Структура дипломной работы по автоматизации технологического процесса смешения компонентов топлива

В условиях постоянно ужесточающихся требований к качеству моторного топлива и строгих экологических норм, нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) сталкиваются с необходимостью кардинальной модернизации производственных процессов. Ручные и полуавтоматические методы смешения компонентов, доминировавшие в прошлом, уже не способны обеспечить требуемую точность, стабильность и экономическую эффективность. Внедрение современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) становится не просто конкурентным преимуществом, а ключевым условием выживания на рынке.

Данная работа представляет собой пошаговую структуру для разработки дипломного проекта по автоматизации технологического процесса смешения компонентов топлива на примере автоматической станции смешения бензинов ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».

Основной целью проекта является разработка современной, надежной и эффективной системы автоматического управления, которая позволит оптимизировать процесс и гарантировать высокое качество конечного продукта. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Провести детальный анализ существующего технологического процесса и выявить его недостатки.
• Обосновать концепцию модернизации системы управления.
• Выполнить идентификацию объектов управления и рассчитать параметры настройки регуляторов.
• Выбрать комплекс необходимых средств автоматизации.
• Провести расчет надежности и метрологической точности проектируемой системы.
• Оценить технико-экономический эффект от внедрения проекта.

Глава 1. Как устроен и работает объект автоматизации

Объектом исследования является автоматическая станция смешения бензинов (АССБ) на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Несмотря на то, что ручные методы смешения давно вытеснены, существующая автоматизированная система обладает потенциалом для дальнейшего усовершенствования с целью повышения точности и гибкости производства.

Типовой технологический процесс на станции можно разбить на несколько ключевых этапов:

1. Подготовка сырья: Компоненты с различными свойствами (например, с высоким октановым числом, регуляторы давления паров) поступают в расходные емкости.
2. Дозирование компонентов: Насосы подают компоненты из емкостей в общий коллектор в строгом соответствии с заданной рецептурой. Это самый ответственный этап, от которого напрямую зависит качество финального продукта.
3. Смешивание: Потоки компонентов смешиваются в коллекторе, обеспечивая гомогенность смеси.
4. Контроль качества: Поточные анализаторы непрерывно измеряют ключевые параметры готового бензина.
5. Отгрузка: Готовый продукт, соответствующий всем нормам, направляется в товарные резервуары.

Для производства товарных бензинов используются различные компоненты, каждый из которых влияет на итоговые характеристики. Основными контролируемыми параметрами качества являются:

• Октановое число: ключевой показатель детонационной стойкости.
• Давление насыщенных паров (RVP): определяет испаряемость топлива.
• Содержание серы: строго регламентируется экологическими нормами.
• Фракционный состав: влияет на работу двигателя в разных режимах.

Анализ текущего состояния показывает, что основные «узкие» места — это недостаточная точность поддержания рецептуры при динамических изменениях процесса и задержки в получении данных от поточных анализаторов, что не позволяет оперативно корректировать состав смеси. Именно эти проблемы и призвана решить дальнейшая автоматизация.

Глава 2. Почему предложенная концепция автоматизации является оптимальной

На основе анализа, проведенного в предыдущей главе, можно сформулировать ключевые проблемы существующей системы: недостаточная точность дозирования, ведущая к перерасходу дорогих высокооктановых компонентов; задержки в получении данных о качестве продукта, не позволяющие оперативно реагировать на отклонения; и отсутствие полной интеграции с системами верхнего уровня (MES/ERP), что затрудняет сквозное планирование и учет.

Предлагаемая концепция модернизации направлена на решение именно этих задач. Главная идея — создание единой, высокоточной и надежной системы управления, которая позволит:

• Повысить стабильность качества готовой продукции за счет точного поддержания рецептуры в режиме реального времени.
• Минимизировать потери и снизить себестоимость за счет оптимизации расхода компонентов.
• Оптимизировать производственные затраты, сократив время операций смешения и эксплуатационные расходы.
• Обеспечить интеграцию с корпоративными системами планирования для комплексного управления производством.

Внедрение современной АСУ ТП — это переход от простого поддержания параметров к предиктивному и оптимизационному управлению процессом.

