Помощь студентам в учебе
Модернизация автоматизированной системы управления установкой подготовки импульсного газа
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика цеха, описание технологического процесса 9
1.2 Описание основного оборудования и алгоритма работы
механизма 10
1.3 Цели, задачи и требования к системе автоматизации 12
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации
технологического процесса 20
1.5 Разработка упрощенной функциональной схемы системы
автоматизации 26
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 29
2.1 Разработка структуры системы автоматизации 29
2.2 Выбор технических средств автоматизации 30
2.2.1 Датчики и преобразователи сигналов 30
2.2.2 Исполнительные элементы 35
2.2.3 Расчет вакуумной системы 37
2.2.4 Электрические элементы системы автоматизации 41
2.2.5 ПЛК и панель оператора 45
2.3 Разработка схем соединения элементов системы автоматизации .... 46
2.3.1 Разработка функциональной схемы автоматизации 46
2.3.2 Разработка схемы электрической принципиальной 47
2.3.3 Разработка схемы пневматической принципиальной 48
2.4 Разработка алгоритма управления и программного обеспечения
систем автоматизации 48
2.5 Разработка системы визуализации управления технологическим
процессом 52
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 55
3.1 Характеристика предприятия и выпускаемой продукции 55
3.2 Расчет производственной программы 57
3.3 Расчет сметы капитальных затрат 57
3.4 Расчет РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 59
3.5 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 62
3.6 Расчет итоговых показателей 65
3.7 Сводная таблица технико-экономических показателей 65
3.8 Расчет срока окупаемости проекта 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А Принципиальная технологическая схема УПИГ 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Упрощенная функциональная схема системы автоматизации 72
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вакуумная схема 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Функциональная схема системы автоматизации 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Схема электрическая принципиальная 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Схема пневматическая принципиальная 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Алгоритм работы системы 88
ПРИЛОЖЕНИЕ И Код программы на языке LAD 92
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика цеха, описание технологического процесса 9
1.2 Описание основного оборудования и алгоритма работы
механизма 10
1.3 Цели, задачи и требования к системе автоматизации 12
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации
технологического процесса 20
1.5 Разработка упрощенной функциональной схемы системы
автоматизации 26
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 29
2.1 Разработка структуры системы автоматизации 29
2.2 Выбор технических средств автоматизации 30
2.2.1 Датчики и преобразователи сигналов 30
2.2.2 Исполнительные элементы 35
2.2.3 Расчет вакуумной системы 37
2.2.4 Электрические элементы системы автоматизации 41
2.2.5 ПЛК и панель оператора 45
2.3 Разработка схем соединения элементов системы автоматизации .... 46
2.3.1 Разработка функциональной схемы автоматизации 46
2.3.2 Разработка схемы электрической принципиальной 47
2.3.3 Разработка схемы пневматической принципиальной 48
2.4 Разработка алгоритма управления и программного обеспечения
систем автоматизации 48
2.5 Разработка системы визуализации управления технологическим
процессом 52
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 55
3.1 Характеристика предприятия и выпускаемой продукции 55
3.2 Расчет производственной программы 57
3.3 Расчет сметы капитальных затрат 57
3.4 Расчет РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 59
3.5 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 62
3.6 Расчет итоговых показателей 65
3.7 Сводная таблица технико-экономических показателей 65
3.8 Расчет срока окупаемости проекта 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А Принципиальная технологическая схема УПИГ 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Упрощенная функциональная схема системы автоматизации 72
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вакуумная схема 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Функциональная схема системы автоматизации 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Схема электрическая принципиальная 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Схема пневматическая принципиальная 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Алгоритм работы системы 88
ПРИЛОЖЕНИЕ И Код программы на языке LAD 92
В настоящее время, специфика эксплуатации запорно-регулирующей арматуры на газокомпрессорных станциях требует особенно тщательной очистки от влаги и механических примесей отбираемого из газопровода природного газа, который направляется в приводы с пневматической или пневмогидравлической системой управления запорно-регулирующих устройств.
