Автоматизация технологических процессов книга

ВВЕДЕНИЕ

В последние 10-15 лет на предприятиях нефтяной и газовой промышленности происходят значительные изменения. О том, что технологические процессы в нефтегазовой отрасли не могут быть реализованы без автоматизации, известно всем и давно. Действительно, нужно измерять, контролировать основные технологиче­ ские параметры процессов, следить за их отклонениями. Нужно иметь возможность дистанционно (из диспет­

черского пункта) включать и отключать	отдельные
агрегаты, открывать и закрывать задвижки;	обеспечи­

вать режимы работы установок путём поддержания наибо­ лее важных параметров на заранее рассчитанных зна­ чениях.

Реализация этих и многих других функций систем ав­ томатизации значительно видоизменилась в результате бурного внедрения в промышленности микропроцессоров, персональных компьютеров и прикладного программного обеспечения.

Удешевление микропроцессорных устройств и расшире­ ние их функций сделало возможным построение так назы­ ваемых «интеллектуальных датчиков», которые вычисляют значения косвенных параметров на основе прямых измере­ ний по запрограммированным формулам, показывают зна­ чения измеряемых параметров на жидкокристаллических индикаторах, преобразуют измеряемый параметр в стан­ дартный унифицированный сигнал для его передачи по каналам связи. Появились новые средства измерительной техники, такие как ультразвуковые, электромагнитные и кориолисовы расходомеры, радарные и ультразвуковые уровнемеры и т.п.

Существенным этапом в развитии систем автоматизации стало появление программируемых логических контролле­ ров. И если назначение первых ПЛК сводилось, в основ-

н

ном, к реализации функций «включить-отключить» на ос­ нове логических выражений, то в дальнейшем в П Л К поя­ вились модули автоматического регулирования, реализую­ щие стандартные законы регулирования. С учётом расши­ ряющихся возможностей программирования современных ПЛК и так называемых «управляющих процессов» стало возможным создание сложных многоконтурных систем управления, теория которых была известна давно, но тех­ ническая реализация не вызывала энтузиазма из-за отсут­ ствия технических средств.

Естественно, при появлении новой техники возникли трудности с её освоением. Нужно было суметь «запро­ граммировать» ПЛК в соответствии с разработанными ал­ горитмами. Решение было найдено в разработке специаль­ ных методов программирования, понятных широкой массе специалистов по автоматизации.

При всём многообразии новых технических средств автоматизации оператор по добыче нефти и газа наиболее тесно взаимодействует с современными пультами (панеля­ ми, станциями) управления, на мониторах которых отображаются мнемосхемы технологических процессов с указанием значений наиболее важных технологических па­ раметров и сопровождением системами сигнализации, бло­ кировок и защит. Создают такие экранные формы с помощью специальных программ пакетов операторского интерфейса. Каждый такой пакет состоит из двух частей: среды разработки, с помощью которой специалисты по автоматизации создают систему управления, и среды ис­ полнения, в которой работает оператор по добыче нефти и газа. Оператор имеет возможность вмешиваться в ход тех­ нологического процесса в рамках своей ответственности в соответствии с действующими регламентами и инструк­ циями.

Предлагаемое читателю учебное пособие подготовлено

врамках образовательной программы «Развитие инно­

вационных профессиональных компетенций в новой

среде	обучения - виртуальной среде профессиональной
деятельности»,		реализуемой	в	РГУ нефти	и газа им.
И.М.	Губкина	и имеет цель	-	познакомить	специалиста

по разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений с современным оборудованием систем

12

контроля и управления, которым уже оснащены многие технологические установки и комплексы нефтегазовой отрасли.

В первой части пособия рассмотрены базовые понятия систем контроля и управления технологическими процес­ сами: методы и приборы для измерения температуры, дав­ ления расхода и уровня. Из многочисленных современных приборов для измерения параметров качества подготовки нефти и природного газа по причине ограниченного объё­ ма пособия приведены только поточные влагомеры. Здесь же приведены схемы подключения датчиков к П Л К и све­ дения о барьерах безопасности. В первых двух главах рас­ смотрены проблемы появления погрешностей измерений и приведены сведения о методах обработки результатов из­ мерений.

Существенной проблемой при поддержании основных параметров технологического процесса на заданных значе­ ниях является правильный выбор параметров настройки автоматических регуляторов. Для того чтобы объяснить важность этой проблемы в пособие включены несколько тем теории автоматического регулирования. Приведены сведения по техническим характеристикам и методика рас­ чёта исполнительных устройств.