Ядром предлагаемой системы выбрана распределенная система управления DeltaV от компании Emerson. Этот выбор обусловлен тем, что DeltaV является комплексным решением, обеспечивающим высокую надежность, точность и широкие возможности для диспетчерского управления (SCADA) и интеграции. Она позволяет реализовать сложные алгоритмы управления и предоставляет удобные инструменты для конфигурирования, эксплуатации и диагностики, что полностью соответствует целям проекта.

Глава 3. Как мы определяем и описываем объекты управления

Прежде чем проектировать систему управления, необходимо формально описать сам технологический процесс на языке математики. Этот этап называется идентификацией объектов управления. «Объект управления» — это часть технологического процесса, параметрами которой мы хотим управлять (например, уровень жидкости в емкости или расход компонента в трубопроводе).

Проектирование систем автоматизации всегда предполагает глубокий анализ технологического процесса. В рамках нашего проекта мы выделяем два ключевых и взаимосвязанных контура регулирования:

1. Система автоматического регулирования (САР) уровня в расходной емкости.
   • Цель: Поддержание постоянного уровня компонента в емкости для обеспечения стабильного давления на входе в насос.
   • Входной параметр (управляющее воздействие): Степень открытия клапана на линии подачи компонента в емкость.
   • Выходной параметр (регулируемая величина): Текущий уровень жидкости в емкости.
   • Возмущающее воздействие: Изменение расхода компонента, забираемого насосом.
2. Система автоматического регулирования (САР) расхода компонента в коллектор.
   • Цель: Поддержание заданного по рецептуре расхода компонента.
   • Входной параметр (управляющее воздействие): Частота вращения электродвигателя насоса.
   • Выходной параметр (регулируемая величина): Текущий расход компонента, измеряемый расходомером.
   • Возмущающее воздействие: Колебания давления в общем коллекторе.

Эти два контура неразрывно связаны: САР расхода создает возмущение для САР уровня, а стабильная работа САР уровня является залогом точной работы САР расхода. Правильная идентификация этих объектов — фундамент для последующего расчета и настройки регуляторов.

Глава 4. Проектируем системы автоматического регулирования и рассчитываем их настройки

Сердцем любой системы автоматического регулирования является регулятор — устройство или программный алгоритм, который вычисляет управляющее воздействие для поддержания заданного параметра. В современной промышленности стандартом де-факто для решения большинства задач являются ПИД-регуляторы (пропорционально-интегрально-дифференциальные). Их задача — минимизировать отклонение текущего значения параметра от заданного, обеспечивая при этом устойчивость и высокое качество переходного процесса.

Расчет параметров настройки САР — это ключевая инженерная часть дипломной работы. Для этого необходимо иметь математическую модель объекта управления, полученную на предыдущем этапе. Существует множество методик расчета коэффициентов ПИД-регулятора, одной из классических является метод Циглера-Никольса. Он позволяет на основе экспериментальных данных о реакции объекта на ступенчатое воздействие определить оптимальные значения пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов.

Например, для САР расхода, который является достаточно быстрым процессом, расчет покажет необходимость в высоком значении пропорциональной составляющей для быстрой реакции и небольшой интегральной — для устранения статической ошибки. В то же время для САР уровня, более инерционного объекта, потребуется сглаженная реакция, чтобы избежать колебаний. Правильно рассчитанные коэффициенты гарантируют, что при изменении задания или возникновении возмущения система вернется к уставке максимально быстро и без недопустимых перерегулирований.

Хотя ПИД-регуляторы являются надежным и проверенным решением, стоит отметить, что для комплексной оптимизации всего процесса смешения могут применяться и более продвинутые подходы, такие как модели предсказательного управления (MPC), которые учитывают взаимовлияние всех параметров одновременно.

Глава 5. Какими средствами мы будем реализовывать проект

После того как «мозги» системы спроектированы, необходимо выбрать ее «органы чувств» (датчики) и «мышцы» (исполнительные механизмы). Подбор конкретного оборудования — ответственный этап, так как от его надежности и точности напрямую зависит работа всей системы. Требования к оборудованию в нефтепереработке чрезвычайно высоки.

