В работе рассматривается автоматизированный стенд для научных исследований, разработанный на основе ПЛК ADAM-5510EWK/TP. Материал статьи может быть полезен для решения задач управления в АСУ ТП на цеховом уровне.
Выбор стратегии управления химико-технологическими процессами (ХТП) зависит от большого числа факторов. Поэтому необходимо оценивать каждый ХТП и его отдельные операции с точки зрения их устойчивости к внешним воздействиям, которые могут существенно влиять на качество и количество выпускаемой продукции. В химической промышленности производятся сотни различных продуктов, причём для каждого используется своё оборудование. По сравнению с другими отраслями в химической промышленности мало идентичных ХТП, несмотря на то что такие процессы, как, например, экстракция, абсорбция, ректификация и другие, являются общими для многих ХТП.
Часто измерение ключевых параметров бывает весьма трудным и даже невозможным делом. Сложность химико-технологических и особенно гидрометаллургических процессов как объектов регулирования обусловлена инерционностью массообменных и тепловых аппаратов, нелинейностью статических характеристик, наличием больших значений времени запаздывания. Кроме того, во многих случаях механизм массопередачи и гидродинамические закономерности в аппаратах не поддаются адекватному математическому описанию, которое необходимо для построения надёжных систем управления. Несмотря на многочисленные исследования в области теоретических основ химической технологии, ещё не разработана единая теория, позволяющая проводить достоверные инженерные расчёты как массообмена, так и гидродинамики гетерогенных систем. Поэтому приходится вначале проводить экспериментальные исследования на специально созданных пилотных установках, а затем на основании опытных данных строить математическую модель процесса и отрабатывать систему его автоматического управления. Однако такой подход, как правило, экономически не выгоден.
Проблему можно решить с наименьшими материальными и временныˆ́ми затратами, если у технологов и разработчиков АСУ ТП имеется в распоряжении установка, оснащённая многоцелевыми аппаратами и современными средствами контроля и автоматизации, позволяющими измерять основные технологические параметры и отлаживать схемы автоматического управления процессом в целом. Представленная работа посвящена именно такому решению описанной проблемы, реализуемому на основе специально разработанного автоматизированного научно-исследовательского стенда (АНИС).
Разработка новых химических технологий, как правило, начинается с изучения равновесных зависимостей и кинетики процесса. На этом этапе исследований трудно осуществить непрерывный процесс, а без него нельзя получить достоверную информацию о режимных параметрах, которые являются основополагающими для промышленных процессов. АНИС позволяет устранить эту проблему благодаря возможности проводить эксперименты в непрерывном режиме на реальных физико-химических системах.
Располагая опытом по разработке автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных [1], в 1988 году на базе информационно-вычислительного комплекса ИВК-3 в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья (ИХТРЭМС) им. И.В. Тананаева (рис. 1) Кольского научного центра РАН коллектив специалистов создал автоматизированную систему управления гидрометаллургическими процессами. Затем в 2006 году при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований перешли к разработке АНИС.
Успешное решение поставленной задачи стало возможным благодаря появлению на российском рынке высокоточных измерительных преобразователей и соответствующих технических средств создания локальных сетей. Базой для создания АНИС служила пилотная экстракционная установка [2]. К сожалению, кризис 2008 года не позволил в полной мере реализовать планы, однако удалось сохранить материальную часть установки, благодаря чему работа продолжается.
В состав исследовательского стенда входят следующие приборы и оборудование:
Все колонные аппараты изготовлены из стеклянных царг, что даёт возможность визуально наблюдать за процессом, происходящим внутри аппарата. Поскольку аппараты многофункциональны, появляется возможность создавать новые технологические схемы, в которых одновременно используются различные массообменные процессы. При этом отпадает необходимость в изготовлении новых аппаратов.
Три колонны оснащены электромеханическими виброприводами, одна – гидравлическим приводом. С помощью этих устройств подводится дополнительная энергия в аппараты с целью интенсификации процесса массопередачи. На рис. 3 показан автоматизированный гидравлический вибропривод, представляющий собой генератор низкочастотных колебаний.
В его состав входит активный элемент – гидроцилиндр, который является высокопотенциальным устройством. Это означает, что при небольших габаритах он может функционировать как на небольших аппаратах, так и на крупнотоннажных. Благодаря этому гидравлический вибропривод становится унифицированным звеном, способным без конструктивных изменений применяться на промышленных аппаратах различного масштаба.
Автоматизированный стенд создан с целью получения исходных данных для проектирования химических производств и разработки АСУ ТП на цеховом уровне. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Необходимость проведения научных исследований по гидродинамике и массообмену на автоматизированном стенде обусловлена тем, что такие параметры, как поверхность контакта фаз, диаметр капель в системах жидкость–
жидкость, коэффициенты обратного перемешивания и массоотдачи, предельно допустимые нагрузки и ряд других, нельзя определить ни расчётным путём, ни в лабораторных условиях. При наличии действующих технологических аппаратов, программного обеспечения (ПО), технических средств контроля и регулирования можно не только достаточно быстро определить величину перечисленных параметров, но и отладить АСУ ТП для вновь создаваемого химического производства.
При разработке АНИС за основу была принята трёхуровневая структура (рис. 4).
