XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение:

Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека. Наряду с термином автоматический, используется понятие автоматизированный, подчеркивающий относительно большую степень участия человека в процессе.

Автоматизируются:

· производственные процессы;

· проектирование;

· организация, планирование и управление;

· научные исследования.

· бизнес-процессы

Цель автоматизации -- повышение производительности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от производств, опасных для здоровья, повышение надежности и точности производства, увеличение конвертируемости и уменьшение времени обработки данных.

Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:

· система автоматического управления (САУ);

· система автоматизации проектных работ (САПР);

· автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Автоматизация обладает рядом преимуществ и недостатков в сравнении с предыдущим этапом технического развития.

К основным преимуществам можно отнести:

· Замена человека в задачах, включающих тяжелый физический или монотонный труд.

· Замена человека при выполнении задач в опасных условиях (а именно: пожар, космос, извержения вулканов, ядерные объекты, под водой и т.д.)

· Выполнение задач, которые выходят за рамки человеческих возможностей по весу, скорости, выносливости и т.д.

· Экономика улучшения. Автоматизация может вносить улучшения в экономику предприятия, общества или большей части человечества.

Основными недостатками автоматизации являются:

· Рост уровня безработицы из-за высвобождения людей в результате замены их труда машинным.

· Технические ограничения.

· Угрозы безопасности / Уязвимость.

· Непредсказуемые затраты на разработку.

· Высокая начальная стоимость.

Автоматизация. Основные понятия и определения

Автоматика – прикладная наука, охватывающая теорию и практику построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека.

Автоматизация – комплекс технических, методических, организационных и других мероприятий, позволяющих вести управление тем или иным объектом автоматически, т. е. без непосредственного участия человека.

Системы управления — это системы, управляющие большим количеством аппаратов или всем технологическим процессом. Они имеют в своем составе управляющую вычислительную машину (компьютер) и позволяют компенсировать не только возмущающие воздействия, но и влияние управляющих воздействий 

АСУ ТП — это автоматизированная система, объединяющая административно-управленческий персонал предприятия, вычислительное и организационное оборудование.

Технологический процесс (ТП) – это совокупность технологических операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах, целью которых является получение продукта, обладающего заданными свойствами.

Параметры технологического процесса - физические величины, определяющие ход технологического процесса.

Управление - это процесс формирования и реализации управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.

Объект управления (объект регулирования, ОУ) – это аппарат, система аппаратов, машина или другое устройство, в котором одна или несколько химико-технологических величин, характеризующих его состояние поддерживается на заданном уровне или изменяется по определенному закону специально организованными управляющими воздействиями извне.

Автоматизация обладает рядом преимуществ и недостатков в сравнении с предыдущим этапом технического развития.

К основным преимуществам можно отнести:

· Замена человека в задачах, включающих тяжелый физический или монотонный труд.

· Замена человека при выполнении задач в опасных условиях (а именно: пожар, космос, извержения вулканов, ядерные объекты, под водой и т. д.)

· Выполнение задач, которые выходят за рамки человеческих возможностей по весу, скорости, выносливости и т. д.

· Экономика улучшения. Автоматизация может вносить улучшения в экономику предприятия, общества или большей части человечества.

Основными недостатками автоматизации являются:

· Рост уровня безработицы из-за высвобождения людей в результате замены их труда машинным.

· Технические ограничения.

· Угрозы безопасности / Уязвимость.

· Непредсказуемые затраты на разработку.

· Высокая начальная стоимость.

1.1 Основные виды систем автоматизации, их функции и задачи.

Автоматизацией производственного процесса (АПП) называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические операции осуществляются автоматически с помощью специальных технических устройств без непосредственного участия человека.

АПП предполагает контроль за производственным процессом, его регулирование и управление им, а также сигнализацию об отклонениях от номинальных режимов, блокировку и защиту процесса от аварийных режимов.

Контроль — это установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные формы его состояния. В САК объект контроля ОК находится под воздействием ряда влияющих величин ВВ, которые вызывают отклонение выходной величины Хвых от заданного значения. Оператор О постоянно контролирует состояние объекта, получая информацию о нем с помощью датчика Д и вторичного прибора ВП, и при необходимости осуществляет управление им в ручном режиме.

Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:

· система автоматического управления (САУ);

· система автоматизации проектных работ (САПР);

· автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Автоматизацией производственного процесса (АПП) называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические операции осуществляются автоматически с помощью специальных технических устройств без непосредственного участия человека. АПП предполагает контроль за производственным процессом, его регулирование и управление им, а также сигнализацию об отклонениях от номинальных режимов, блокировку и защиту процесса от аварийных режимов (рис. 1.1). Контроль — это установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные формы его состояния. В САК (рис. 1.2, а) объект контроля ОК находится под воздействием ряда влияющих величин ВВ, которые вызывают отклонение выходной величины Хвых от заданного значения. Оператор О постоянно контролирует состояние объекта, получая информацию о нем с помощью датчика Д и вторичного прибора ВП, и при необходимости осуществляет управление им в ручном режиме.

Регулирование — это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта регулирования ОР или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта. В системах автоматического регулирования (САР) этот процесс происходит автоматически с помощью специального устройства, которое называется автоматическим регулятором АР

Рисунок 1.1- функциональные схемы САК, САР, САУ

Управление — это осуществление совокупности выбранных воздействий, из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Микропроцессорный контроллер МПК (рис. 1.2, в) осуществляет автоматическое управление, анализируя всю доступную информацию Y1 — Yn об объекте управления ОУ и выбирая из множества возможных регулирующих воздействий Z1 — Zn то, которое соответствует запрограммированному в него критерию управления.

Сигнализация — это какое-либо извещение обслуживающего

персонала (звуковое, световое) о состоянии технологического объекта, т. е. о достижении определенных значений контролируемых параметров (чаще всего максимальных или минимальных). Например, для сигнализации уровня жидкости в емкости используются две сигнальные лампочки, которые загораются, если уровень достигает нижнего или верхнего предельного значения.

Аварийная защита — система защиты контролируемого процесса от нежелательного развития событий, которое может привести к аварии. Например, на резервуарах обязательно устанавливаются сигнализаторы уровня, настроенные на один или два предельных значения уровня: только верхний аварийный или верхний предупредительный и верхний аварийный. При срабатывании сигнализатора автоматически закрывается приемная задвижка, и поступление жидкости в резервуар прекращается.

Блокировка — предотвращение технологически недопустимых

действий оперативного персонала, обеспечение заданной последовательности отключения основного и вспомогательного технологического оборудования, технологической взаимозависимости отдельных механизмов и аппаратов. Например, пуск насоса разрешен только при работающей маслосистеме, подающей масло к подшипникам насосного агрегата. Поэтому, если маслосистема не включилась, происходит блокировка пусковой кнопки.

Автоматизация нефтяных скважин и процессов переработки нефти.

Автоматизация нефтяных скважин – это целый комплекс технических средств, обеспечивающих безопасную и бесперебойную работу оборудования в процессе бурения и последующей эксплуатации горных выработок.

Основными задачами, которые должна решать автоматизация процессов добычи нефти на нефтяных промыслах, являются:

обеспечение автоматической защиты оборудования в случае возникновения аварийных ситуаций;

обеспечение контроля за технологическим режимом;

контроль за состоянием используемого оборудования.

Вне зависимости от применяемый технологий нефтедобычи, скважина должна быть оборудована средствами, обеспечивающими местный контроль давления в выкидной линии, расположенными в затрудненном пространстве.

На нефтяных промыслах и зависимости от пластового давления и принятой технологической схемы сбора нефти и нефтяного газа добыча нефти из скважин ведется фонтанным или газлифтным спо­собом, либо с помощью скважинных насосов (штанговых или электропогружных). При всех способах добычи оборудование, установ­ленное на скважине, работает без постоянного участия оперативно­го обслуживающего персонала. Задача автоматизации заключается в автоматической защите оборудования в аварийных случаях и обеспечение средствами контроля.

Независимо от способов добычи скважины оснащают средствами местного контроля давления на буфере или на выкидной линии и при необходимости в затрудненном пространстве. Для измерения дав­ления применяют манометры типа ВЭ-16РБ.

Автоматизация фонтанной скважины. Схемой осна­щения устья фонтанной скважины средствами автоматики (рис. 18.2) предусмотрено автоматическое перекрытие выкидной линии отсека-телем 3 при превышении давления на 0,5 МПа, что может быть следствием образования парафиновой пробки и внезапного пони­жения давления до 0,15 МПа, что возможно при порыве трубопро­вода. Схемой также предусмотрена установка манометров 1 и 2 соответственно для местного кон­троля буферного и затрубного дав­лений.