На основе задач, определенных на предыдущих этапах, формируется полный перечень необходимых технических средств:

• Контроллеры: Основой системы являются программируемые логические контроллеры (ПЛК) из состава системы DeltaV. Они будут реализовывать алгоритмы ПИД-регулирования, логические блокировки и обмен данными.
• Датчики (средства измерений):
  • Расходомеры: Для точного дозирования компонентов выбраны кориолисовые расходомеры, обеспечивающие максимальную точность измерения массового расхода независимо от плотности и вязкости среды.
  • Уровнемеры: Для контроля уровня в емкостях используются радарные уровнемеры, бесконтактные и нечувствительные к изменению свойств продукта.
  • Анализаторы качества: Поточные анализаторы октанового числа и содержания серы для непрерывного контроля качества готового бензина.
• Регулирующие органы (исполнительные механизмы):
  • Регулирующие клапаны: Для управления потоками на линиях подачи компонентов в емкости.
  • Частотно-регулируемые приводы: Для управления производительностью дозировочных насосов.

Выбор системы DeltaV в качестве единой платформы является стратегическим решением. Она не только предоставляет надежные контроллеры, но и включает в себя интегрированную среду для разработки, SCADA-систему для визуализации и диспетчерского управления, а также инструменты для архивирования данных и диагностики. Это позволяет создать целостную, легко масштабируемую и обслуживаемую систему управления.

Глава 6. Как происходит настройка и конфигурирование системы управления в DeltaV

Теоретические расчеты и выбранное оборудование превращаются в работающую систему на этапе конфигурирования. Среда разработки DeltaV Control Studio представляет собой интуитивно понятный графический интерфейс, где логика управления собирается из готовых функциональных блоков, как в конструкторе. Это позволяет инженеру сосредоточиться на логике процесса, а не на написании сложного кода.

Процесс настройки для наших САР выглядит следующим образом:

1. Создание функциональных блоков: Для каждого контура регулирования (САР уровня и САР расхода) в среде создается своя схема. На нее из библиотеки перетаскиваются стандартные блоки: «Аналоговый вход» (для получения сигнала с датчика), «ПИД-регулятор» и «Аналоговый выход» (для отправки сигнала на исполнительный механизм).
2. Ввод расчетных параметров: В настройки блока «ПИД-регулятор» заносятся те самые пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты, которые были рассчитаны в Главе 4. Также задаются пределы управляющего воздействия и другие параметры.
3. Создание мнемосхемы оператора: Параллельно в среде DeltaV Live создается графический интерфейс (мнемосхема) для оператора. На ней в наглядном виде изображается технологическая установка: емкости, насосы, трубопроводы. К этим элементам привязываются реальные параметры из контроллера — текущие уровни, расходы, положения клапанов. Это обеспечивает эффективное диспетчерское управление и сбор данных (SCADA).

Таким образом, теоретические расчеты напрямую переносятся в конфигурацию контроллера, а оператор получает удобный и информативный инструмент для контроля за процессом смешения, что минимизирует вероятность ошибок и повышает общую эффективность управления.

Глава 7. Оцениваем надежность и точность спроектированной системы

Спроектировать систему — это лишь половина дела. Необходимо доказать, что она будет работать точно и надежно. Для этого в любом серьезном инженерном проекте выполняются метрологический расчет и расчет надежности.

Метрологическое обеспечение — это гарантия того, что система измеряет параметры с требуемой точностью. Для этого проводится расчет суммарной погрешности измерительного канала. Например, для контура измерения расхода компонента итоговая погрешность будет складываться из погрешностей самого расходомера, аналого-цифрового преобразователя в контроллере и линии связи. Расчет должен показать, что итоговая погрешность не превышает допустимых технологическим регламентом значений. Критическая важность правильной калибровки датчиков — основа точности всего процесса.

Расчет надежности, в свою очередь, оценивает, как долго система сможет работать без сбоев. Методика основывается на показателях интенсивности отказов каждого элемента системы: датчика, контроллера, исполнительного механизма (эти данные предоставляются производителями оборудования). Суммируя эти показатели, можно рассчитать ключевой параметр — среднее время наработки на отказ (MTBF) для каждой САР. Например, рассчитанное время наработки на отказ для САР расхода, составляющее десятки тысяч часов, подтверждает, что спроектированная система соответствует высоким требованиям к надежности, предъявляемым к непрерывным производствам.

