SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Автоматизированная система управления и защит технологическим процессом производства слабой азотной кислоты

Приводится описание АСУ ТП производства слабой азотной кислоты на агрегате УКЛ-7, принятой в промышленную эксплуатацию в начале 2009 г. на заводе минеральных удобрений Кирово-Чепецкого химкомбината (ЗАО «ЗМУ КЧХК»).

ЗАО ПК «Промконтроллер», г. Москва
ЗАО «ЗМУ КЧХК», г. Кирово-Чепецк

Tecon.jpg

В связи с износом оборудования КИПиА и повышением требований к сокращению количества остановов по причине ложного срабатывания датчиков аварийных ситуаций при безусловном обеспечении безопасности работы технологического оборудования в 2008 году было принято решение по поэтапной реконструкции системы автоматического управления на установках УКЛ-7 № 1 – № 5 цеха производства слабой азотной кислоты на заводе минеральных удобрений Кирово-Чепецкого химкомбината (ЗАО «ЗМУ КЧХК»). 

Существующие подсистемы управления и защит установок УКЛ-7 были введены в эксплуатацию в 1971–1976 годах и выполнены на пневматических регуляторах и блоках с использованием логических схем «И», «ИЛИ», «НЕ».

Технические средства КИПиА и средства, выполняющие функции защит, выработали свой ресурс, что повысило вероятность аварийных ситуаций и «ложных» аварийных остановов, а также повлекло увеличение нагрузки на оперативный и обслуживающий персонал. Устаревшая реализация подсистемы управления приводила к снижению технико-экономических показателей работы цеха, а кроме того, не позволяла осуществлять контроль всего объема технологических параметров, требуемых для оптимизации технологического процесса. 

ЗАО «ЗМУ КЧХК» провело тендер на выполнение работ по реконструкции подсистем управления и защит установок УКЛ-7 цеха производства слабой азотной кислоты, в котором приняли участие ведущие отечественные и зарубежные производители контроллерной техники и системные интеграторы. По итогам проведенного тендера победу одержали предложения ЗАО ПК «Промконтроллер» (производственная компания, входящая в ГК «ТЕКОН»). Было принято решение о реализации подсистем управления и защит установок УКЛ-7 на базе многофункционального контроллера МФК3000 (рис. 1), предназначенного для применения в системах измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами средней и высокой сложности.

pic1.jpg

Рис. 1. Контроллер МФК3000
  

Цель реконструкции системы управления и защит

Реконструкция системы управления и защит была проведена в целях обеспечения надежной, экономичной и безопасной работы объектов технологической схемы УКЛ-7. Для этого было необходимо добиться выполнения следующих условий: 
- обеспечение высокой надежности работы основных составляющих системы – технических средств и программного обеспечения;
- применение более совершенных алгоритмов регулирования и управления;
- предотвращение аварийных ситуаций;
- обеспечение информацией технологического и эксплуатационного персонала в объеме, достаточном для оптимального ведения технологического процесса и быстрой диагностики отклонений от регламента;
- обеспечение надежности работы технических средств и автоматической диагностики отказов;
- минимизация ручного труда.

Для выполнения приведенных условий специалистами «ЗМУ КЧХК» были сформулированы следующие требования к техническим и программным средствам для новых подсистем управления и защит:
- подсистемы управления и защит должны быть выполнены на современной микропроцессорной технике с открытой архитектурой операторских станций;
- должна быть обеспечена высокая надежность технических и программных средств. Основные элементы технических средств, влияющие на безопасность и качество технологического процесса, должны резервироваться;
- функции подсистем управления и подсистем защит должны выполняться независимо друг от друга и должны быть реализованы на отдельных, независимых технических и программных средствах; 
- технические и программные средства должны предусматривать дальнейшее развитие как в части увеличения количества сигналов, так и в части развития функциональных возможностей;
- последующие развитие и модернизация технических и программных средств должны быть доступны техническому персоналу цеха ЦАМиС ЗАО «ЗМУ КЧХК»;
- технологическое программное обеспечение контроллеров должно быть совместимо с программным обеспечением верхнего уровня, эксплуатируемым в системах управления в основных цехах завода;
- стоимость технических и программных средств, а также работ по внедрению должна быть минимальной. 

