Проектирование микропроцессорной системы управления насосным агрегатом

2. Постановка задачи

2.1 Характеристика комплекса задач

Объектом управления является нефтяной насосный агрегат ДНС.

Система управления нефтяным насосным агрегатом создается для решения следующих задач:

• 
  обеспечение функционирования объектов с участием минимума персонала;
  
• 
  уменьшение количества аварийных ситуаций;
  
• 
  уменьшение случаев выхода из строя оборудования;
  
• 
  уменьшение влияния "человеческого фактора".
  

Полное наименование системы - "Система управления насосным агрегатом".

2.2 Функции системы управления

Система управления должна выполнять следующие функции:

• 
  сбор данных о состоянии оборудования;
  
• 
  автоматический останов насосного агрегата в случае выхода параметров за пределы;
  
• 
  управления запорным клапаном на выкиде насоса;
  
• 
  запуск насоса по заданной программе;
  
• 
  передача данных о состоянии оборудования на диспетчерский пункт.
  

3. Проектирование системы управления насосным агрегатом

3.1 Структура системы управления

Система управления включает:

• 
  средства КИП;
  
• 
  МПС;
  
• 
  преобразователь RS 232 в Ethernet.
  

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы управления

КИП предназначены для получения информации о состоянии оборудования.

МПС предназначена для сбора информации с датчиков, управления оборудованием и организации обмена данными с верхним уровнем.
Преобразователь предназначен для осуществления обмена между устройством с интерфейсом RS-232 (в данном случаем МПС) и диспетчерским пунктом через сеть Ethernet.

3.2 Технические средства автоматизации

Схема автоматизации насосного агрегата представлена в приложении А.

Для выбора средства измерения избыточного давления будет произведен сравнительный анализ нескольких датчиков различных фирм. Характеристики представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Датчики давления

Характеристика	Rosemount 2088 (ДИ)	Метран-100 (ДИ)	WIKA S-10
Назначение	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара.	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара	Измерение избыточного давления жидких сред, газа, пара
Диапазон измеряемого давления:	10,34 - 27579,2 кПа	0 - 100МПа	0 - 100МПа
Температура окружающей среды	-40 - 85°С	-40 - 70°С	-20 - 80
Характеристика	Rosemount 2088 (ДИ)	Метран-100 (ДИ)	WIKA S-10
Температура измеряемой среды	-40 - 121°С	Не более 120°С	-30 - 100
Предел допустимой погрешности	0.25%	0.15%	0.25%
Межповерочный интервал	1 года	3 года	2 года
Выходной сигнал	4 - 20 мА	4 - 20 мА	4 - 20 мА
Гарантийный срок	1 год	3 года	1,5 года

Больше всего, по совокупности характеристик подходит датчик избыточного давления Метран - 100. При сходных параметрах, он имеет самую низкую погрешность. К тому же интервал поверки этого прибора больше, чем у представленных аналогов, что позволит снизить затраты на его обслуживание.

Рисунок 3.1 - Датчик давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

• 
  избыточного давления (Метран-100-ДИ);
  
• 
  абсолютного давления (Метран-100-ДА);
  
• 
  разрежения (Метран-100-ДВ);
  
• 
  давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);
  
• 
  разности давлений (Метран-100-ДД);
  
• 
  гидростатического давления (Метран-100-ДГ).
  

Конфигурирование датчика:

• 
  кнопочное со встроенной панели;
  
• 
  с помощью HART-коммуникатора;
  
• 
  с помощью программы HART-Master и компьютера. Доступ к параметрам датчика через ОРС-сервер.
  