Рисунок 2.1 – Схема оснащения устья фонтанной скважины средствами автоматики.

Автоматизация скважин фонтанного типа подразумевает обеспечение автоматического перекрытия выкидной линии при помощи отсекателя, если значение давления повышается на 0,5 мегаПаскаля (к примеру, в случае появления парафиновой пробки), а также в случае внезапного снижения давления до 0,15 мегаПаскаля (к примеру, в случае порыва трубопровода).

Автоматизация скважи­ны, оборудованной погружным электронасосом. Схе­ма автоматизации нефтяной сква­жины, оборудованной погружным электронасосом (рис. 18.3), пре­дусматривает установку станции управления 2 типа ПГХ 5071 или ПГХ 5072, электроконтактного ма­нометра 4 типа ВЭ-16РБ и отсекателя 1. Эта схема обеспечивает автоматическое отключение элект­родвигателя погружного насоса (ЭПН) при аварийных случаях, пуск и остановку по команде с групповой установки и индивидуаль­ный самозапуск при перерывах подачи электроэнергии. Кроме того, обеспечивается защита выкидного коллектора при временном фонтанировании. Предусмотрены автоматическое отключение работаю­щей установки при коротких замыканиях и значительных перегруз­ках электродвигателя (Iср≥1,4 Iном), защита с выдержкой времени около 2 мин при перегрузке двигателя по току (Icp≥1,2 Iном), ми­нимальная защита путем отключения установки при снижении тока нагрузки ниже 0,85 от силы рабочего тока электродвигателя (при срыве подачи). Обеспечивается непрерывный контроль изоляции для установок в комплекте с повышающим трансформатором при снижении сопротивления изоляции «кабель— погружной электродви­гатель» ниже 30 кОм. С помощью разгруженного отсекателя типа РОМ-1 обеспечивается перекрытие выкидного коллектора при повы­шении и резком снижении давления (вследствие порыва трубопро­вода). Для очистки выкидных линий от парафина резиновыми ша­рами предусмотрена ловушка 3.

Рисунок 2.2-Схема автоматизации нефтяной скважины, оборудованной погружным электронасосом.

Автоматизация скважины, которая оборудована погружным насосом с электроприводом, должна обеспечивать:

автоматическое отключение электрического двигателя этого насоса в случае возникновения аварийной ситуации;

запуск и остановку двигателя по команде, подаваемой с групповой установки;

запуск и остановку электродвигателя в случае перерывов электроподачи;

самозапуск после возобновления подачи электричества;

перекрывание выкидного коллектора в случаях повышения и резкого падения давления.

Автоматизация скважины, оборудованной штан­говым насосом. Схема автоматизации нефтяной скважины, обо­рудованной станком-качалкой типа СКН, показана на рис. 18.4. Схемой предусмотрено оснащение установки блоком управления 1 типа БУС-2, инерционным магнитным выключателем 2 типа ИМВ-1М, электроконтактным манометром 3 типа ВЭ-1 6РБ и манометром 4 для контроля затрубного давления.

Рисунок 2.3– Схема автоматизации нефтяной скважины, оборудованной станком-качалкой типа СКН

Все традиционные технологические процессы на предприятиях нефтегазовой промышленности подразделяются на три направления:

· Автоматика процесса добычи нефти и газа.

· Автоматика переработки нефтегазового сырья.

· Автоматика транспортировки нефти и газа к покупателю.

Все эти три направления характеризуются тем, что требуют использования больших энергетических затрат. Чтобы сэкономить, приходится использовать новейшие энергосберегающие технологии, а это требует строго контроля и четкого управления хозяйством. Только автоматизированная система управления в данном случае может справиться на все 100% с данной задачей.

Благодаря ей, работа объекта превращает его в эффективное и конкурентоспособное предприятие, выпускающее высококачественный продукт с минимальной себестоимостью и отвечающий мировым нормам экологической безопасности.

Все нефтегазовые предприятия вынуждены использовать в своей работе большие затраты электроэнергии. Если удается снизить эти затраты за счет внедрения только организационно- механических мероприятий, то тогда предприятие получает огромную экономию своих финансовых активов. Вот почему очень актуальной в настоящий момент является внедрение автоматизированной системы управления в предприятия по нефтегазодобыче, по переработке этого сырья и на предприятия нефтехимии. Она позволяет не только получить высококачественный продукт, снизить энергозатраты, но и получить экологически безопасное производство, повысить производительность труда и т. д.

