XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологических процессов и производственных цепочек представляет собой один из важнейших аспектов, существенно влияющих на эффективность технологического цикла. Благодаря внедрению автоматизации можно значительно увеличить продуктивность всего производства, а также создать более комфортные условия труда для работников. В настоящее время практически каждое новое техническое сооружение и проектируемый объект оснащаются автоматизационными средствами.

Основная цель автоматизации заключается в повышении производительности и эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, а также в устранении человека от работы в потенциально опасных для здоровья условиях.

Современные технологии предоставляют широкий спектр возможностей для автоматизации любых производственных процессов. Однако уровень автоматизации в разных отраслях экономики варьируется в зависимости от экономической целесообразности.

Таким образом, автоматизация становится необходимой на тех участках производства, за которыми невозможно следить вручную, особенно если присутствие человека на таких участках сопряжено с риском для здоровья. В частности, автоматизация процесса получения чистого сероводорода на блоке очистки технологического конденсата в установке производства элементарной серы имеет важное значение.

На производстве может быть реализовано множество систем управления, среди которых выделяется локальная система управления (ЛСУ). ЛСУ предназначена для управления и оптимизации технологических процессов на уровне отдельных участков производства. Она обеспечивает мониторинг и регулирование рабочих параметров в почти реальном времени, что позволяет быстро реагировать на изменения в процессе. Кроме того, ЛСУ может интегрироваться с другими системами управления, создавая более сложные распределенные системы для оптимального управления производственными процессами.

Проведение точного и обоснованного расчета позволяет заранее выявить возможные уязвимости в системе и определять наиболее эффективные методы их устранения. Это особенно актуально для сложных систем, состоящих из множества компонентов и имеющих обширные внутренние и внешние связи [1].

1Расчет основных показателей надежности

Расчет основных показателей надежности играет ключевую роль в обеспечении безупречной работы оборудования и систем. Эти показатели позволяют оценивать устойчивость и долговечность изделия в различных условиях эксплуатации. Наиболее важные параметры, которые используются для анализа надежности, включают среднее время наработки на отказ (MTBF), среднее время восстановления (MTTR) и коэффициент завершенности (Availability).

Среднее время наработки на отказ (MTBF) — это показатель, который отражает среднее время, в течение которого оборудование функционирует без сбоев. Он вычисляется как отношение общего времени работы к числу отказов. Формула выглядит следующим образом:

MTBF = T / N

где T — общее время работы, N — число отказов.

Среднее время восстановления (MTTR) представляет собой среднее время, необходимое для восстановления системы после отказа. Этот показатель также рассчитывается, основываясь на временных затратах на ремонт и восстановление, и его формула, следующая:

MTTR = R / N

где R — общее время ремонта, N — число отказов.

Коэффициент завершенности (Availability) показывает, насколько оборудование доступно для использования в любой момент времени. Он выражается в процентах и рассчитывается по следующей формуле:

Availability = MTBF / (MTBF + MTTR)

Высокие значения всех этих показателей свидетельствуют о надежности оборудования и его способности эффективно выполнять поставленные задачи. Регулярный анализ и расчет основных показателей надежности позволяют предприятиям минимизировать затраты на обслуживание, повысить производительность и улучшить качество выпускаемой продукции.

Кроме основных показателей надежности, существует ряд дополнительных параметров, которые также важны для комплексного анализа работы оборудования. К ним относятся показатели отказов, сроки окупаемости, а также индикаторы качества обслуживания.

Показатели отказов дают представление о вероятности возникновения проблем в системе. Один из распространенных показателей — это частота отказов, которая выражается числом отказов на единицу времени. Формула для расчета выглядит так:

Лямбда = N / T

где Н — количество отказов, T — общее время работы.

Срок окупаемости — это период времени, необходимый для того, чтобы инвестиции в оборудование или систему окупились за счет экономии, получаемой вследствие уменьшения затрат на обслуживание или повышения производительности. Расчет срока окупаемости позволяет организациям принимать обоснованные решения о приобретении новых технологий или обновлении существующего оборудования.

Качество обслуживания также является важным аспектом надежности. Индикаторы, такие как процент случаев успешного завершения ремонта в срок, уровень удовлетворенности пользователей, а также количество обращений за технической поддержкой, могут оказывать значительное влияние на общую производительность системы.

Эффективный расчет и анализ этих показателей помогают не только улучшить надежность оборудования, но и обеспечить высокую степень удовлетворенности клиентов. Информированные решения позволяют организациям оптимизировать процессы, минимизировать время простоя и затраты на техническое обслуживание. Это, в свою очередь, создает конкурентные преимущества и способствует долгосрочному успеху бизнеса.

2Описание технологического процесса

Общее описание технологического процесса переработки хвостовых газов установки производства элементарной серы

В данном технологическом процессе применяется способ регенерации насыщенного раствора метилдииэтаноламина (МДЭА) при помощи абсорбционного поглощения удаляемого газа и последующей регенерации насыщенного абсорбента путем его нагрева теплообменом с регенерированным абсорбентом при одновременной десорбции [2].