Связано это с тем, что накапливаемая влага при низких температурах приводит в негодность использования пневматических устройств и уменьшает срок службы оборудования.
В качестве объекта исследования для модернизации системы автоматического управления выбрана установка подготовки импульсного газа (далее УПИГ), которая используется на компрессорных станциях для осушки газа от воды и прочих влажных и механических примесей. Импульсным называется газ, отбираемый из технологических трубопроводов обвязки КС для использования в пневмогидравлических системах приводов запорной арматуры: пневмоприводных кранов технологического, топливного и пускового газов, для подачи газа к контрольно-измерительным и регулирующим приборам.
В качестве предмета исследования изучены основные виды подготовки газа. Термическая и термовакуумная регенерация цеолита и оценены основные преимущества, недостатки и различия одного и другого типа подготовки газа.
Установка подготовки импульсного газа адсорбционного типа предназначена для очистки от механических примесей и удаления паров воды из природного газа перед его использованием потребителем. УПИГ должна обеспечивать непрерывную осушку природного газа, работать в широком диапазоне давлений без потери производительности (пропускной способности) и качества осушки.
Основной целью выпускной квалификационной работы является замена ручной регенерации цеолита в УПИГ на автоматизированную, при своевременном сигнале о том, что газ на выходе насыщен водными парами и необходима регенерация адсорбента в адсорберах.
В качестве дополнительной цели для выпускной квалификационной работы (далее ВКР) выделается повышение эффективности осушки.
Для осуществления перехода к автоматизированной регенерации цеолита выполнен ряд задач. Во-первых, в системе происходит отслеживание сигнала с измерителя влажности газов на выходе осушенного газа. Сигналом к началу регенерации служит достижение температуры в минус 50°С. Во-вторых, для должного функционирования учтена работа двигателей вакуумных насосов и циркуляционного насоса теплоносителя. В-третьих, разработан алгоритм работы открытия и закрытия кранов с пневмоприводом и составлена программа для реализации цикловой работы, с возможностью визуализации процесса на HMI панели оператора. В качестве реализации термовакуумной регенерации рассчитана вакуумная система и подобраны насосы с приводами для её работы.
Для решения данных задач использованы методы построения циклограмм, для составления рабочей программы контроллера системы и метод расчета вакуумных систем используемый в пособии для расчета вакуумной техники и приборов.
В качестве основных источников информации используются «Расчет вакуумных систем» под редакцией А.В. Юрьевой, техническая документация, взятая с Челябинского Линейного Производственного Управления Магистральными Газопроводами и статья о развитии технологий глубокой адсорбционной осушки природного газа в установках подготовки импульсного газа под авторством Ю.Л. Кузнецова.
Предметом защиты ВКР является модернизация существующей системы управления установки подготовки импульсного газа.
С практической точки зрения замена руной регенерации на автоматическую позволяет сэкономить на заработной плате сотрудников обслуживающих данную установку. Также сокращаются затраты, связанные с потерями газа при продувке оборудования, уменьшатся выбросы в атмосферу природного газа. С точки зрения потребляемой мощности, новый вводимый способ регенерации требует гораздо меньших затрат электроэнергии.
В первой главе ВКР произведено описание установки и описание ее основного технологического процесса. Приведено сравнение термического и термовакуумного способа регенерации цеолита. Определены основные цели и задачи к требуемой системе. Также произведен обзор существующих вариантов автоматизации подобных установок по осушке газа от влажных примесей. По итогам полученных данных и разработанных целей составлена упрощенная функциональная схема автоматизации.
В главе по разработке системы автоматизации произведена разработка структуры системы автоматизации, распределение типов и видов сигналов и связь с внешним компьютером (центральным пультом управления). Выбрано основное оборудование: датчики и преобразователи, исполнительные элементы в том числе краны с пневмоприводом и привода для насоса. Также отдельно рассчитана вакуумная система и выполнена разработка схема вакуумной принципиальной. Также построены основные схемы автоматизации такие как: функциональная автоматизации, принципиальная электрическая, принципиальная пневматическая. Составлена циклограмма работы системы и написан код для контроллера, с системой визуализации на панели оператора.