АСУ ТП по добыче и переработке нефти и газа представляет из себя целый комплекс программного обеспечения, который дает возможность получать необходимую информацию о состоянии объекта в реальном времени, анализировать ее, отображать через графики и таблицы, заносить в архивные базы для будущего использования и т. д.

Нефтеперерабатывающий завод – это очень сложная со стороны технологического процесса структура. Только слаженная работа отдельных стадий переработки нефти дает возможность выполнить поставленную задачу по формированию конкурентоспособного предприятия. Только автоматизированная система управления предприятием может создать необходимую интегрированную деятельность хозяйствующего объекта. Работает она на базе последних разработок в области SCADA-программного обеспечения. Оно помогает существенно снизить финансовые затраты, которые идут на содержание обслуживающего персонала.

В автоматическом режиме система выполняет:

· Контроль и регулирование процессов нефтепереработки;

· Оповещение об отклонении от заданных технологических параметров;

· Дистанционное управление (пуск, остановка, другие команды);

· Диагностику оборудования и оповещение об обнаружении сбоев в его работе;

· Противоаварийную защиту оборудования, включая, аварийное отключение;

· Сбор, обработку и архивирование технологической информации, составление отчётов;

· Другие задачи в зависимости от требований Технического задания на разработку АСУ ТП.

Данные по технологическому процессу выводятся по сети Ethernet на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, оснащённое персональным компьютером. Для визуализации информации, поступающей оператору, в АСУ ТП применяются программно-технические средства, реализованных, на платформе, например, Factory Talk.

При необходимости основные функции управления процессом по переработке нефти могут выполняться в ручном режиме.

Структура и состав АСУ ТП в нефтепереработке

Типовая АСУ ТП может иметь трехуровневую структуру, которая включает в себя:

· нижний уровень: различные средства измерения (приборы, датчики) и исполнительные механизмы;

средний уровень: система управления на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые размещаются в шкафах управления;

верхний уровень: системы передачи информации и баз данных, АРМы.

В целях безопасности все оборудование системы управления, кроме силового, как правило, имеет источники бесперебойного питания.

При использовании АСУ ТП повышаются качество и удобство управления процессом нефтепереработки, обеспечивается требуемое качество производимых продуктов, сокращаются производственные издержки. Кроме того, снижаются технологические и экологические риски, в том числе, за счёт минимизации «человеческого фактора» в аварийных ситуациях.

К примеру, можно привести АСУ ТП установки переработки высокосернистой нефти (УПВСН) Акташского товарного парка.

Создание АСУ ТП УПВСН являлось ключевым этапом на пути достижения удвоенной производительности товарного парка нефти без увеличения численности обслуживающего персонала. Основные цели внедрения АСУ ТП на УПВСН Акташского товарного парка:

-получение в режиме реального времени информации о ходе технологических процессов;

-внедрение автоматизированных средств диагностирования и предупреждения возникновения аварийных ситуаций;

-контроль состояния исполнительных механизмов и вспомогательных агрегатов;

-замена ручного ведения документооборота автоматизированным;

-замена устаревших средств КИПиА на современные, повышающие надежность и точность измерений, обеспечивающие удобство в обслуживании, снижающие трудоемкость управления ТП.

Обоснование выбора управляющих функций системы управления функции регулирования.

На основе анализа выполняемых процессом атмосферной перегонки нефти функций, делаем вывод о необходимости автоматизации регулирования: процесса ректификации; охлаждения и конденсации сырья в воздушных конденсаторах холодильниках; температуры газопродуктовой смеси в верху колонны; уровней жидкой фазы в емкости и колонне; расхода бензина, подаваемого в колонну в качестве острого орошения; давления в емкости и колонне.

Проектом предусматривается регулирование температуры в верху колонны отбензиневания, температура контролируется датчиком 36-1, регулирование происходит в качестве воздействия на запорно-регулирующий клапан RN-2. С верха колонны пары бензина с температурой 150°С поступают в воздушные конденсаторы холодильники (ХВК), где пары конденсируются, охлаждаясь до температуры 45°С. Температура в ХВК контролируется и регулируется по датчикам 31-1, 32-1, 33-1, 34-1 на выходе каждого ХВК с коррекцией по температуре изменением частоты вращения вентиляторов – ЧРП1 – ЧРП8.

