В современной химической промышленности эффективность и безопасность напрямую зависят от уровня автоматизации. Однако многие предприятия до сих пор эксплуатируют системы управления, разработанные десятилетия назад. Переход к более полной автоматизации часто тормозится несовершенством устаревших технологических процессов и недостаточной надежностью оборудования. В частности, в цехе №2508, где происходит дегидратация метилфенилкарбинола в стирол, используются средства автоматизации, которые не отвечают современным требованиям производительности и безопасности. Это создает существенные риски и ограничивает экономический потенциал производства.
Центральный тезис данной дипломной работы заключается в том, что целенаправленная модернизация автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) на примере этого цеха является не просто техническим обновлением, а экономически и технологически оправданным шагом. Такой проект позволяет повысить качество продукции, снизить энергопотребление и минимизировать человеческий фактор.
Для доказательства этого тезиса были поставлены следующие задачи:
- Провести комплексный анализ объекта автоматизации и выявить недостатки существующей системы.
- Разработать концептуальные решения по модернизации АСУ ТП.
- Спроектировать техническое и программное обеспечение системы.
- Выполнить математическое моделирование ключевого контура регулирования для подтверждения работоспособности проекта.
- Оценить надежность и безопасность предложенных решений.
- Рассчитать технико-экономическое обоснование проекта.
Обосновав актуальность проблемы, мы должны детально проанализировать текущее состояние объекта управления и выявить конкретные недостатки.
Глава 1. Комплексный анализ объекта автоматизации
Чтобы сформулировать обоснованные требования к модернизации, необходимо глубоко понимать как сам технологический процесс, так и существующую систему управления. Анализ объекта был разделен на две логические части: технологическую и аппаратно-программную.
В первую очередь был детально рассмотрен технологический процесс дегидратации метилфенилкарбинола в стирол. Это сложный физико-химический процесс, требующий строгого соблюдения множества параметров. Ключевыми переменными, которые необходимо непрерывно контролировать для обеспечения качества продукта и безопасности, являются:
- Температура в реакторах и сепараторах.
- Давление на различных участках установки.
- Расход сырья и реагентов.
- Уровень жидкости в аппаратах.
Далее был проведен аудит действующей системы автоматизации. Он показал, что в цехе используются устаревшие с точки зрения современных требований средства автоматизации. Основные «узкие места» системы включают:
- Физический и моральный износ оборудования: Использование устаревших приборов приводит к частым сбоям и низкой точности измерений.
- Отсутствие централизованного контроля: Оператор вынужден контролировать процесс по разрозненным локальным приборам, что увеличивает риск ошибок.
- Низкая надежность: Отсутствуют современные системы диагностики и резервирования, что создает угрозу аварийных остановок производства.
Анализ подтвердил, что существующая система не отвечает современным требованиям. Это создает прочный фундамент для разработки концепции новой, модернизированной системы.
Глава 2. Разработка концептуальных решений по модернизации АСУ ТП
На основе проведенного анализа были сформулированы ключевые цели модернизации. Это не просто замена старого оборудования на новое, а достижение конкретных производственных показателей.
Основные цели модернизации:
- Повышение энергоэффективности процесса за счет более точного регулирования.
- Улучшение качества и стабильности выхода конечной продукции.
- Снижение эксплуатационных расходов.
- Повышение уровня промышленной безопасности и надежности производства.
Для достижения этих целей была выбрана современная двухуровневая структура АСУ ТП. Нижний уровень реализуется на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК), а верхний — на основе SCADA-системы (диспетчерского контроля и сбора данных). Такая архитектура обеспечивает гибкость, надежность и масштабируемость.
Центральным документом на этом этапе стала разработка функциональной схемы автоматизации (FSA). Эта схема является графическим представлением всего проекта, наглядно показывая:
- Все точки контроля (датчики).
- Все контуры автоматического регулирования.
- Исполнительные механизмы (клапаны, насосы).
- Системы сигнализации и блокировок.
Именно на основе FSA в дальнейшем будет производиться выбор конкретного оборудования и разработка алгоритмов управления. После того как общая архитектура и функционал системы определены, необходимо детализировать выбор конкретных технических средств для ее реализации.
Глава 3. Проектирование технического и программного обеспечения системы
Этот этап преобразует концептуальные решения в конкретный перечень оборудования и программных алгоритмов. Подбор технических средств осуществлялся на основе функциональной схемы с учетом требований к точности, надежности и условиям эксплуатации.
В качестве «мозга» системы был выбран программируемый логический контроллер (ПЛК) Siemens S7-1200. Выбор обоснован его высокой надежностью, производительностью и широкими коммуникационными возможностями. Такие контроллеры часто применяются для автоматизации подобных технологических установок, например, электродегидраторов в нефтепереработке.