При реализации поставленных целей специалисты ЗАО «ЗМУ КЧХК» выполнили разработку полного проекта реконструкции подсистемы управления и защит. Проект контроллерного шкафа, разработка алгоритмов и технологических программ контроллерного уровня (подсистемы управления и ПАЗ) были выполнены специалистами ЗАО ПК «Промконтроллер».

Таблица. Основные технические характеристики АСУ ТП агрегата УКЛ-7

pic2_small.jpg

Примечание:
1. В качестве датчиков аналоговых сигналов применялись датчики с выходным токовым сигналом (4–20)мА; термопары типа: ТВР,
ТПР, ТПП, ТХА, ТХК, ТМК, ТЖК, ТНН; термосопротивления типа: ТСП и ТСМ.
2. В качестве регулирующих исполнительных механизмов применялись пневматические позиционеры, управляемые через
электропневматические преобразователи.
3. В качестве запорной арматуры применялись механизмы электрические однооборотные типа МЭО.


При реконструкции существующих подсистем управления и защит установок УКЛ-7 за основу было взято требование о полном соответствии функций (алгоритмов) защит действующему регламенту. Таким образом, функционально, в части подсистемы защит, новый проект и старый идентичны, что обеспечило полную преемственность, позволило минимизировать сроки на согласование проекта и скорейшее внедрение.

Основные изменения, которые затронул проект реконструкции, – применение троированных датчиков технологических параметров, по которым обеспечивается срабатывание технологических защит, а также датчиков, участвующих в регулировании ответственных технологических параметров. Также для обеспечения большей информированности оператора-технолога на технологическом оборудовании были установлены дополнительные датчики.


Структура подсистем управления и защит цеха слабой азотной кислоты

Структурная схема подсистем управления и защит цеха слабой азотной кислоты (УКЛ-7 №1-№5) представлена на рис. 2. 
При реализации АСУ ТП УКЛ-7 и входящих в нее подсистем управления и защит применен принцип распределенного управления и интеграции средств контроллерного уровня с технологическим оборудованием. Для каждого технологического объекта (установка УКЛ-7) функции управления и безопасности обеспечиваются индивидуальными подсистемами – управления и ПАЗ. Конструктивно подсистемы управления и защит, относящиеся к одной установке УКЛ-7, размещены в одном контроллерном шкафу.

Применение принципа распределенного построения подсистем и их интеграции с технологическим оборудованием обеспечивает надежность каждой отдельной подсистемы и высокую «живучесть» всей системы АСУ ТП технологическими установками УКЛ-7 цеха производства слабой азотной кислоты.

Независимость подсистем управления и защит отдельных агрегатов от работы остальных, высокая степень повторяемости технических решений и программного обеспечения соответствующих подсистем для агрегатов УКЛ-7 обеспечивают удобство и простоту обслуживания и ремонта. Также данное архитектурное решение позволяет осуществлять поэтапную модернизацию с полным тестированием внесенных изменений на отдельном агрегате и последующее тиражирование отработанных решений на остальных агрегатах.

На ЦПУ предусмотрена организация двух рабочих мест оператора № 1 и № 2, с которых операторы имеют возможность получать информацию о работе каждого из пяти агрегатов УКЛ-7 и управлять ими.

Третье рабочее место устанавливается в коридоре управления – зоне управления машиниста компрессорных установок, что позволяет ему получать информацию о ходе технологического процесса, а также осуществлять управление при пуске компрессорной установки соответствующего УКЛ-7.
В феврале 2009 года были введены в промышленную эксплуатацию подсистемы управления и защит установки УКЛ-7 №4, организованы рабочие места операторов №1 и №3, установлена и функционирует инженерная станция.

Рассмотрим работу каждой подсистемы в отдельности.


Подсистема автоматического управления

Подсистема управления для УКЛ-7 обеспечивает:
- получение достоверной информации о ходе технологического процесса и состоянии запорно-регулирующей арматуры;
- возможность передачи информации по запросу SCADA-системы (АРМ-оператора) о ходе технологического процесса, состоянии запорно-регулирующей арматуры и режимах работы регуляторов;
- управление комплексом УКЛ-7:
-- в дистанционном режиме;
-- по командам от АРМ-оператора.