В абсорбер 323-Т002 поступает на очистку от сероводорода охлажденный технологический газ температурой 40°С в количестве 3000 м³/ч. Его очистка от сероводорода осуществляется 45% водным раствором МДЭА в абсорбере 323-Т002. Технологический газ поступает в абсорбер 323-Т002 под нижнюю 13-ю тарелку.

Насосом 323-P003A/P регенерированный раствор из сборника регенерированного раствора 323-V001 подается в аппарат воздушного охлаждения 323-А002.

Температура регенерированного раствора МДЭА 25°С на выходе из аппарата воздушного охлаждения 323-A002 регулируется путем изменения числа оборотов электродвигателя вентилятора частотным преобразователем.

После прохождения АВО 323-А002 регенерированный раствор МДЭА подается на орошение в абсорбер 323-Т002 на первую тарелку в объеме 1500 л/ч (поз. FT301) (рис. 1).

Рисунок 1 - Автоматическая система регулирования расхода раствора МДЭА

После очистки от сероводорода технологический газ с верха абсорбера 323-Т002 поступает в печь дожига 322-Н001.

С верха десорбера 323-Т003 в аппарат воздушного охлаждения 323-А003 поступает парогазовая смесь, её температура регулируется путем изменения числа оборотов электродвигателя вентилятора частотным преобразователем, при этом в линию подачи предусмотрено введение ингибитора коррозии.

Из аппарата воздушного охлаждения 323-А003 газожидкостная смесь поступает в сепаратор кислых газов 323-V002, там происходит отделение сконденсированной влаги от кислого газа. На выходе из сепаратора 323-V002 давление кислого газа 0,15–0,25 Мпа регулируется двумя клапанами, установленными на трубопроводе подачи кислого газа в линию кислого газа блока утилизации сероводородсодержащего газа и на линии сброса кислого газа (газа рецикла) от сепаратора кислых газов 323-V002 на факел.

Регенерированный раствор МДЭА из куба десорбера 323-Т003 поступает в теплообменники 323-Е001А/В, где он охлаждается до 70°С, отдавая тепло насыщенному раствору МДЭА. После чего регенерированный раствор попадает в сборник 323-V001.

Поскольку окисленный МДЭА имеет склонность к образованию полимеров, а это в свою очередь способствует засорению и вспениванию системы, для избегания потерь амина за счет окисления его кислородом воздуха в сборник 323-V001 подается азот для создания «азотной подушки» над раствором МДЭА.

Для избегания потерь амина за счет окисления его кислородом воздуха в сборник 323-V005 предусмотрена подача азота для создания «азотной подушки» над раствором МДЭА.

Перейдем к изучению автоматизированной системы управления блока переработки хвостовых газов установки производства элементарной серы.

В классической автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП) выделяют несколько уровней, каждый из которых выполняет определенные функции.

Первый уровень — это уровень сенсорного контроля, где размещаются датчики и измерительные приборы. Они собирают данные о текущих параметрах процесса, таких как температура, давление или уровень жидкости.

Второй уровень — это уровень управления, включающий в себя реле и программируемые логические контроллеры (ПЛК). На этом уровне производится обработка данных, полученных от датчиков, и выработка команд для исполнительных механизмов.

Третий уровень — уровень управления производством, где осуществляется более сложная обработка информации. Это может включать в себя системы SCADA или другие системы мониторинга, которые обеспечивают операторов необходимыми данными для принятия решений.

Структура исследуемой системы представлена ниже (рис. 1).

Рисунок 2 - Структурная схема АСУ блока переработки хвостовых газов

Система построена по классическому принципу и включает следующие уровни:

− нижний – уровень контрольно-измерительных приборов (КИП) и управляющих устройств.

− верхний – уровень информационно-вычислительного комплекса (ИВК).

Также, в дальнейших расчетах следует учесть аппаратную, которая обеспечивает бесперебойную подачу электропитания на нижний уровень.

3Описание расчёта надежности системы

Надежность современной АСУ в значительной мере определяется

надежностью составляющих ее компонентов, и в настоящее время границы сложности вычислительных комплексов и систем зависят в основном от достижимого уровня надежности составляющих и технических средств [3].

Логическая схема для расчета надежности представлена ниже (рис. 3).

Рисунок 3 - Логическая схема расчета надежности АСУ. А – датчики давления; В – датчики температуры; C – датчики расхода; D – сеть ModbusRTU; E – ПЛК; F – управляющее реле; G – сеть ModbusTCP; H – сервер SCADA-системы; I – АРМ оператора.

Расчет показателей надежности

Для расчета надежности системы необходимо определить параметры надежности отдельных элементов системы. Для этого воспользуемся официальной документации поставщиков на данное оборудование [4,5,6]. Отобразим информацию в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры интенсивности отказов элементов АСКУ ЭР

Элемент АСУ	Интенсивность отказов
Датчики давления
Датчики температуры
Датчики расхода
Сеть Modbus RTU
ПЛК
Управляющее реле

Продолжение таблицы 1

Элемент АСУ	Интенсивность отказов
Сеть Modbus TCP
Сервер SCADA-системы
АРМ оператора

При этом, примем следующие допущения при построении математической модели надежности системы:

1. элементы АСУ прошли период приработки;

2. справедлив экспоненциальный закон распределения;

3. отказы элементов независимы.