Прибор оборудован встроенным фильтр радиопомех, внешней кнопкой установки "нуля". Так же имеется функция непрерывной самодиагностики.
Измеряемые среды: жидкости (в т. ч. нефтепродукты), пар, газ, в т. ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.
Диапазоны измеряемых давлений:
минимальный 0-0,04 кПа;
максимальный 0-100 МПа.
Диапазон перенастроек пределов измерений до 25: 1
Наличие исполнений:
взрывозащищенное (Ех, Вн);
кислородное.
Внесены в Госреестр средств измерений, сертификат №11320.
Для сигнализации уровня утечек используется сигнализатор предельного уровня Pointek CLS 200.
Pointek CLS 200 - это универсальный, емкостный сигнализатор с высокой химической стойкостью. Он идеально подходит для регистрации уровня разделительных слоев, сыпучих вещеcтв, жидкостей, взвесей и пены, а также для простого управления насосами.
Преимущества
литая конструкция защищает сигнальный контур от ударов, вибрации, влаги и/или конденсата;
высокая химическая стойкость;
регистрация уровня независимо от близости стенки танка/трубы;
сигнализатор с высокой/низкой чувствительностью покрывает широкий спектр приложений/материалов;
аналоговая версия: 3 СИД для индикации и контроля установок, состояния переключения и напряжения;
цифровая версия: встроенная индикация ЖКД и коммуникация PROFIBUS PA;
имеются стержневые, кабельные зонды и гигиеническая конструкция;
простая установка и ТО;
высокая частота (5,5 МГц).
Pointek CLS 200 поставляется в аналоговой и цифровой версиях.
Аналоговая версия имеет 3 СИД с простыми релейными или транзисторными функциями тревоги.
Цифровая версия имеет встроенную ЖКД-индикацию для использования в качестве автономного устройства и при необходимости с коммуникацией PROFIBUS PA (версия профиля 3.0, Class B).
Гальванически разделенное электропитание подходит для широкого диапазона напряжения (AC/DC 12 до 250 V для аналоговой версии и DC 9 до 32 V для цифровой версии). Зонд из нерж. стали и PPS (PVDF как опция) выдерживает температуры до 125°C на соприкасающейся с продуктом части. Сигнализатор реагирует на материалы с диэлектрической постоянной от 1,5 или больше, регистрируя изменения несущей частоты. Он может быть настроен таким образом, чтобы определение происходило еще до касания или при касании. CLS 200 работает независимо от материала стенки танка или трубы. Для него не нужно внешнего опорного электрода для регистрации уровня в непроводящих резервуарах из бетона или пластика.
Благодаря модульной конструкции имеется множество различных конфигураций, включая стержневые, кабельные и гигиенические версии. При использовании защитной гильзы SensGuard обеспечивается защита CLS 200 от износа и ударов в тяжелых процессах.
Для получения дискретных данных о превышении или снижении заданных параметров давления были выбраны манометры электроконтактные ДМ-2005, так как они просты в исполнении и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками [7].
Данный прибор является показывающим сигнализирующим манометром, предназначенным для измерения избыточного и вакуумметрического давления жидкостей, паров, газов и управления внешними электрическими цепями в схемах автоматизации и блокировки трубопровода. Основные характеристики датчика ДМ-2005 приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Характеристики датчика ДМ-2005

Диапазон показаний, кг/см^2	От 0 до 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160; 250; 400; 600; 1000; 1600
Сила коммутируемого тока, А	до 1
Частота переменного тока, Гц	50±1
Предел допустимой основной погрешности срабатывания сигнализирующего устройства, %	2,5-4 диапазона показаний
Диапазон измерения избыточного давления, %	0-75 диапазона показаний вакуумметрического давления и равен диапазону показаний
Параметры сигнализирующего устройства: Напряжение внешних коммутирующих цепей	24; 27; 36; 40; 140; 220; 380 В - для цепей переменного тока; 24; 27; 36; 40; ПО; 220 В - для цепей постоянного тока;
Предел допускаемой основной погрешности, %	0,1
Потребляемая мощность контактов, ВА	10-30 постоянного 20-50 переменного тока
Средний срок службы датчика	12 лет

Для обоснования выбора датчика температуры, необходимо провести сравнительный анализ различных моделей. Удобнее всего сделать это при помощи таблицы.