Высокая точность обеспечивает экономию, а высокая надежность — безопасность и стабильность производства.

Успешное прохождение этих двух этапов является формальным доказательством технической состоятельности и жизнеспособности предложенного проекта.

Глава 8. Во что обойдется проект и какую выгоду он принесет

Финальный и решающий аргумент в пользу любого проекта модернизации — его экономическая целесообразность. Расчет технико-экономических показателей должен доказать, что инвестиции в автоматизацию окупятся и принесут прибыль. Оценка делится на две основные части: затраты и выгоды.

Капитальные затраты (CAPEX) включают в себя все единовременные расходы на реализацию проекта:

• Стоимость основного оборудования (контроллеры DeltaV, датчики, клапаны).
• Стоимость программного обеспечения.
• Затраты на строительно-монтажные и пусконаладочные работы.
• Расходы на проектирование и инжиниринг.

Эксплуатационные выгоды (OPEX savings) — это ежегодная экономия, которую принесет новая система после ввода в эксплуатацию. Основные источники экономии:

• Снижение потерь дорогих компонентов: За счет повышения точности поддержания рецептур сокращается перерасход высокооктановых и других дорогостоящих добавок, которые ранее дозировались с избытком «про запас». Это главный источник выгоды.
• Сокращение времени операций: Оптимизация процесса смешения позволяет быстрее производить партию продукта, увеличивая общую производительность установки.
• Снижение эксплуатационных расходов: Уменьшение затрат на обслуживание и ремонт за счет использования современного и надежного оборудования.

На основе этих данных рассчитываются ключевые показатели инвестиционной привлекательности проекта. Срок окупаемости (Payback Period) показывает, за какой период времени полученная экономия покроет первоначальные затраты. Чистая приведенная стоимость (NPV) демонстрирует общую прибыль от проекта за весь срок его службы с учетом стоимости денег во времени. Положительное значение NPV и срок окупаемости в пределах 2-3 лет однозначно свидетельствуют о высокой экономической эффективности предложенной автоматизации.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта была решена комплексная инженерная задача по модернизации системы управления процессом смешения топлив. На основе поставленных целей были достигнуты следующие результаты:

• Проведен детальный анализ технологического объекта на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» и выявлены ключевые недостатки существующей системы управления.
• Разработана и обоснована структура современной АСУ ТП на базе системы DeltaV.
• Выполнен расчет параметров настройки для ключевых контуров регулирования, обеспечивающий их стабильную и эффективную работу.
• Подобраны необходимые средства автоматизации, отвечающие высоким требован��ям по точности и надежности.
• Расчетами подтверждена техническая (метрологическая и надежностная) и экономическая состоятельность проекта.

Главный вывод заключается в том, что разработанный проект полностью решает поставленную задачу, обеспечивая повышение стабильности качества продукции, оптимизацию расхода компонентов и, как следствие, рост экономической эффективности производства.

В качестве перспективных направлений для дальнейшего развития системы можно рассматривать внедрение более сложных алгоритмов управления, таких как системы на базе машинного обучения для адаптивной коррекции рецептур, или использование виртуальных смешивающих установок для моделирования и оптимизации процесса в цифровой среде перед его физической реализацией.

Список использованной литературы

1. Технологический регламент установки АССБ 60-30 ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».
2. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник для техникумов/ В. А. Голубятников, В. В. Шувалов. -2-е изд., перераб. и доп. — М.; Химия, 1985.—352 с., ил.
3. Теория автоматического управления: Учебник для вузов/ В. Я. Ротач. -2-е изд., перераб. И доп. – М.: МЭИ, 2004.—400 с., ил.
4. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя/ В. П. Дьяконов – М.: СОЛОН–Пресс, 2003. — 576 с.
5. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие/ А. С. Клюев, А. Т. Лебедев, С. А. Клюев, А. Г. Товарнов; Под. ред. А. С. Клюева.-2-е изд., переработанное и доп.-М.:Энергоатомиздат, 1989.-368 с., ил.
6. 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, 1990.—464 с.
7. Эмерсон: URL — http://www.emerson.ru/