Помимо контроллера, были подобраны:
- Современные датчики температуры, давления и расхода для обеспечения точных измерений.
- Исполнительные механизмы с электрическими приводами для точного и быстрого регулирования.
- SCADA-система TIA Portal для верхнего уровня, которая позволит операторам управлять процессом с помощью интуитивно понятных мнемосхем на экране компьютера.
Параллельно с выбором «железа» велась разработка алгоритмов управления. Для каждого контура регулирования (например, поддержания температуры в реакторе) был спроектирован свой алгоритм, чаще всего на базе ПИД-закона регулирования. Также были разработаны алгоритмы для противоаварийных блокировок и сигнализаций.
Проектные решения приняты. Теперь необходимо математически доказать, что предложенная система будет работать корректно и устойчиво.
Глава 4. Математическое моделирование и расчет системы автоматического регулирования
Чтобы доказать работоспособность и эффективность спроектированной системы до ее внедрения, был проведен расчет и моделирование ключевого контура регулирования. Этот шаг позволяет избежать ошибок на этапе пусконаладки и гарантировать требуемое качество управления.
Для анализа был выбран наиболее ответственный и сложный контур — система автоматического регулирования (САР) температуры в реакторе. Процесс моделирования включал несколько этапов:
- Построение математической модели объекта. На основе экспериментальных данных (переходной характеристики) была создана математическая модель, описывающая, как температура в реакторе реагирует на изменение подачи теплоносителя.
- Расчет параметров регулятора. Используя полученную модель, были рассчитаны оптимальные настройки для ПИД-регулятора (пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты), который будет реализован в контроллере Siemens S7-1200.
- Моделирование замкнутой системы. Была собрана виртуальная модель всей САР, которая имитировала ее работу в реальном времени.
Анализ полученных переходных процессов показал, что система обеспечивает высокое качество регулирования: она быстро и без значительных колебаний отрабатывает заданные значения температуры, что полностью соответствует технологическим требованиям.
Мы доказали работоспособность системы с технической точки зрения. Далее необходимо оценить ее надежность.
Глава 5. Анализ надежности и методы ее повышения
Эффективная система управления должна быть не только точной, но и безотказной. Остановка производства из-за сбоя в системе автоматизации может привести к серьезным экономическим потерям. Поэтому оценка и обеспечение надежности являются неотъемлемой частью проекта.
Был произведен расчет ключевых показателей безотказности для наиболее важных компонентов системы. Расчеты велись для таких показателей, как:
- Вероятность безотказной работы в течение заданного времени.
- Среднее время наработки на отказ (MTBF).
Результаты расчетов показали, что выбранные компоненты обладают высоким уровнем базовой надежности. Однако для критически важного химического производства были заложены дополнительные методы ее повышения:
Резервирование: Ключевые компоненты, такие как контроллер и его блоки питания, могут быть зарезервированы. В случае отказа основного устройства, резервное включается в работу автоматически, обеспечивая непрерывность процесса.
- Использование отказоустойчивых компонентов: Применение промышленных компьютеров и сетевого оборудования, рассчитанных на работу в тяжелых условиях.
- Встроенные системы диагностики: Программное обеспечение контроллера и SCADA-системы непрерывно отслеживает состояние всех датчиков и механизмов, заблаговременно предупреждая оператора о возможных неисправностях.
Обеспечив техническую надежность, переходим к следующему критически важному аспекту — безопасности жизнедеятельности.
Глава 6. Обеспечение безопасности на проектируемом объекте
Внедрение современной АСУ ТП — это один из самых эффективных способов повышения уровня промышленной безопасности. Проектные решения разрабатывались в строгом соответствии с нормами охраны труда.
Был проведен анализ опасных и вредных производственных факторов, характерных для цеха дегидратации. Новая система автоматизации напрямую способствует снижению рисков за счет следующих решений:
- Автоматический контроль: Система непрерывно следит за критическими параметрами. Если температура или давление выходят за безопасные пределы, система автоматически корректирует процесс.
- Противоаварийная защита (ПАЗ): В проекте заложены независимые контуры ПАЗ, которые в случае предаварийной ситуации переводят установку в безопасное состояние без участия оператора.
Кроме того, в работе были детально рассмотрены и другие аспекты безопасности:
- Электробезопасность: Все шкафы управления спроектированы с учетом требований ПУЭ, включая заземление и аппараты защиты.
- Пожарная профилактика: Использование сертифицированного оборудования и датчиков загазованности снижает риск возгорания.