Согласно приведенной схеме, вероятность безотказной работы системы будет выражаться формулой:

Определим интенсивность отказов данной системы по формуле и построим график с помощью программного пакета Matlab (рис. 4,5).

Рисунок 4 - Программный код для построения переходного процесса интенсивности отказов

Рисунок 5 - График интенсивности отказов АСУ

Как видно, переходный процесс интенсивности отказов к 6000 часам наработки переходит в установившейся значение, равное примерно 5*10^-5, что соответствует не менее 20000 часам средней наработки на отказ.

Повышение надежности системы

Исследуем существующие способы повышения надежности автоматизированных систем управления:

1. Резервные решения (резервирование). Внедряются дополнительные компоненты и системы, чтобы обеспечить бесперебойную работу системы даже в случае отказа основных элементов.

2. Мониторинг и обнаружение сбоев. Создаются системы мониторинга, которые постоянно проверяют работу системы и могут автоматически выявлять сбои или неисправности.

3. Создание резервных копий данных. Проводится регулярное создание резервных копий для восстановления данных в случае сбоя или утраты информации.

4. Обновление оборудования – еще один ключевой метод повышения надежности автоматизированных систем управления. Для успешной замены устаревшего оборудования на новое важно учитывать совместимость с существующими системами и наличие квалифицированной технической поддержки и документации.

5. Обучение и поддержка пользователей. Сотрудникам предоставляется необходимое обучение и помощь по использованию системы, чтобы минимизировать вероятность ошибок и проблем, связанных с неправильной эксплуатацией.

Займемся повышением надежности нашей автоматизированной системы управления блока переработки хвостовых газов, воспользовавшись методом резервирования, наиболее распространённым в сфере автоматизации.

В качестве резервируемых элементов обозначим ПЛК и SCADA – сервер, как наиболее уязвимые компоненты. Таким образом, новая логическая схема надежности примет следующий вид (рис. 6).

Рисунок 6 - Логическая схема расчета надежности АСУ с резервированием компонентов. А – датчики давления; В – датчики температуры; C – датчики расхода; D – сеть ModbusRTU; E – ПЛК; F – резервируемый ПЛК; G - управляющее реле; H – сеть ModbusTCP; I – сервер SCADA-системы; J – резервируемый сервер SCADA-системы; K – АРМ оператора.

Согласно новой схеме, вероятность безотказной работы системы будет выражаться формулой:

Внесем изменения в код программы для построения необходимого графика по формуле безотказной работы, описанной выше (рис. 6).

Рисунок 7 – Обновленный программный код для построения переходного процесса интенсивности отказов

Переменные с индексом «2» являются характеристиками системой с резервируемыми компонентами. Запустив программу, получим следующие графики (рис. 8).

Рисунок 8 - Графики интенсивности отказов АСУ с резервируемым оборудованием

Таким образом, производя резервирования оборудования мы получили ощутимый выигрыш по надежности системы, который подтверждается расчетными данными и полученными графиками безотказной работы системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование надежности автоматизированной системы управления блоком переработки хвостовых газов установки элементарной серы является ключевым этапом, который обеспечивает эффективность и надежность функционирования всего предприятия. При анализе и оценке технических и программных решений, а также основных компонентов системы, рассматриваются не только требования к надежности, но и потенциальные риски и их последствия. Точная и корректная оценка на этапе проектирования помогает минимизировать вероятность сбоев и снизить эксплуатационные риски. В итоге, создание надежной автоматизированной системы управления способствует повышению эффективности работы, улучшению удобства использования и оптимизации промышленных процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марусин А.Е. Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами // Материалы XIV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». URL: https://scienceforum.ru/2022/article/2018028991 (дата обращения: 16.12.2024).

2. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2016.

3. Багаутдинов И. З. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ // Теория и практика современной науки. 2017. №4 (22). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-nadezhnosti (дата обращения: 18.12.2024).

4. Каталог продукции МЕТРАН. [Электронный ресурс]. URL: https://metran.ru/catalog/pressure/?ysclid=m4wo1tb2an471144531 (дата обращения 18.12.2024).

5. Прямые поставки Siemens. [Электронный ресурс]. URL: https://siemensruss.com//?utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=92928813&utm_content=14803622699&utm_term=---autotargeting&yclid=16237698779281620991 (дата обращения 18.12.2024).

6. SCADA система MasterSCADA [Электронный ресурс]. URL: https://insat.ru/products/?category=9&etext=2202.PKB8fWApNAXf0K5HqsQH2Z5ocgaK8vNxjyTzm-fNzkc4DLbIYkbnqPxhE85_n1JdYWRlbWxteXVka2NzbWN6ZA.5fd350dc43744f2b57b104c5adc1738402b67789&yclid=4496976394638327807 (дата обращения 18.12.2024).

Код для цитирования: Скопировать