В автоматическом режиме подсистема управления обеспечивает:
- выполнение функций про­граммно-логического управления технологическим оборудованием установки УКЛ-7;
- выполнение функций стабилизации (регулирования) технологических параметров установки УКЛ-7;
- выполнение функций блокировок некорректных действий оператора.

В режиме дистанционного управления подсистема по командам от АРМ-оператора обеспечивает:
- управление запорно-регули­рую­щей арматурой;
- включение и отключение электрического привода (двигателей);
- изменение параметров настройки и режимов работы регуляторов.

pic3_small.jpg
pic4.jpg

Рис. 2. Структурная схема подсистем управления
и защит цеха слабой азотной кислоты (УКЛ-7 № 1 – № 5)


Автоматические регуляторы

В подсистеме управления реализованы следующие основные регуляторы – стабилизирующие параметры технологического процесса, в технологической схеме производства азотной кислоты (агрегата УКЛ-7):
- уровень воды в котле-утилизаторе № 1;
- расход подачи пара в камеру сгорания турбины с коррекцией по температуре перед турбиной;
- расход воздуха в продувочную колонну;
- давление газообразного аммиака в заводскую сеть;
- соотношение расход воздуха / расход газообразного аммиака в смеситель;
- уровень воды в котле-утилизаторе № 2;
- уровень жидкого аммиака в аппарате подготовки газообразного аммиака;
- давление газообразного аммиака на выходе из аппарата подготовки газообразного аммиака;
- температура газообразного аммиака в смеситель с коррекцией по температуре на платиновых сетках аппарата;
- расход газообразного аммиака на очистку (в смеситель перед реактором селективной очистки хвостовых газов от окислов азота);
- расход конденсата на орошение в абсорбционную колонну;
- уровень кислоты в продувочной колонне.


Автоматические регуляторы, которые предполагается внедрить в последующем

В систему автоматического регулирования, выполняемую средствами ПТК АСУ ТП, предполагается дополнить в последующем следующими регуляторами:
- регулятор температуры воздуха на входе в компрессор;
- регулятор температуры воздуха на входе в двухступенчатый нагнетатель;
- регулятор давления пара на выходе котла-утилизатора;
- регулятор соотношения топливо/воздух в камеру сгорания турбины;
- регулятор температуры хвостовых газов на выходе окислителя с подогревателем.

Подсистема управления функционирует в режимах:
- автоматическом; 
- наладочном.


Функционирование подсистемы управления в режиме «Автоматический»

Режим работы «Автоматический» является основным режимом работы подсистемы управления и обеспечивает:
- получение информации о параметрах технологического процесса и ее предварительную обработку;
- автоматическое выполнение управляющих воздействий по управлению ходом технологического процесса, стабилизацию технологических параметров;
- сигнализацию об отклонении параметров технологического процесса от установленного регламентом, отказе датчиков и исполнительных устройств.


Получение информации о параметрах технологического процесса и ее предварительная обработка

Программное обеспечение осуществляет прием информации (значений параметров технологического процесса) и ее первичную обработку. К функциям ПО относятся:
- сбор и первичная обработка сигналов с объекта управления;
- контроль достоверности входной информации по следующим условиям:
- короткое замыкание в линии связи с датчиком, за исключением информации, поступающей через промежуточные преобразователи; 
- обрыв цепи датчика, за исключением информации, поступающей через промежуточные преобразователи; 
- превышение скорости изменения аналогового сигнала установленного значения; 
- сглаживание и фильтрация сигналов от помех;
- фильтрация дискретных сигналов от дребезга;
- преобразование значений параметров, получаемых от аналоговых датчиков, в относительные или инженерные единицы;
- ввод сигналов от SCADA-системы (команды управления, параметры для определения вычисляемых значений, значения предаварийных и аварийных параметров (уставки), значения параметров настройки регуляторов).


Автоматическое выполнение управляющих воздействий, стабилизация технологических параметров

Подсистема управления обеспечивает:
- в режиме работы регуляторов «Автоматический»:
- регулирование по ПИД-за­кону;
- каскадное регулирование;
- безударный переход (переключение) между режимами «Автоматический»/ «Ручной»;
- выполнение технологических ограничений на диапазон изменения положения клапана в процессе регулирования;
- перевод выхода регулятора в режим «Ручной» при обрыве нерезервированного датчика регулируемого параметра.