В главе с экономическим обоснованием приведена таблица капитальных затрат на внедряемое оборудование, рассчитаны расходы на эксплуатацию и содержание оборудования до и после внедрения мероприятий по автоматизации и вакуумировании цеолита. Рассчитан срок окупаемости проекта и приведена конечная таблица технико-экономических показателей.
Связано это с тем, что накапливаемая влага при низких температурах приводит в негодность использования пневматических устройств и уменьшает срок службы оборудования.
В качестве объекта исследования для модернизации системы автоматического управления выбрана установка подготовки импульсного газа (далее УПИГ), которая используется на компрессорных станциях для осушки газа от воды и прочих влажных и механических примесей. Импульсным называется газ, отбираемый из технологических трубопроводов обвязки КС для использования в пневмогидравлических системах приводов запорной арматуры: пневмоприводных кранов технологического, топливного и пускового газов, для подачи газа к контрольно-измерительным и регулирующим приборам.
В качестве предмета исследования изучены основные виды подготовки газа. Термическая и термовакуумная регенерация цеолита и оценены основные преимущества, недостатки и различия одного и другого типа подготовки газа.
Установка подготовки импульсного газа адсорбционного типа предназначена для очистки от механических примесей и удаления паров воды из природного газа перед его использованием потребителем. УПИГ должна обеспечивать непрерывную осушку природного газа, работать в широком диапазоне давлений без потери производительности (пропускной способности) и качества осушки.
Основной целью выпускной квалификационной работы является замена ручной регенерации цеолита в УПИГ на автоматизированную, при своевременном сигнале о том, что газ на выходе насыщен водными парами и необходима регенерация адсорбента в адсорберах.
В качестве дополнительной цели для выпускной квалификационной работы (далее ВКР) выделается повышение эффективности осушки.
Для осуществления перехода к автоматизированной регенерации цеолита выполнен ряд задач. Во-первых, в системе происходит отслеживание сигнала с измерителя влажности газов на выходе осушенного газа. Сигналом к началу регенерации служит достижение температуры в минус 50°С. Во-вторых, для должного функционирования учтена работа двигателей вакуумных насосов и циркуляционного насоса теплоносителя. В-третьих, разработан алгоритм работы открытия и закрытия кранов с пневмоприводом и составлена программа для реализации цикловой работы, с возможностью визуализации процесса на HMI панели оператора. В качестве реализации термовакуумной регенерации рассчитана вакуумная система и подобраны насосы с приводами для её работы.
Для решения данных задач использованы методы построения циклограмм, для составления рабочей программы контроллера системы и метод расчета вакуумных систем используемый в пособии для расчета вакуумной техники и приборов.
В качестве основных источников информации используются «Расчет вакуумных систем» под редакцией А.В. Юрьевой, техническая документация, взятая с Челябинского Линейного Производственного Управления Магистральными Газопроводами и статья о развитии технологий глубокой адсорбционной осушки природного газа в установках подготовки импульсного газа под авторством Ю.Л. Кузнецова.
Предметом защиты ВКР является модернизация существующей системы управления установки подготовки импульсного газа.
С практической точки зрения замена руной регенерации на автоматическую позволяет сэкономить на заработной плате сотрудников обслуживающих данную установку. Также сокращаются затраты, связанные с потерями газа при продувке оборудования, уменьшатся выбросы в атмосферу природного газа. С точки зрения потребляемой мощности, новый вводимый способ регенерации требует гораздо меньших затрат электроэнергии.
В первой главе ВКР произведено описание установки и описание ее основного технологического процесса. Приведено сравнение термического и термовакуумного способа регенерации цеолита. Определены основные цели и задачи к требуемой системе. Также произведен обзор существующих вариантов автоматизации подобных установок по осушке газа от влажных примесей. По итогам полученных данных и разработанных целей составлена упрощенная функциональная схема автоматизации.
