения канала связи:

1) электрически регулируемая операция медленного продвижения, требующая высокой скорости передачи данных;

2) передача общих данных в системе;

3) передача между станциями управления FCS синхронизированных сигналов при управлении очередностью.

Для подключения станции оператора HIS используется кабель YCB 141, для подключения станций, отличных от станции оператора HIS − кабель YCB 111.

Сеть V-net может иметь двойное резервирование.

Посредством расширения сети, станции типа HIS могут контролировать станции типа FCS, разбросанные по всему предприятию. Расстояние передачи для сети V может быть увеличено путем использования повторителей или оптических адаптеров.

Сеть Ethernet

Система CENTUM CS 3000 использует сеть Еthernet, в качестве локальной сети для пересылки данных между станциями HIS. Она позволяет решать организационно-экономические задачи используя базу данных станции оператора и станции управления, и, наоборот, решать задачи управления процессом на основании информации, имеющейся в компьютерной сети. Обмен данными между верхним уровнем и процессом осуществляется с помощью пакетов Open Data Interface for DDE и пакета Ехаорс OPC Interface, конфигурирующих функцию сервера OPC для доступа к данным процесса станции оператора из функции OPC для решения задач верхнего уровня.

Конфигурация сети основана на стандарте IEEE 802.3. Скорость передачи данных 10 Мбит/с.

HART – протокол

Связь станции управления HIS с датчиками осуществляется через станцию управления FCS с помощью стандартного коммуникационного протокола HART. Протокол HART является «открытым» и доступен для всех производителей приборов и систем управления, желающих его использовать.

HART протокол использует стандарт Bell 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4–20 мА. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты и 2200 Гц соответственно). Поскольку среднее значение FSK сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4–20 мА, несмотря на прохождение цифрового сигнала. Это достигается также введением в прибор однополюсного НЧ фильтра 10Гц, снижая помехи на аналоговом сигнале примерно до 0,01%. Каждое цифровое сообщение содержит адрес источника и назначения, а также имеет контрольную сумму для обнаружения любого искажения сообщения.

Описание системы ПАЗ CENTUM CS 3000.

Архитектура системы такая, как у РСУ CENTUM CS 3000, кроме модулей ввода / вывода.

Модули ввода аналоговых сигналов

Данные модули принимают токовые сигналы 4–20 мА от двухпроводниковых датчиков и стандартизированные сигналы 1–5 В.