- Охрана окружающей среды: Более стабильное ведение процесса сокращает количество нештатных выбросов в атмосферу.
Доказав техническую состоятельность, надежность и безопасность проекта, остается главный вопрос для любого производства — его экономическая целесообразность.
Глава 7. Технико-экономическое обоснование эффективности проекта
Любые инвестиции в модернизацию должны быть экономически оправданы. Цель этого раздела — доказать, что вложения в новую АСУ ТП не только окупятся, но и принесут предприятию прямую прибыль.
Расчет состоял из трех основных частей:
- Расчет капитальных вложений. Была составлена смета, включающая стоимость всего необходимого оборудования (контроллеры, датчики, шкафы), затраты на разработку программного обеспечения, монтажные и пусконаладочные работы.
- Расчет изменения эксплуатационных издержек. Это ключевой этап, на котором оценивается будущая экономия. Внедрение АСУ ТП приведет к:
- Снижению потребления энергии на 15-30% за счет оптимизации режимов работы оборудования.
- Сокращению брака и потерь сырья благодаря повышению стабильности выхода продукции.
- Уменьшению затрат на обслуживание и ремонт за счет использования нового, более надежного оборудования.
- Расчет итогового экономического эффекта. На основе капитальных вложений и годовой экономии были рассчитаны ключевые показатели эффективности инвестиций, главным из которых является срок окупаемости проекта.
Расчеты показывают, что, несмотря на значительные первоначальные вложения, проект окупится в течение нескольких лет и в дальнейшем будет приносить предприятию стабильную экономическую выгоду.
Заключение
В рамках данной дипломной работы был выполнен комплексный проект по модернизации автоматизированной системы управления технологическим процессом дегидратации метилфенилкарбинола в стирол. Проделанный путь — от анализа проблемы устаревшего оборудования до детального экономического обоснования — позволяет сделать однозначные выводы.
Главные результаты работы:
- Проанализирована существующая система и доказана необходимость ее модернизации.
- Разработана современная, надежная и эффективная структура АСУ ТП на базе ПЛК и SCADA-системы.
- Подобраны конкретные технические средства и разработаны алгоритмы управления.
- Математическое моделирование подтвердило работоспособность и качество регулирования предложенных решений.
- Проведен анализ надежности и безопасности, доказывающий соответствие проекта высоким промышленным стандартам.
- Технико-экономические расчеты продемонстрировали финансовую целесообразность и быструю окупаемость инвестиций.
Таким образом, все задачи, поставленные во введении, были полностью решены. Предложенный проект по модернизации является комплексным, всесторонне обоснованным инженерным решением, готовым к практической реализации на производстве.
Приложения и список литературы
В приложениях к работе представлены все необходимые графические и текстовые материалы, детализирующие и подтверждающие принятые проектные решения. Они включают:
- Функциональную схему автоматизации (FSA), являющуюся основным техническим документом.
- Структурную схему комплекса технических средств.
- Внешний вид и компоновку шкафа управления.
- Спецификацию на выбранное оборудование и материалы.
Список использованной литературы содержит перечень нормативных документов, стандартов, учебных пособий и научных статей, которые послужили теоретической и методологической основой для выполнения дипломного проекта.
Список использованной литературы
- Дудников В.Г. и другие. Автоматическое управление в химической промышленности. Учебник для вузов. – М.: Химия, 1987 г., 368 с.
- Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И., Автоматизация химических производств. Учебник для вузов. – М.: Химия, 1982, 296 с.
- Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В. А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Учебник для техникумов.- М.: Химия, 1991, 480 с.
- Проектирование систем автоматизации технологических процессов.: Справочное пособие (Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х., Клюев А. А.)., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат., 1990, 464 с.
- Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник (Баранов В. Я., Бек В. А. и др.; Под общей редакцией Черенкова В. В.. Л.: Машиностроение 1987, 847 с.).
- Технологический регламент цеха №2508 ОАО «Нижнекамскнефтехим».
- ГОСТ 2.001-70. Общие положения.
- ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторских документов.
- ГОСТ 2.103-68. Стадии разработки.
- ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.
- ГОСТ 2.105-79. Основные требования к текстовым документам.
- ГОСТ 2.106-68. Текстовые документы.
- ГОСТ 2.108-68. Спецификация.
- ГОСТ 2.109-73. Основные требования к чертежам.
- ГОСТ 2.111-68. Нормоконтроль.
- ГОСТ 2.784-96. Трубопроводы. Обозначения условные графические.
- ГОСТ 2.785-70. Арматура. Обозначения условные графические.
- ГОСТ 2.789-74. Аппараты теплообменные. Обозначения условные графические.