В главе по разработке системы автоматизации произведена разработка структуры системы автоматизации, распределение типов и видов сигналов и связь с внешним компьютером (центральным пультом управления). Выбрано основное оборудование: датчики и преобразователи, исполнительные элементы в том числе краны с пневмоприводом и привода для насоса. Также отдельно рассчитана вакуумная система и выполнена разработка схема вакуумной принципиальной. Также построены основные схемы автоматизации такие как: функциональная автоматизации, принципиальная электрическая, принципиальная пневматическая. Составлена циклограмма работы системы и написан код для контроллера, с системой визуализации на панели оператора.
В главе с экономическим обоснованием приведена таблица капитальных затрат на внедряемое оборудование, рассчитаны расходы на эксплуатацию и содержание оборудования до и после внедрения мероприятий по автоматизации и вакуумировании цеолита. Рассчитан срок окупаемости проекта и приведена конечная таблица технико-экономических показателей.
При выполнении ВКР была осуществлена разработка автоматизированной регенерации цеолита в адсорберах. Это происходит при выполнении разработанного алгоритма управления кранами с пневмоприводом.
В ходе работы осуществлено решение поставленных задач, для достижения целей, выдвинутых при формировании проекта разработки. Решена задача измерения точки росы газа на выходе, путем подключения измерителя влажности газов на выходной газопровод, с типом сигнала 4...20 мА. Этот измерительный прибор является сигналом к началу регенерации цеолита в адсорберах.
Также приведена и рассчитана вакуумная система, приведен анализ сравнения двух типов регенерации, термической и термовакуумной, из которого можно сделать вывод о том, что при проведении термовакуумной регенерации, время на регенерацию адсорбента уменьшается, становятся равные нулю потери, связанные с продувкой адсорберов при проведении термической регенерации, так как при термовакуумной продувка не требуется.
В структуре системы автоматизации отражены основные типа сигналов, подключаемых к ПЛК. На структуре отображено подключение ПЛК к внешним компьютерам, то есть центральному посту управления, через сервер по проколу Industrial Ethernet (Profinet). Это связано с тем, что протокол Profinet является одним из базовых для контроллеров фирмы Siemens. Позволяется связывать с центрального поста управления до установки в режиме реального времени и получать необходимые данные. Также повышает доступность сети и удобство связи со многими ПК. Панель оператора для установки соединяется с ПЛК при помощи встроенного протокола Profibus по интерфейсу RS-485.
Далее был произведен основной выбор оборудования для установки - это дискретные датчики давления адсорберов, давления теплоносителя, датчик уровня теплоносителя. К аналоговым сигналам относятся давление, измеряемое на входе выходе установки, температура адсорберов, температура теплоносителя и показание измерителя влажности газов на выходе.
Для установки, также, составлена функциональная схема автоматизации, из которой можно сделать вывод о количестве входов и типе входов и выходов ПЛК установки. В качестве исполнительных устройств системы выступают двигатели циркуляционного насоса, пластинчато-роторного насоса и диффузионного насоса блока вакуумирования. Также катушки распределителей, которые управляют потоками газа для кранов с пневмоприводом выступают в роли исполнительных механизмов. Для работы пневмоэлементов системы была разработана схема пневматическая принципиальная. На схеме обозначены краны и вентили, а также распределители управления. Питание системы происходит с выхода блока осушки, через дополнительный газовый редуктор для снижения давления пневмопитания.
Код программы был разработан на языке программирования LAD в программной среде TIAPortal, которая является стандартным ПО для контроллеров фирмы Siemens. Также разработана система визуализации на панели оператора. Установка условно разделена на три блока: блок осушки, в который входят адсорберы и входные краны установки; блок вакуумирования, с пластинчато - роторным насосом для предварительного создания вакуума, и диффузионным насосом, включающимся при достижении давления в 5 Па в вакуумной системе; блок подготовки теплоносителя с циркуляционным насосом, нагревателем и вентилями подачи теплоносителя.