Первый уровень состоит из следующих датчиков, приборов, исполнительных механизмов и другого оборудования:
Второй уровень предназначен для сбора и обработки данных, выдачи сигналов управления и связи с первым и третьим уровнями. Основой второго уровня является ПЛК ADAM-5510EWK/TP с набором многоканальных модулей ввода-вывода серии ADAM-5000, осуществляющих связь с устройствами и датчиками первого уровня. В состав ПЛК входят модули шести различных типов:
Третий уровень, представляющий собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора (рис. 7), включает в свой состав:
При разработке ПО решались две задачи:
Первая задача была успешно решена за счёт использования SCADA-системы Trace Mode версии 6.02. Для решения второй задачи необходимо было не только адаптировать старые пакеты программ, которые управляли гидроприводом и устройством измерения межфазной поверхности, но и внести некоторые изменения в конструкцию этих объектов. В конечном итоге вторая задача была также успешно решена.
Теперь ПО, кроме SCADA-системы, включает следующие программные блоки:
Такая структура ПО позволила разработать гибкую систему обмена данными между вторым и третьим уровнями и создать удобный пользовательский интерфейс.
Система АНИС продолжает совершенствоваться, однако уже сегодня она позволяет проводить эксперименты и получать информацию в реальном времени. При этом исследователь может наблюдать за ходом массообмена или за гидродинамической обстановкой в наиболее важных точках технологической цепочки по анимационным картинкам, на которых видно, как работают насосы, подаётся сырьё в аппарат или движутся взаимодействующие потоки. На рис. 8 показана мнемосхема технологического модуля, состоящего из трёх колонных аппаратов, на которых контролируются 23 наиболее интересных с исследовательской точки зрения параметра.
Если аппараты включаются в работу, в них начинают перемещаться «потоки», что создаёт для экспериментатора благоприятные условия наблюдения за объектом. Любой аппарат или его часть можно выделить в виде мнемосхемы в более крупном масштабе. За динамикой каждого контролируемого параметра можно наблюдать в реальном времени на графике. Для этого оператору достаточно указать мышью тот значок на мнемосхеме, на котором отражается интересующая его физическая величина. Вся оцифрованная информация о ходе процесса помещается в архив в виде таблично-временны́х массивов. Благодаря этому можно графически сопоставлять результаты ранее проведённых экспериментов с текущими результатами.
На рис. 9 сопоставлены графики экспериментов, проведённых на реакторе при исследовании процесса аммонизации.
Эксперименты ставились в разных условиях и в разное время, но каждый из них первоначально был зафиксирован на мониторе АРМ в реальном времени, то есть в период прохождения эксперимента, и сохранён в архиве. Оптимальными оказались условия, при которых получен график с минимальным временем достижения максимальной температуры.
Используя возможности автоматизированного стенда, в течение последних трёх лет на базе АНИС были проведены исследования экстракционного процесса получения циркония из эвдиалитового концентрата. Затем был изучен процесс твердофазной аммонизации солей алюминия с целью получения катализаторов. На основании экспериментальных исследований подготовлены исходные данные для проектирования промышленных аппаратов. В обоих процессах приходилось использовать физико-химические системы жидкость–жидкость, газ–жидкость и газ– твёрдое. Для каждой из них необходимы аппараты с определённой спецификой. АНИС в полной мере справился с этой задачей, имея на вооружении всего 4 аппарата и сравнительно недорогие средства контроля и управления. Следует отметить, что и аппараты, и автоматика оказались надёжными блоками экспериментального стенда.
Анализируя результаты проведённых исследований, можно сделать следующие выводы:
E-mail: aleks.solovjev-2013@yandex.ru
Экономика профилактики: использование Интернета вещей для планирования профилактического обслуживания оборудования
Машины, а точнее, сложные высокотехнологичные установки – станки или другое технологическое оборудование для любой промышленной отрасли представляют собой ценные активы, которые необходимо защищать от повреждений, неисправностей и отказов с помощью надлежащих мер по техническому обслуживанию. В этой статье будет рассмотрен один из примеров создания системы, автоматически контролирующей состояние и время работы машин с последующей отправкой уведомлений о графике профилактического технического обслуживания (ПТО). 23.04.2024 СТА №2/2024 416 0 0Блок управления для исполнительных устройств в оптическом тракте лазерной системы
В статье представлен блок управления для исполнительных устройств в оптическом тракте лазерной системы. Приведены решения на аппаратном и программном уровнях, обоснован выбор средств автоматизации. 23.04.2024 СТА №2/2024 326 0 0Построение цифрового двойника склада металлопроката с использованием искусственной нейронной сети
Изложены методика и результаты эксперимента по применению искусственной нейронной сети для отслеживания перемещений продукции металлопроката на территории цеха. Приведены преимущества такого способа организации цифрового двойника склада. 23.04.2024 СТА №2/2024 289 0 0Горячее резервирование с MasterSCADA 4D и ПЛК Regul R500 на примере АСУ ТП для авиатопливных комплексов
В статье представлено решение для автоматизированного контроля и управления технологическими объектами склада одного из технологических лидеров российской авиатопливной отрасли. Система построена на базе ПЛК REGUL500 с поддержкой горячего резервирования центральных процессоров и программной платформе MasterSCADA 4D с поддержкой резервирования серверов, работы рантайм на операционной системе Astra Linux и синхронизацией данных на программном уровне. Эти составляющие, а также опыт сертифицированного интегратора ООО «ЛИТЭК», позволили создать отказоустойчивую систему управления повышенной надёжности в полном соответствии с современными требованиями стратегии цифровой трансформации. 23.04.2024 СТА №2/2024 425 0 0