Вторая часть пособия начинается со знакомства с прин­ ципом действия и основными техническими характеристи­ ками ПЛК. Рассмотрены ПЛК, применяемые в системах управления технологическими процессами нефтегазовой отрасли, различных фирм. Даётся представление о совре­ менных автоматизированных системах управления техно­ логическими процессами (АСУТП), реализованных в виде SCADA-систем и DCS-систем. Приведены сведения о про­ граммных пакетах SCADA-систем.

Рассмотрены функциональные схемы автоматизации ос­ новных технологических объектов добычи и подготовки нефти от скважин до узлов учёта нефти, а также функцио­ нальные схемы автоматизации основных блоков процессов абсорбционной осушки газа и низкотемпературной сепа­ рации.

В заключительных главах приведены примеры комплек­ сов технических средств АСУТП основных цехов и устано­ вок нефтегазовой отрасли.

13

Авторы отдают себе отчет в том, что для достижения цели, поставленной в упомянутой ранее инновационной образовательной программе, изучение изложенного в учеб­ ном пособии материала должно сопровождаться лабора­ торными работами и практическими занятиями для зна­ комства с устройством современных средств автоматизации методами программирования ПЛК и пакетами оператор­ ского интерфейса.

Часть 1

Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И Е И З М Е Р Е Н И Я И А В Т О М А Т И Ч Е С К О Е Р Е Г У Л И Р О В А Н И Е

В П Р О Ц Е С С А Х Д О Б Ы Ч И И П О Д Г О Т О В К И Н Е Ф Т И И ГАЗ А

Глава 1 П О Г Р Е Ш Н О С Т И И З М Е Р Е Н И Й

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерение - процесс получения опытным путём численного соотношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу измерения.

Результат измерения - именованное число, найденное путем

измерения физической величины.
Погрешность измерения	- отклонение	результата	измерения
от истинного значения измеряемой величины.
Точность измерения -	степень близости	результата	измерения
к истинному значению измеряемой величины.

Средство измерений - техническое средство, используемое в измерительном процессе и имеющее нормированные метроло­ гические характеристики.

Метрология - учение о мерах, наука о методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения требуе­ мой точности.

Законодательная метрология - раздел метрологии, вклю­ чающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждаю­ щиеся в регламентации со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств изме­ рения.

Контроль - процесс установления соответствия между состоя­ нием объекта контроля или его свойством и заданной нормой.

15

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроиз­ ведения физической величины заданного размера.

Измерительный преобразователь - средство измерений, пред­ назначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор - средство измерений, предназ­ наченное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюда­ телем.

Измерительная информационная система - совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измеритель­ ных преобразователей и пр.) и вспомогательных устройств, со­ единенных между собой каналами связи и предназначенных для получения измерительной информации, доступной для наблюде­ ния, обработки и управления объектами.

При анализе значений, полученных при измерениях, следует разграничивать два понятия: истинные значения физических ве­ личин и их опытные проявления - результаты измерений.

Истинные значения физических величин - значения, идеаль­ ным образом отражающие свойства данного объекта, как в коли­ чественном, так и в качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания и являются абсолютной истиной.

Результаты измерений представляют собой приближённые оценки истинных значений величин, найденных опытным путем. Результаты измерений зависят от метода измерения, от техниче­ ских средств измерения и от восприятия наблюдателя, осуществ­ ляющего измерения.

Разность А между результатами измерения X' и истинным значением А измеряемой величины называется погрешностью измерения:

при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием ус­ ловий проведения измерений.

Описанные причины возникновения погрешностей определя­ ются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения. Их можно объединить в две основные группы:

1.Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в процессе измерительного эксперимента, например плавные изме­ нения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер. Составляющие суммарной погреш­ ности, определяемые действием факторов этой группы, называ­ ются систематическими погрешностями измерения. Их отличи­ тельная особенность в том, что они остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. До тех пор, пока систематические погрешности больше случайных, их зачастую можно вычислить или исклю­ чить из результатов измерений надлежащей постановкой опыта.

2.Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью, которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, переко­ сы элементов приборов в их направляющих, нерегулярные изме­ нения моментов трения в опорах, малые флуктуации влияющих величин, изменения внимания операторов и др.

Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения (1.1), определяемая действием факторов этой группы, называется

случайной погрешностью измерения. Её основная особенность в том, что она случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.

При организации процесса измерения в целом интенсивность проявления большинства факторов данной группы удаётся све­ сти к общему уровню, так что все они влияют более или менее одинаково на формирование случайной погрешности. Однако некоторые из них, например внезапное падение напряжения в сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие за границы, обусловленные ходом эксперимента в целом. Такие по­ грешности в составе случайной погрешности называются грубы­ ми. К ним тесно примыкают промахи - погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчётом показаний или ошиб­ ками при записи результатов.

Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения:

• систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях;

17

• случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы:

19