В автоматическом режиме подсистема управления позволяет оператору управлять запорно-регулирующей арматурой с АРМ-оператора, переводить выходы регуляторов на режим «ручного» управления и управлять положением регулирующих органов с АРМ-оператора.

Данная функция является вспомогательной и предназначена для использования при работе технологического оборудования в переходных состояниях (режим пуска, останова), отказах в подсистемах регулирования, а также при проверке и наладке запорной и регулирующей арматуры. 

Режим работы «Ручной» устанавливается индивидуально для конкретной арматуры или клапана по команде с АРМ-оператора. 


Сигнализирование на АРМ-оператора 
об отклонении состояния технологического процесса, отказе датчиков и исполнительных устройств

Программное обеспечение осуществляет звуковую и световую сигнализацию об отклонении состояния технологического процесса, отказе датчиков и исполнительных устройств. Недостоверные значения датчиков и отказавшие технические средства отмечаются изменением цвета на мнемосхеме, визуальной и звуковой сигнализацией, фиксированным сообщением в рапорте АРМ.


Функционирование подсистемы управления в режиме «Наладочный»

Режим «Наладочный» является вспомогательным и используется во время проведения регламентных работ при неработающем технологическом оборудовании. Данный режим предназначен для изменения базового программного обеспечения в контроллере, отладки новой технологической программы подсистемы управления, диагностики технических и программных средств. 


Подсистема защит (ПАЗ)

Перечень реализуемых функций

Подсистема защит (ПАЗ) выполняет следующие функции: 
- обеспечение автоматической остановки агрегата или его технологической части, в зависимости от класса аварийной защиты (ситуации). Остановка осуществляется путем прекращения подачи рабочих сред в аппараты, а также отключением соответствующего оборудования;
- выдача информации на АРМ-оператора о состоянии запорной арматуры и отсечных клапанов, сигнализация о выходе параметров технологического процесса за установленные регламентом значения (как предаварийные, так и аварийные);
- автоматическая выработка команд на управление запорной арматурой и отсечными клапанами по условиям аварийного состояния технологического процесса в соответствии с заданными алгоритмами;
- выполнение алгоритмов управления запорной арматурой и отсечными клапанами по командам с АРМ-оператора.

Подсистема ПАЗ функционирует в режимах:
- автоматическом; 
- наладочном.

Функционирование подсистемы ПАЗ в режиме «Автоматический»

Режим «Автоматический» является основным режимом работы подсистемы ПАЗ, при котором обеспечивается:
- получение информации о параметрах технологического процесса и ее предварительная обработка;
- определение предаварийной и аварийной ситуации, определение класса аварийной ситуации и автоматическое выполнение защитных действий по предотвращению аварии технологического оборудования;
- выдача сигналов для формирования звуковой и световой сигнализации об аварийных и предаварийных состояниях технологического процесса.


Получение информации о параметрах технологического процесса и ее предварительная обработка

Подсистема защит обеспечивает прием значений параметров технологического процесса и их первичную обработку:
- сбор и первичная обработка сигналов с объекта управления;
- контроль достоверности входной информации по следующим условиям:
- короткое замыкание в линии связи с датчиком (за исключением информации, поступающей через промежуточные преобразователи); 
- обрыв цепи датчика (за исключением информации, поступающей через промежуточные преобразователи); 
- превышение скорости изменения аналогового сигнала установленных значений; 
- сглаживание и фильтрация аналоговых сигналов от помех;
- фильтрация дискретных сигналов от дребезга;
- преобразование значений параметров, получаемых от датчиков, в относительные или инженерные единицы;
- ввод сигналов от SCADA-системы (команды управления, параметры для определения вычисляемых значений, значения настраиваемых параметров алгоритмов защит).


Определение предаварийной и аварийной ситуации 
и автоматическое выполнение защитных действий по предотвращению аварий технологического оборудования

Подсистема ПАЗ установки УКЛ-7 имеет три класса защиты. Информация о срабатывании защит поступает на щит управления ГТТ-3 в виде световой и звуковой сигнализации, а также передается на АРМ-оператора установки УКЛ-7. 

Технологические защиты первого класса автоматически полностью останавливают агрегат производства азотной кислоты совместно с газотурбинной установкой ГТТ-3М.

Технологические защиты второго класса останавливают только технологическую часть агрегата производства кислоты. При этом сохраняются условия для продолжения работы газотурбинной установки ГТТ-3М. 