Таблица 3.2 - Датчики температур

Технические характеристики	ТСМ Метран-253 (50М)	ТСМУ Метран-274 (50М)	Метран-200Т	ТС-200
Измеряемая среда	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Сыпучие вещества, газообразные, жидкие среды	Газообразные, жидкие сыпучие среды
Диапазон измеряемых температур	-50 - 150С	-5 - 180С	-50 - 100С	-50 - 200С
Предел допустимой основной погрешности	0,1%	0,25%	0,15%	Не указана
Степень защиты от пыли и воды	IP65 по ГОСТ14254	IP65 по ГОСТ14254	Не указана	Не указана
Взрыво-защищенность	1ExdllCT6X	1ExdllCT6X	Exiallc по ГОСТ 227825	Не указана
Температура окружающей среды	-45 - 60С	-45 - 60С	Не указана	Не указана
Выходной сигнал	сопротивление	4 - 20мА	сопротивление	сопротивление
Гарантийный срок службы	18 месяцев	18 месяцев	Не указан	Не указан
Срок службы	Не менее 8 лет [1]	Не менее 8 лет [1]	Не указан [1]	Не менее 10 лет [3]

Наиболее важными критериями при выборе датчика температуры, в нашем случае, является: диапазон измеряемых температур, взрывозащищенность и характеристика измеряемой среды. Исходя из вышеперечисленных критериев выбираем датчик ТСМУ Метран-274 (50М). К тому же он имеет унифицированный выходной сигнал, что дает возможность отказаться от использования преобразователя.

ТСМУ Метран-274 предназначены для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.
Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения систем управления без применения дополнительных нормирующих преобразователей.
Термопреобразователи ТCМУ Метран-274-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом по ГОСТ 12.1.011. Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP65.
В качестве сигнализатора загазованности были выбран сигнализатор СТМ-30, которые предназначен для непрерывного автоматического контроля взрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей и паров.
СТМ-30 применяется в процессе добычи, переработки и транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов. СТМ-30 состоит из блока питания и сигнализации БПС, датчика и блока обмена информацией БОИ, обслуживающего от 1 до 16 БПС.
В основу принципа действия сигнализатора положен термохимический метод, основанный на измерении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика, дальнейшем преобразовании полученного сигнала и выдачи сигнала о достижении предельной концентрации [10].
Сигнализатор СТМ-30 имеет следующие особенности исполнения: взрывобезопасное исполнение датчиков; световая сигнализация при достижении пороговых концентраций или неисправности датчика; наличие "сухих" контактов реле для подключения исполнительных устройств; наличие выходного унифицированного сигнала 4-20 мА; встроенный или выносной датчик; наличие цифровой индикации.
Основные характеристики сигнализатора представлены в таблице 3.3

Таблица 3.3 - Характеристики сигнализатора СТМ-30

Выходной сигнал, мА	4-20
Напряжение питания, В	220
Диапазон измерений, % НПВ (нижний предел взрываемости)	0.50
Диапазон показаний, % НПВ	0.100
Основная абсолютная погрешность, % НПВ	±5
Время срабатывания сигнализации, сек	Не более 7
Резервное питание, В	24
Потребляемая мощность, ВА	Не более 10
Время работы без калибровки, месяц	6

Для измерения вибрации используется датчик вибрации TROLEX TX5634.

Особенности датчика TROLEX:

• 
  выходной сигнал 4-20 мА для контроля частоты вибрации;
  
• 
  контроль ускорения или скорости вибрации;
  
• 
  программирование функций и уставок сигнализации при применении программируемых контроллеров TX9137 или TX9042;
  
• 
  устанавливается на генераторах, насосах, коробках передач, компрессорах, турбинах и двигателях, механизмах с вращающимися частями;
  
• 
  искробезопасное исполнение.
  

Перечень сигналов представлен в приложении Б.