Давление в линии подачи бензина в колонну контролируется, регистрируется и регулируется прибором 59-1, с выходным воздействием на клапан RN-2. Давление вверху колонны (0,27МПа) контролируется датчиком 28-1 с сигнализацией максимального значения (0,3 МПа), с коррекцией по показаниям 29-1. Задвижка N-1 установлена на линии сброса газа на факел. При превышении давления происходит открытие задвижки и сброс газа.

Подача сырья в колонну контролируется датчиком 58-1 с выходным воздействием на регулирующий клапан RN-1.

Расход сырья, поступающего вверх колонны в качестве острого орошения, контролируется, регистрируется и регулируется прибором 5-1 с сигнализацией по максимальному и минимальному значениям, регулирующий клапан установлен на линии нагнетания насосов H-3/1, H-3/2.

Давление в емкости орошения контролируется, регистрируется датчиком 30-1 с сигнализацией по максимальному (0,28 МПа) и минимальному (0,22 МПа) давлению, регулирование происходит с выдачей выходного воздействия на регулирующий клапан RN-3, установленного на линии подачи сырья в емкость, на задвижку N-2, установленную на линии сброса газа на факел и на регулирующий клапан RN-5, установленный на линии выхода углеводородного газа с емкости.

Уровень раздела фаз в емкости контролируется, регистрируется и регулируется датчиком 23-1, с сигнализаций по максимальному и минимальному значениям. Выходное воздействие оказывается на задвижку N-3, установленную на линию сброса стоков. Сброс происходит при достижении максимального значения. Уровень бензина в емкости контролируется, регистрируется и регулируется по датчику 27-1, с сигнализацией по максимальному и минимальному значениям. Регулирование происходит воздействием на регулирующий клапан RN-4, установленный на линии вывода бензина с установки.

Заключение:

В данной работе были освещены основные виды систем автоматизации, их функции и задачи; автоматизация нефтяных скважин и процессов переработки нефти; характеристики современных средств автоматизации; принципы проектирования современных АСУ ТП и структура и состав АСУ ТП в нефтепереработке, а также обоснован выбор управляющих функций системы управления и функции регулирования.

Дан обзор процессов измерения и регулирования (управления) технологических параметров, рассмотрены программно-технические средства автоматизации и вопросы проектирования систем автоматизации.

Выявлены особенности современных производств как объектов автоматизации, на этапах развития автоматизации, а также дан анализ функций АСУ ТП и её подсистем.

Описаны понятия «автоматизация», «системы управления», «автоматизированные системы управления технологическим процессом» и выявлены положительные и отрицательные стороны автоматизации.

Список литературы

Системы автоматизации в нефтяной промышленности: учебное пособие / [Прахова М. Ю. и др.] ; под общ. ред. М. Ю. Праховой.– Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019.– 304 с. : ил., табл.

Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. – M.: Инфра-Инженерия, 2008. – 928 с.

А. С. Клюев «Проектирование систем автоматизации технологических процессов»: Справочное пособие – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464 с.

 Капустин, Н. М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учеб. для втузов / Под ред. Н. М. Капустина. -- М.: Высшая школа, 2004. -- 415 с.

Тынчеров К.Т., Грюнова М.В. Автоматизация производственных процессов и автоматика [Текст]: Учебно-метод. пособие к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства на лабораторном стенде НТЦ-09.12.1- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. - 115 с.

Иголкин, А. Русская нефть, о которой мы так мало знаем/ Иголкин А., Горжалцан Ю. Издательство: «Олимп-Бизнес», 2003. 184 с.

Брагинский, О. Б. Нефтегазовый комплекс мира/ Брагинский О. Б. – М: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006. 640 с

Брагинский, О. Б. Нефтегазовый комплекс мира/ Брагинский О. Б. – М: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006. 640 с

Андреев, Е.Б. Технические средства систем управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности: учебное пособие / Е.Б. Андреев, В.Е. Попадько. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им И.М. Губкина, 2005. - 270 с.

Тынчеров, К.Т. Автоматизация производственных процессов в бурении: учебное пособие / К.Т. Тынчеров, М.В. Горюнова. - Уфа: Изд-воУГНТУ,2013.-200с.

Код для цитирования: Скопировать