Технологические защиты третьего класса не оказывают воздействия на нормальную работу агрегата в целом, а непосредственно связаны с одним параметром.


Выдача сигналов для формирования звуковой и световой сигнализации

Подсистема ПАЗ формирует сигналы для световой и звуковой сигнализации. Световые и звуковые сигналы формируются как дискретные сигналы в виде замыкания сухих контактов.

В автоматическом режиме подсистема защит (ПАЗ) позволяет оператору управлять запорно-регулирующей арматурой с АРМ-оператора.

Данная функция предназначена для использования:
- в случае принятия оператором по параметрам, не анализируемым подсистемой ПАЗ, решения об аварийной остановке конкретного технологического оборудования;
- при проверке и наладке запорной и регулирующей арматуры. 

Режим работы «Ручной» устанавливается индивидуально для конкретной арматуры или клапана по команде с АРМ-оператора. 

Подсистема защит запрещает ручное управление (с АРМ-оператора) запорной арматурой и отсечными клапанами, которые должны срабатывать по команде «Авария». Переключение управления запорной арматурой и отсечными клапанами в режим «Ручной» разрешается только в случае квитирования оператором команды «Авария».

Функционирование подсистем защит в режиме «Наладочный»

Режим «Наладочный» является вспомогательным и используется во время проведения регламентных работ при неработающем технологическом оборудовании. Данный режим предназначен для изменения базового программного обеспечения в контроллере, отладки новой технологической программы подсистемы управления, диагностики технических и программных средств. 


Сохранность информации

Подсистемы управления и защит сохраняют информацию о настроечных параметрах при перебоях питания и отключении контроллера. База данных регистрируемых технологических параметров, изменений режимов работы, срабатываний защит, внешних управляющих воздействий оператора хранится на уровне АРМ-оператора. Перебои питания не приводят к потере информации, хранимой контроллером.


 Диагностика

Технические средства подсистем управления и защит имеют развитую систему диагностики.

В контроллере МФК3000 диагностика и самодиагностика технических и программных средств (модулей УСО, модулей ЦП, статуса резервирования) осуществляется на уровне базового программного обеспечения в фоновом режиме. Отказ технических или программных средств контроллера приводит к индикации состояния на панели контроллера, а также к формированию информации об отказе в SCADA-систему.

При обнаружении недостоверного входного сигнала системное ПО контроллера формирует сообщение для отображения на мнемосхеме АРМ и информирования оператора о неисправности. 

ПО системы управления не допускает самопроизвольного формирования команд на включение или выключение исполнительных устройств при любых неисправностях и сбоях ПО. 

Переключение отказавших модулей контроллера на резервные осуществляется автоматически, безударно и не приводит к остановке технологического агрегата.


Количественные и качественные характеристики

Программное обеспечение контроллерного уровня подсистем управления и защит обеспечивает следующие показатели:
- цикл опроса и обработки аналоговых параметров – не более 0,5 сек; 
- цикл опроса и обработки сигналов по температуре – не более 1,0 сек; 
- цикл опроса дискретных параметров – не более 0,2 сек.

За счет высокой надежности технических и программных средств, использованных при создании всех подсистем, достигаются следующие показатели:
- среднее время безотказной работы не ниже 100 000 часов;
- среднее время восстановления не более 0,2 часа.


АРМ-оператора

Управление технологическим оборудованием установки УКЛ-7 осуществляется с АРМ-оператора. Программное обеспечение системы АСУТП позволяет оператору отслеживать процессы, происходящие в технологическом оборудовании, а также оказывать управляющие воздействия с использованием мнемо­схем. Для отслеживания значений параметров, измеряемых датчиками, положения запорно-регулирующей арматуры, а также для непосредственного управления объектом оператору достаточно выбрать соответствующую этому объекту мнемосхему.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(23)_2009

А. М. Прокопьев, главный специалист ОПСР ДМС, 
В.В. Скороходов, начальник ОПСР ДМС,
ЗАО ПК «Промконтроллер», г. Москва,
 О.Л. Останин, инженер по АМПП цеха автоматизации, механизации и систем,
ЗАО «ЗМУ КЧХК», г. Кирово-Чепецк, 
тел.: (495) 730-41-12
e-mail: marketing@tecon.ru