Таким образом, была реализована автоматизированная регенерация цеолита, с возможностью визуализации процесса осушки газа, срабатывания двигателей и открытия кранов.
Также доказано о целесообразности использования блока вакуумирования для создания вакуума при одновременном нагреве цеолита при его регенерации. Приведены схемы потребления энергии и сделаны экономические выводы о выгоде внедрения таких разработок. Срок окупаемости подобного мероприятия составляет 2 года и 11 месяцев.
В ходе работы осуществлено решение поставленных задач, для достижения целей, выдвинутых при формировании проекта разработки. Решена задача измерения точки росы газа на выходе, путем подключения измерителя влажности газов на выходной газопровод, с типом сигнала 4...20 мА. Этот измерительный прибор является сигналом к началу регенерации цеолита в адсорберах.
Также приведена и рассчитана вакуумная система, приведен анализ сравнения двух типов регенерации, термической и термовакуумной, из которого можно сделать вывод о том, что при проведении термовакуумной регенерации, время на регенерацию адсорбента уменьшается, становятся равные нулю потери, связанные с продувкой адсорберов при проведении термической регенерации, так как при термовакуумной продувка не требуется.
В структуре системы автоматизации отражены основные типа сигналов, подключаемых к ПЛК. На структуре отображено подключение ПЛК к внешним компьютерам, то есть центральному посту управления, через сервер по проколу Industrial Ethernet (Profinet). Это связано с тем, что протокол Profinet является одним из базовых для контроллеров фирмы Siemens. Позволяется связывать с центрального поста управления до установки в режиме реального времени и получать необходимые данные. Также повышает доступность сети и удобство связи со многими ПК. Панель оператора для установки соединяется с ПЛК при помощи встроенного протокола Profibus по интерфейсу RS-485.
Далее был произведен основной выбор оборудования для установки - это дискретные датчики давления адсорберов, давления теплоносителя, датчик уровня теплоносителя. К аналоговым сигналам относятся давление, измеряемое на входе выходе установки, температура адсорберов, температура теплоносителя и показание измерителя влажности газов на выходе.
Для установки, также, составлена функциональная схема автоматизации, из которой можно сделать вывод о количестве входов и типе входов и выходов ПЛК установки. В качестве исполнительных устройств системы выступают двигатели циркуляционного насоса, пластинчато-роторного насоса и диффузионного насоса блока вакуумирования. Также катушки распределителей, которые управляют потоками газа для кранов с пневмоприводом выступают в роли исполнительных механизмов. Для работы пневмоэлементов системы была разработана схема пневматическая принципиальная. На схеме обозначены краны и вентили, а также распределители управления. Питание системы происходит с выхода блока осушки, через дополнительный газовый редуктор для снижения давления пневмопитания.
Код программы был разработан на языке программирования LAD в программной среде TIAPortal, которая является стандартным ПО для контроллеров фирмы Siemens. Также разработана система визуализации на панели оператора. Установка условно разделена на три блока: блок осушки, в который входят адсорберы и входные краны установки; блок вакуумирования, с пластинчато - роторным насосом для предварительного создания вакуума, и диффузионным насосом, включающимся при достижении давления в 5 Па в вакуумной системе; блок подготовки теплоносителя с циркуляционным насосом, нагревателем и вентилями подачи теплоносителя.
Таким образом, была реализована автоматизированная регенерация цеолита, с возможностью визуализации процесса осушки газа, срабатывания двигателей и открытия кранов.
Также доказано о целесообразности использования блока вакуумирования для создания вакуума при одновременном нагреве цеолита при его регенерации. Приведены схемы потребления энергии и сделаны экономические выводы о выгоде внедрения таких разработок. Срок окупаемости подобного мероприятия составляет 2 года и 11 месяцев.